第六节 薄膜双轴取向拉伸
一般薄膜双轴取向拉伸，又称平面双向（轴）拉伸。是拉幅塑料薄膜的生产方法之一。
塑料薄膜按纵横两个不同方向进行平面内的互相垂直拉伸。此时材料分子沿纵、横两个方向取向。双轴拉伸可分逐次拉伸和双向同时拉伸。双轴拉伸薄膜纵向和横向的强度差别小。一般在材料的玻璃化转变温度以上和熔点以下进行。
众所周知，用熔融铸片法制得的片材，无论是物理性能还是力学性能都不能充分发挥材料应有的功能，往往都要进行拉伸取向处理。
塑料片材的拉伸取向，分为单向拉伸与双向拉伸两大类。在实际应用中，尽管单向拉伸会使聚合物在拉伸方向的性能有所提高，但性能改善的程度依然有限，只有在垂直的两个方向上进行双向拉伸后，才能真正实现最理想的改进。
平面双向拉伸的方法有许多种类，实际应用中要根据产品的性能的要求、生产的规模及生产技术、设备的特点来确定。这里，我们分别介绍各种拉伸方法的工艺特点及有关设备的情况。
在加热条件下，将薄膜沿平面坐标中一个或两个方向进行拉伸，使得大分子链沿拉伸方向定向伸展排列以改善薄膜的某些性能，这个过程叫做塑料薄膜的拉伸取向。拉伸取向后，薄膜的性能发生了较大变化。
双向拉伸薄膜由于薄膜经过挤出吹塑或挤出流延成膜后，骤冷至高弹态，然后在高弹态下对纵向和横向进行拉伸，拉伸结果不仅在宏观上使薄膜变薄，而且在微观上使高聚物分子发生应力方向上的整齐排布，即定向（或称取向）。高聚物分子的定向大大提高了高聚物的物理力学性能，可以使用更薄的薄膜或壁厚更小的制品而获得成倍增长的力学性能，在节省高聚物材料的基础上获得好的包装性能，满足包装要求。
拉伸取向后，薄膜的强度大大提高了，但是薄膜均失去了热封性，其引发撕裂强度有些提高，但继发撕裂强度大大降低，稍一用力就使整个膜被撕裂。因此，薄膜分切的刀就要求十分锋利，切口要求整齐平整，不能有任何切痕。双向拉伸薄膜除适用于食品、医药、服装、香烟等各种物品的包装外，还大量作为复合膜的基材。
如上海物豪之双向拉伸薄膜的加工方法有吹胀法双向拉伸、逐步双向拉伸和同步双向拉伸三种。
一、吹胀法双向拉伸法
吹胀膜（inflation film）可以用英文I表示，例如：吹胀法生产的聚丙烯薄膜，称为IPP膜。
（1）工艺特点 吹胀法双向拉伸工艺的特点是：设备投资少，仅仅是平膜法的1/15～1/10；操作较简单，占地面积小；拉伸的倍率比较小，仅为5～7倍；冷却效率较低，因此生产速度比较低，通常为30～60m/min。
（2）工艺流程 PP原料→挤出机挤出厚膜→水骤冷→在加热导管内加热（到临界的高弹态的双向拉伸温度下）→纵向牵引辊快速牵引5～7倍→冷却→收卷，在定型设备上放卷→逐级加热到定型温度→在定型温度的辊筒下保持一定时间→冷却辊逐渐冷却→电晕处理→收卷成品。
（3）操作参致 以采用原料为日本生产的F-5361（0PP专用牌号）为例。厚膜挤出温度为220℃、230℃、240℃，连接器240℃，模唇温度（口模）230℃厚膜管温度误差控制在2％以内，骤冷冷却水温5～10℃。由于PP是典型的结晶聚合物，因此要用骤冷的方法使PP来不及结晶，而成无定形态，然后再加热到高弹态下进行双向拉伸。对于结晶型聚合物来说，骤冷是十分必要的，而对于无定形聚合物来讲，如PVC可以直接冷却到拉伸温度进行双向拉伸，但无定形聚合物无法使已定向了的分子热定型，受热就会收缩，可以生产热缩性薄膜。
拉伸箱内共有三段加热，由段长2.5m的管状加热器构成，加热段先加热空气，用热空气鼓入厚膜中来加热厚膜，加热器装在夹辊前，两个加热段和一个拉伸段均分别装有三对夹辊（由一个钢辊、一个橡胶辊组成），拉伸段加热功率5.5kW。
