雙向拉伸聚丙烯生產(chǎn)過(guò)程中的取向與結(jié)晶
2018-12-24 9:11:09??????點(diǎn)擊：
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吳增青 涂志剛
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（湛江包裝材料企業(yè)有限公司，524022）
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摘要：分析了BOPP薄膜生產(chǎn)過(guò)程中的取向和結(jié)晶對(duì)薄膜機(jī)械力學(xué)性能和光學(xué)性能的影響，實(shí)際生產(chǎn)中生產(chǎn)工藝應(yīng)該根據(jù)PP的熱力學(xué)特性相應(yīng)調(diào)整，以制造出雙向取向度高，同時(shí)結(jié)晶微細(xì)、均勻的高性能優(yōu)質(zhì)BOPP薄膜。
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關(guān)鍵詞：取向，結(jié)晶，BOPP薄膜
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中圖分類號(hào)：TQ324；TQ314.24
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The Orientation and Crystallization in Producing BOPP Film
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Wu Zengqing, Tu zhigang
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(Zhanjiang Packaging Material Enterprises Ltd., Guangdong, 524022)
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ABSTRACT：The influences of the orientation and crystallization in producing Bi-axially Oriented Polypropylene (BOPP) film on mechanic properties and optic properties are analyzed. In order to produce high-quality BOPP film with high bi-axially orientation degree and superfine uniform crystal the processes of BOPP film should be adjusted based on the thermodynamic properties of PP in the course of practical production. KEYWORDS: Orientation, Crystallization, BOPP film
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....雙向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜具有高光澤、高挺度、阻氣性好、抗沖強(qiáng)度高等特點(diǎn)，是一種性能優(yōu)良的高透明包裝材料[1]。從80年代后期開(kāi)始至今，BOPP薄膜在食品、飲料、香煙、服裝等行業(yè)的包裝上得到廣泛應(yīng)用。盡管BOPP薄膜的設(shè)備和技術(shù)都依賴進(jìn)口，投資規(guī)模大，但由于其市場(chǎng)潛力大、產(chǎn)品附加值高，利潤(rùn)大，近年來(lái)再次成為塑料包裝行業(yè)的投資熱點(diǎn)[2]。
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....對(duì)于一種包裝材料而言，反映外觀美感的光學(xué)性能和反映使用承受強(qiáng)度的機(jī)械力學(xué)性能是非常重要的性能指標(biāo)。聚丙烯（PP）是一種結(jié)晶性聚合物，在BOPP薄膜的加工過(guò)程中，PP在力、熱和電場(chǎng)等的作用下，經(jīng)歷了復(fù)雜的取向和結(jié)晶的變化，PP聚集態(tài)結(jié)構(gòu)中的取向和結(jié)晶將對(duì)BOPP薄膜光學(xué)性能、力學(xué)性能起決定性影響，因此如何通過(guò)工藝的調(diào)整，控制BOPP薄膜生產(chǎn)過(guò)程中的取向和結(jié)晶是改善產(chǎn)品品質(zhì)、提高產(chǎn)品等級(jí)的關(guān)鍵。
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1 BOPP薄膜加工工藝
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以逐次雙向拉伸工藝為例，其工藝流程如下。
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....總體上，逐次拉伸法是將擠出的PP片材先經(jīng)過(guò)縱向拉伸、后橫向拉伸來(lái)完成二次取向過(guò)程。生產(chǎn)過(guò)程中主要控制的工藝參數(shù)有生產(chǎn)線速度、溫度、拉伸比等。
