第六節　薄膜雙軸取向拉伸

一般薄膜雙軸取向拉伸，又稱平面雙向（軸）拉伸。是拉幅塑料薄膜的生產方法之一。

塑料薄膜按縱橫兩個不同方向進行平面內的互相垂直拉伸。此時材料分子沿縱、橫兩個方向取向。雙軸拉伸可分逐次拉伸和雙向同時拉伸。雙軸拉伸薄膜縱向和橫向的強度差別小。一般在材料的玻璃化轉變溫度以上和熔點以下進行。

眾所周知，用熔融鑄片法制得的片材，無論是物理性能還是力學性能都不能充分發揮材料應有的功能，往往都要進行拉伸取向處理。

塑料片材的拉伸取向，分為單向拉伸與雙向拉伸兩大類。在實際應用中，盡管單向拉伸會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，只有在垂直的兩個方向上進行雙向拉伸后，才能真正實現最理想的改進。

平面雙向拉伸的方法有許多種類，實際應用中要根據產品的性能的要求、生產的規模及生產技術、設備的特點來確定。這里，我們分別介紹各種拉伸方法的工藝特點及有關設備的情況。

在加熱條件下，將薄膜沿平面坐標中一個或兩個方向進行拉伸，使得大分子鏈沿拉伸方向定向伸展排列以改善薄膜的某些性能，這個過程叫做塑料薄膜的拉伸取向。拉伸取向后，薄膜的性能發生了較大變化。

雙向拉伸薄膜由于薄膜經過擠出吹塑或擠出流延成膜后，驟冷至高彈態，然后在高彈態下對縱向和橫向進行拉伸，拉伸結果不僅在宏觀上使薄膜變薄，而且在微觀上使高聚物分子發生應力方向上的整齊排布，即定向（或稱取向）。高聚物分子的定向大大提高了高聚物的物理力學性能，可以使用更薄的薄膜或壁厚更小的制品而獲得成倍增長的力學性能，在節省高聚物材料的基礎上獲得好的包裝性能，滿足包裝要求。

拉伸取向后，薄膜的強度大大提高了，但是薄膜均失去了熱封性，其引發撕裂強度有些提高，但繼發撕裂強度大大降低，稍一用力就使整個膜被撕裂。因此，薄膜分切的刀就要求十分鋒利，切口要求整齊平整，不能有任何切痕。雙向拉伸薄膜除適用于食品、醫藥、服裝、香煙等各種物品的包裝外，還大量作為復合膜的基材。

如上海物豪之雙向拉伸薄膜的加工方法有吹脹法雙向拉伸、逐步雙向拉伸和同步雙向拉伸三種。

一、吹脹法雙向拉伸法

吹脹膜（inflation film）可以用英文I表示，例如：吹脹法生產的聚丙烯薄膜，稱為IPP膜。

（1）工藝特點　吹脹法雙向拉伸工藝的特點是：設備投資少，僅僅是平膜法的1/15～1/10；操作較簡單，占地面積小；拉伸的倍率比較小，僅為5～7倍；冷卻效率較低，因此生產速度比較低，通常為30～60m/min。

（2）工藝流程　PP原料→擠出機擠出厚膜→水驟冷→在加熱導管內加熱（到臨界的高彈態的雙向拉伸溫度下）→縱向牽引輥快速牽引5～7倍→冷卻→收卷，在定型設備上放卷→逐級加熱到定型溫度→在定型溫度的輥筒下保持一定時間→冷卻輥逐漸冷卻→電暈處理→收卷成品。

（3）操作參致　以采用原料為日本生產的F-5361（0PP專用牌號）為例。厚膜擠出溫度為220℃、230℃、240℃，連接器240℃，模唇溫度（口模）230℃厚膜管溫度誤差控制在2％以內，驟冷冷卻水溫5～10℃。由于PP是典型的結晶聚合物，因此要用驟冷的方法使PP來不及結晶，而成無定形態，然后再加熱到高彈態下進行雙向拉伸。對于結晶型聚合物來說，驟冷是十分必要的，而對于無定形聚合物來講，如PVC可以直接冷卻到拉伸溫度進行雙向拉伸，但無定形聚合物無法使已定向了的分子熱定型，受熱就會收縮，可以生產熱縮性薄膜。