二、逐步双向拉伸法
逐次拉伸法是将挤出的塑料片材分别经过纵向、横向两次拉伸完成取向过程的方法。在这种拉伸方法中，目前大多数是采用先进行纵向拉伸，然后进行横向拉伸的纵-横两次拉伸法。
该方法主要优点是产品性能容易控制，操作较为方便，拉伸后可在同一台横拉伸机内完成必要的热处理、冷却处理。生产速度最高可达350m/min。但是，这种方法由于在横拉伸、热处理时会损坏分子的纵向取向，所以难以制作强化薄膜（纵向力学性能远大于横向力学性能的薄膜）。此外，这种方法由于热处理是在横拉机内进行的，也难以制作纵向热收缩为零的薄膜。
这种方法是使用T形口模先经挤出流延出厚膜，然后骤冷；骤冷的厚膜在加热辊筒的加热下，加热到双向拉伸温度，经逐级增速辊筒纵向拉伸8～10倍，然后边缘用夹具夹紧后，夹具在导轨上呈“八”字形，进行横向拉伸；最后热定型，冷却，电晕处理，分切成一定幅面后收卷。
各种逐次双向拉伸方法的拉伸过程是不同的，但是它们使用的基本设备十分相似。下面我们较详细地介绍这种拉伸方法有关单机的结构及相关的工艺情况。
1.纵向拉伸（简称MDO）
纵向拉伸是将挤出的厚片，通过多个高精度金属辊筒进行加热，并在一定的速度梯度下，将片材纵向拉长，使聚合物分子进行纵向取向（和定型、冷却）的过程。所用的设备称为纵向拉伸机。
纵向，拉伸可以分为如图2-50所示的大间隙单点拉伸、两点拉伸和小间隙单点、两点、多点拉伸三种类型。
图2-50 典型纵向拉伸机的种类
纵向拉伸机主要是由多个加热、冷却辊筒，（红外加热器），辊筒的传动系统，穿片装置，张力、温度、速度等控制装置所组成的。辊筒内的加热介质可以采用循环加热的油或水或蒸汽。用水进行加热的优点在于：软水易得、成本低、安全、检修方便、清洁。从传热的角度来分析，由于水的密度大，热导率较高，可以减少循环水量。其缺点在于当纵向拉伸温度需要高于100℃时，循环水必须使用加压水。水压有时高达0.7MPa。此时加热系统就要加以改进，辊筒要采取更好的密封措施；用水循环容易结垢，对水质要加以限制；机械密封损耗大（使用寿命为3～6个月）。图2-51为常用加压水循环系统的示意。
图2-51 加压水循环系统示意
1—膨胀罐；2—压缩空气管；3—安全阀；4—软水进口；5—玻璃液位计；6—排气管；7—电加热器；8—循环水泵；9—补充水管；10—冷冻水；11—热交换器；12—金属软管；13—辊筒；14—连接头
2.横向拉伸（简称TDO）
塑料片材的横向拉伸是在横向拉伸机（简称拉幅机或横拉机）内完成的。图2-52为横向拉伸机的俯视图。
图2-52 横向拉伸机俯视图
横拉机有两条无端回转的特殊链条，链条上装有夹具，可紧紧夹住片材的两个边缘，并支撑在可变幅宽的导轨上，借助于两条链夹的同向、同步运行。片材首先在略有增幅的预热段进行预热，在有较大扩张角的拉伸区内进行横向拉伸，然后在乎行及有收缩的热处理区内进行热处理，使薄膜定型及松弛（有些塑料薄膜不需要热处理）。最后在乎行的冷却区进行冷却，完成薄膜的横向拉伸工作。
三、同步双向拉伸法
纵向和横向拉伸是在一个能加速的展幅机上完成的，这种一步完成纵横两个方向上的拉伸定向薄膜有两大优点。第一，可以用来制造不能使用逐级拉伸技术生产的塑料薄膜。这是因为上述薄膜极易结晶，而拉伸可以促进结晶，进行双向逐步拉伸时，经纵向拉伸后的薄膜，结晶速度已迅速提高，难以再进行横向拉伸。因此，结晶速度快、结晶度高、容易结晶的聚合物不适宜逐步双向拉伸工艺，而只适宜同步双向拉伸工艺。第二，可以生产超薄薄膜，降低成本，提高透明度，同步双轴定向法可生产0.5～1.55m厚的薄膜。