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....BOPP薄膜質(zhì)量控制指標(biāo)包括彈性模量，縱、橫向的抗張強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、熱收縮率，摩擦系數(shù)，濁度，光澤度等，這些指標(biāo)主要體現(xiàn)薄膜的力學(xué)性能和光學(xué)性能，它們與PP高分子鏈的聚集狀態(tài)如取向、結(jié)晶等有密不可分的聯(lián)系。
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2 取向
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....由于聚合物分子具有長(zhǎng)鏈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，聚合物成型加工過(guò)程中，在外力場(chǎng)的作用下，高分子鏈、鏈段或微晶會(huì)沿著外力方向有序排列，產(chǎn)生不同程度的取向，形成一種新的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)-取向態(tài)結(jié)構(gòu)，致使材料在不同方向上的機(jī)械力學(xué)、光學(xué)和熱力學(xué)性能發(fā)生顯著變化。
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....BOPP薄膜生產(chǎn)中的取向主要包括流動(dòng)取向和拉伸取向。
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2．1 流動(dòng)取向[3]
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....流動(dòng)取向發(fā)生在擠出口模中，BOPP薄膜生產(chǎn)通常使用衣架型模頭，PP熔體在口模中成型段的流動(dòng)近似為狹縫流道中的流動(dòng)，在靠近流道壁面處熔體流動(dòng)速度梯度大，特別是模唇處溫度較低，在拉伸力、剪切應(yīng)力的作用下，高分子鏈沿流動(dòng)方向伸展取向；熔體擠出時(shí)，由于溫度很高，分子熱運(yùn)動(dòng)劇烈，也存在強(qiáng)烈解取向作用。因此流動(dòng)取向?qū)OPP薄膜性能的影響相對(duì)較小。
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| 2．2拉伸取向 |
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....BOPP薄膜生產(chǎn)過(guò)程中的取向主要發(fā)生縱向拉伸和橫向拉伸過(guò)程，在經(jīng)過(guò)縱向拉伸后，高分子鏈單軸縱向取向，大大提高了片材的縱向機(jī)械性能，而橫向性能惡化；進(jìn)一步橫拉之后，高分子鏈呈雙軸取向狀態(tài)如圖2所示，因此可以綜合改善BOPP薄膜的性能，并且隨分子鏈取向度提高，薄膜中伸直鏈段數(shù)目增多，折疊鏈段數(shù)目減少，晶片之間的連接鏈段增加，材料的密度和強(qiáng)度都相應(yīng)提高，而伸長(zhǎng)率降低[4]。但在橫拉伸預(yù)熱及橫拉伸時(shí)，由于溫度升高，分子鏈松弛時(shí)間縮短，利于解取向，加上橫向拉伸力的作用，會(huì)在一定程度上損害分子鏈的縱向取向度，導(dǎo)致薄膜的縱向熱收縮率減小。
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....為了制得理想的強(qiáng)化薄膜，拉伸取向過(guò)程中，溫度、拉伸比、拉伸速度等工藝參數(shù)的控制非常重要[5]。BOPP雙向拉伸通常在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg至熔融溫度Tm之間進(jìn)行，如縱向拉伸溫度一般為80-110℃，橫向拉伸溫度為120-150℃，在給定的拉伸比和拉伸速度下，適當(dāng)降低拉伸溫度，分子伸展形變會(huì)增大，粘性變形就會(huì)減小，有助于提高取向度；但過(guò)低的溫度會(huì)降低了分子鏈段的活動(dòng)能力，不利于取向；在熱拉伸取向的同時(shí)，也存在著解取向的趨勢(shì)，因此拉伸之后應(yīng)迅速降低溫度，以保持高分子鏈的定向程度。一般來(lái)說(shuō)，在正常的生產(chǎn)溫度下，取向程度隨拉伸比的增大而增加，而隨拉伸速度的增加，拉伸應(yīng)力作用的時(shí)間縮短，從而影響取向的效果。
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3 結(jié)晶
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....晶態(tài)結(jié)構(gòu)是高聚物中三維有序的最規(guī)整的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，結(jié)晶是BOPP生產(chǎn)加工過(guò)程中不可回避的問(wèn)題，PP結(jié)晶的速度、結(jié)晶的完善程度、結(jié)晶的形態(tài)、晶體的大小等對(duì)生產(chǎn)工藝、薄膜性能都有非常重要的影響。
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3．1結(jié)晶對(duì)生產(chǎn)工藝調(diào)整的影響