拉伸箱內共有三段加熱，由段長2.5m的管狀加熱器構成，加熱段先加熱空氣，用熱空氣鼓入厚膜中來加熱厚膜，加熱器裝在夾輥前，兩個加熱段和一個拉伸段均分別裝有三對夾輥（由一個鋼輥、一個橡膠輥組成），拉伸段加熱功率5.5kW。

二、逐步雙向拉伸法

逐次拉伸法是將擠出的塑料片材分別經過縱向、橫向兩次拉伸完成取向過程的方法。在這種拉伸方法中，目前大多數是采用先進行縱向拉伸，然后進行橫向拉伸的縱-橫兩次拉伸法。

該方法主要優點是產品性能容易控制，操作較為方便，拉伸后可在同一臺橫拉伸機內完成必要的熱處理、冷卻處理。生產速度最高可達350m/min。但是，這種方法由于在橫拉伸、熱處理時會損壞分子的縱向取向，所以難以制作強化薄膜（縱向力學性能遠大于橫向力學性能的薄膜）。此外，這種方法由于熱處理是在橫拉機內進行的，也難以制作縱向熱收縮為零的薄膜。

這種方法是使用T形口模先經擠出流延出厚膜，然后驟冷；驟冷的厚膜在加熱輥筒的加熱下，加熱到雙向拉伸溫度，經逐級增速輥筒縱向拉伸8～10倍，然后邊緣用夾具夾緊后，夾具在導軌上呈“八”字形，進行橫向拉伸；最后熱定型，冷卻，電暈處理，分切成一定幅面后收卷。

各種逐次雙向拉伸方法的拉伸過程是不同的，但是它們使用的基本設備十分相似。下面我們較詳細地介紹這種拉伸方法有關單機的結構及相關的工藝情況。

1.縱向拉伸（簡稱MDO）

縱向拉伸是將擠出的厚片，通過多個高精度金屬輥筒進行加熱，并在一定的速度梯度下，將片材縱向拉長，使聚合物分子進行縱向取向（和定型、冷卻）的過程。所用的設備稱為縱向拉伸機。

縱向，拉伸可以分為如圖2-50所示的大間隙單點拉伸、兩點拉伸和小間隙單點、兩點、多點拉伸三種類型。

縱向拉伸機主要是由多個加熱、冷卻輥筒，（紅外加熱器），輥筒的傳動系統，穿片裝置，張力、溫度、速度等控制裝置所組成的。輥筒內的加熱介質可以采用循環加熱的油或水或蒸汽。用水進行加熱的優點在于：軟水易得、成本低、安全、檢修方便、清潔。從傳熱的角度來分析，由于水的密度大，熱導率較高，可以減少循環水量。其缺點在于當縱向拉伸溫度需要高于100℃時，循環水必須使用加壓水。水壓有時高達0.7MPa。此時加熱系統就要加以改進，輥筒要采取更好的密封措施；用水循環容易結垢，對水質要加以限制；機械密封損耗大（使用壽命為3～6個月）。圖2-51為常用加壓水循環系統的示意。

2.橫向拉伸（簡稱TDO）

塑料片材的橫向拉伸是在橫向拉伸機（簡稱拉幅機或橫拉機）內完成的。圖2-52為橫向拉伸機的俯視圖。

橫拉機有兩條無端回轉的特殊鏈條，鏈條上裝有夾具，可緊緊夾住片材的兩個邊緣，并支撐在可變幅寬的導軌上，借助于兩條鏈夾的同向、同步運行。片材首先在略有增幅的預熱段進行預熱，在有較大擴張角的拉伸區內進行橫向拉伸，然后在乎行及有收縮的熱處理區內進行熱處理，使薄膜定型及松弛（有些塑料薄膜不需要熱處理）。最后在乎行的冷卻區進行冷卻，完成薄膜的橫向拉伸工作。

三、同步雙向拉伸法

縱向和橫向拉伸是在一個能加速的展幅機上完成的，這種一步完成縱橫兩個方向上的拉伸定向薄膜有兩大優點。第一，可以用來制造不能使用逐級拉伸技術生產的塑料薄膜。這是因為上述薄膜極易結晶，而拉伸可以促進結晶，進行雙向逐步拉伸時，經縱向拉伸后的薄膜，結晶速度已迅速提高，難以再進行橫向拉伸。因此，結晶速度快、結晶度高、容易結晶的聚合物不適宜逐步雙向拉伸工藝，而只適宜同步雙向拉伸工藝。第二，可以生產超薄薄膜，降低成本，提高透明度，同步雙軸定向法可生產0.5～1.55m厚的薄膜。