同时双向拉伸设备的主要类型如下。
1.伸曲链条式
图2-53为一种伸曲链条式同时双向拉伸机的示意。这种拉伸机的夹具，装在无端循环链条上，链条通过电动机、减速器、链轮构成的传动系统，使其在特定的导轨上运行。夹具之间的距离是取决于链条前后两排链轴之间的限位轨道的宽度，并随限位轨道宽度的变化而改变。幅宽则靠调幅装置来调节。当链条离开入口链轮时，夹具之间的间距由最大变为最小，在整个预热段，链轴之间的限位导轨达到最大宽度，链条呈完全摺曲状态，夹具彼此并靠在一起，由于链条销轴上的轴承直径比夹具的宽度大，夹具完全靠轴承间的挤压力推移。进入拉伸区之后，限位导轨的宽度逐渐减小，前后链轴间的阻力逐渐减小，链条在出口导向链轮的拉力作用下，夹具之间的间距就逐渐增大，链条逐渐被拉直，一直到返回入口链轮处，夹具的间距均保持最大值。
图2-53 伸曲链条式一次拉伸机示意
1—链条；2—夹具；3—进口链轮；4—出口链轮
2.线型磁电传动式
线型磁电传动式的同时双向拉伸机类似一台高速电磁悬浮火车，它仅由独立的夹具、导轨及控制系统组成。夹具上装有多个滚动轴承，稳定地靠在导轨上，可沿导轨灵活移动，每个夹具上有一个突出部分，构成类似线型电动机的动片。整个导轨内都装有短芯定子线圈。当定子线圈被充以三相交流电时，产生电磁波与夹具上的磁铁作用，就会使独立的夹具在导轨上与电磁波同步移动。
3.螺杆传动式（图2-54）
图2-54 螺杆传动式一次拉伸机示意
这种类型的一次拉伸机，夹具主要靠变螺距的螺杆、链轮或附设环状输送器的驱动进行运行。除在拉伸区螺杆的螺距是递增的、拉伸机入口的外侧夹具是递减的外，其他区域夹具基本是等距的。这种传动方式可使夹具具有较大的驱动力，夹具运行是可靠的。美国ESSO研究设计公司1965年申请了专利。1972年德国KAMPF公司向ORWO工厂提供了两条这种类型的BOPET薄膜拉伸机。
这种设备最大的缺点是改变纵向拉伸倍数比较困难，需要更换驱动螺杆。然而由于它的传动力大，生产速度可以加快，所以可以用来生产塑料薄膜。
4.辊组纵向拉伸-导轨横向拉伸组合式（图2-55）
图2-55 辊组-导轨组合式一次拉伸机示意
这种类型的一次拉伸机，纵向拉伸是利用拉伸机进出口处辊组的速度差，横向拉伸是利用限位器或非刚性连接夹具的强制扩张，实现同时双向拉伸的目的。
一般平膜法双轴拉伸（包括同步法和逐步法）与吹胀法双轴拉伸相比，具有以下优缺点。
（1）投资大，厂房面积大，一个8m宽的逐步双轴拉伸薄膜流水线需要长达l00m以上的厂房，要求的技术精。
（2）生产速率高，可达120～150m/min，产量大，年产量达0.4万～1.2万吨。
（3）双轴拉伸比大，可达8～10，更能提高性能。
双向拉伸薄膜的拉伸和分子取向是在稍高于聚合物的二级转变温度而低于熔点温度下进行的。
四、纵-横-纵三次拉伸法
目前纵-横-纵三次拉伸法这种方法主要用于生产强化薄膜。
一般纵-横-纵三次拉伸法的生产过程是经过第一纵向拉伸机拉伸的挤出片材，进行横向拉伸、冷却后，需要在第二纵向拉伸机内再次进行小倍数的纵向拉伸、定型、冷却，最后进入热处理机，完成薄膜的最终定型、松弛、冷却处理。
比如利用纵横二次拉伸的方法制作纵向强度高、纵向伸长率小的塑料薄膜是十分困难的。这是因为纵向取向的聚合物分子，在横向拉伸时会出现解取向；分子纵向取向过高，横向拉伸时很容易破膜。因此，为了生产这种特殊的薄膜，就出现了上述纵-横-纵三次拉伸法。一般这种方法的缺点是工序多，穿片次数多，三次拉伸后的薄膜很难穿入热处理机，生产过程中，一旦出现破膜很难处理，生产能力受到很大影响。