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....均聚PP有α、β、γ、δ和擬六方共五種晶系，其中α晶系屬單斜晶系，是最常見(jiàn)、最穩(wěn)定的結(jié)晶。PP結(jié)晶貫穿著從熔體擠出到時(shí)效處理等BOPP生產(chǎn)的整個(gè)過(guò)程。為了提高成膜性，PP擠出時(shí)采用驟冷鑄片，以控制結(jié)晶的生成，降低結(jié)晶度；在雙向拉伸時(shí)要求結(jié)晶速度較慢，以利于拉伸取向，較早、較快的結(jié)晶和較大的結(jié)晶顆粒都有可能導(dǎo)致破膜[6]；在橫拉后熱處理定型階段，為了提高剛性和強(qiáng)度，要求產(chǎn)生并加速結(jié)晶。
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| ....PP的******結(jié)晶速率的溫度大約為0.85Tm（也可以根據(jù)DSC測(cè)定的結(jié)果確定），溫度越高或越低如在Tm或Tg附近，越難結(jié)晶，在拉伸過(guò)程中要防止預(yù)熱、拉伸時(shí)結(jié)晶度急劇增加，因此不要在PP******結(jié)晶速度的溫度區(qū)域內(nèi)選擇拉伸溫度，最好在結(jié)晶開(kāi)始熔融、分子鏈能夠運(yùn)動(dòng)的溫度下進(jìn)行拉伸，即******結(jié)晶速度的溫度到熔點(diǎn)之間。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)應(yīng)根據(jù)PP的熱力學(xué)特性來(lái)相應(yīng)地調(diào)整生產(chǎn)工藝。 |
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3．2結(jié)晶對(duì)BOPP性能的影響
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....薄膜中PP的結(jié)晶度和晶體尺寸對(duì)BOPP薄膜的機(jī)械力學(xué)性能和光學(xué)性能有重要影響。結(jié)晶度高則強(qiáng)度高，韌性差；晶體尺寸小而均勻，有利于提高薄膜的力學(xué)強(qiáng)度，耐磨性、耐熱性，提高薄膜的透明度和表面光澤度。
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....雙向拉伸過(guò)程中的結(jié)晶有著高聚物聚集態(tài)結(jié)構(gòu)特殊性的一面，存在取向與結(jié)晶互生現(xiàn)象，即取向?qū)е陆Y(jié)晶，結(jié)晶中有取向。拉伸取向引起晶片傾斜、滑移延展，原有的晶片被拉伸細(xì)化，重排為取向態(tài)，形成取向的折疊鏈晶片、伸直鏈晶或球晶轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒗w晶狀結(jié)構(gòu)等。因此薄膜的綜合性能進(jìn)一步得到強(qiáng)化。
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....如研究表明，拉伸取向?qū)е路肿渔溡?guī)則排列，產(chǎn)生均相晶核，誘導(dǎo)拉伸結(jié)晶，形成串晶互鎖結(jié)構(gòu)，可以大大提高取向方向PP的力學(xué)性能[7]；雙向拉伸也可以使PP中可能產(chǎn)生的較大顆粒晶體破碎，從而減小晶體尺寸，提高透光率，降低霧度。如PP經(jīng)雙向拉伸后，霧度下降50%[8]。
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....從結(jié)晶的角度來(lái)看，要生產(chǎn)高質(zhì)量的BOPP薄膜，應(yīng)盡量減小PP晶體的尺寸，一般可以從兩個(gè)方面考慮，其一，工藝調(diào)整，如各段的冷卻速度、溫度、拉伸比、拉伸速度等；其二是配方，如主料PP的選擇、成核劑的使用等。
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....在PP高性能工程化和透明改性方面，如何使PP結(jié)晶微細(xì)化、均質(zhì)化也是重要改性途徑之一。
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參考文獻(xiàn)
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[5] 吳耀根，鄭少華，王云等，專利，CN1169911A
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[8] 李軍，王文廣，高雯，塑料透明改性，塑料科技，1999，129（1）：21
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吳增青，男，1958年3月出生，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事塑料成型加工研究。
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聯(lián)系人：涂志剛 email: zhigtu@263.net tel: 0759-3391326 , 013702876506
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