同時雙向拉伸設備的主要類型如下。

1.伸曲鏈條式

圖2-53為一種伸曲鏈條式同時雙向拉伸機的示意。這種拉伸機的夾具，裝在無端循環鏈條上，鏈條通過電動機、減速器、鏈輪構成的傳動系統，使其在特定的導軌上運行。夾具之間的距離是取決于鏈條前后兩排鏈軸之間的限位軌道的寬度，并隨限位軌道寬度的變化而改變。幅寬則靠調幅裝置來調節。當鏈條離開入口鏈輪時，夾具之間的間距由最大變為最小，在整個預熱段，鏈軸之間的限位導軌達到最大寬度，鏈條呈完全摺曲狀態，夾具彼此并靠在一起，由于鏈條銷軸上的軸承直徑比夾具的寬度大，夾具完全靠軸承間的擠壓力推移。進入拉伸區之后，限位導軌的寬度逐漸減小，前后鏈軸間的阻力逐漸減小，鏈條在出口導向鏈輪的拉力作用下，夾具之間的間距就逐漸增大，鏈條逐漸被拉直，一直到返回入口鏈輪處，夾具的間距均保持最大值。

2.線型磁電傳動式

線型磁電傳動式的同時雙向拉伸機類似一臺高速電磁懸浮火車，它僅由獨立的夾具、導軌及控制系統組成。夾具上裝有多個滾動軸承，穩定地靠在導軌上，可沿導軌靈活移動，每個夾具上有一個突出部分，構成類似線型電動機的動片。整個導軌內都裝有短芯定子線圈。當定子線圈被充以三相交流電時，產生電磁波與夾具上的磁鐵作用，就會使獨立的夾具在導軌上與電磁波同步移動。

3.螺桿傳動式（圖2-54）

這種類型的一次拉伸機，夾具主要靠變螺距的螺桿、鏈輪或附設環狀輸送器的驅動進行運行。除在拉伸區螺桿的螺距是遞增的、拉伸機入口的外側夾具是遞減的外，其他區域夾具基本是等距的。這種傳動方式可使夾具具有較大的驅動力，夾具運行是可靠的。美國ESSO研究設計公司1965年申請了專利。1972年德國KAMPF公司向ORWO工廠提供了兩條這種類型的BOPET薄膜拉伸機。

這種設備最大的缺點是改變縱向拉伸倍數比較困難，需要更換驅動螺桿。然而由于它的傳動力大，生產速度可以加快，所以可以用來生產塑料薄膜。

4.輥組縱向拉伸-導軌橫向拉伸組合式（圖2-55）

這種類型的一次拉伸機，縱向拉伸是利用拉伸機進出口處輥組的速度差，橫向拉伸是利用限位器或非剛性連接夾具的強制擴張，實現同時雙向拉伸的目的。

一般平膜法雙軸拉伸（包括同步法和逐步法）與吹脹法雙軸拉伸相比，具有以下優缺點。

（1）投資大，廠房面積大，一個8m寬的逐步雙軸拉伸薄膜流水線需要長達l00m以上的廠房，要求的技術精。

（2）生產速率高，可達120～150m/min，產量大，年產量達0.4萬～1.2萬噸。

（3）雙軸拉伸比大，可達8～10，更能提高性能。

雙向拉伸薄膜的拉伸和分子取向是在稍高于聚合物的二級轉變溫度而低于熔點溫度下進行的。

四、縱-橫-縱三次拉伸法

目前縱-橫-縱三次拉伸法這種方法主要用于生產強化薄膜。

一般縱-橫-縱三次拉伸法的生產過程是經過第一縱向拉伸機拉伸的擠出片材，進行橫向拉伸、冷卻后，需要在第二縱向拉伸機內再次進行小倍數的縱向拉伸、定型、冷卻，最后進入熱處理機，完成薄膜的最終定型、松弛、冷卻處理。

比如利用縱橫二次拉伸的方法制作縱向強度高、縱向伸長率小的塑料薄膜是十分困難的。這是因為縱向取向的聚合物分子，在橫向拉伸時會出現解取向；分子縱向取向過高，橫向拉伸時很容易破膜。因此，為了生產這種特殊的薄膜，就出現了上述縱-橫-縱三次拉伸法。一般這種方法的缺點是工序多，穿片次數多，三次拉伸后的薄膜很難穿入熱處理機，生產過程中，一旦出現破膜很難處理，生產能力受到很大影響。