双向拉伸聚丙烯薄膜工艺研究

徐志明

摘要：本文主要介绍了双向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜的概念、特性、生产方法及工艺流程。以及BOPP薄膜生产过程中的取向和结晶对薄膜机械力学性能和光学性能的影响。

关键词：膜 双向拉伸聚丙烯薄膜 生产工艺 结晶

1 膜和BOPP薄膜介绍

1.1 膜 所有的膜工艺过程的核心当然是膜本身，以及在膜上和膜中发生的据不传递过程。对于膜组件来说，还必须考虑常量沿工艺流程段的变化情况。在膜装置中要对膜组件进行组合连接，最后，在总工艺过程的情况下，就必须考虑膜装置与其他配套分离设施之间的最佳耦合浓度。从经济的观点来看，以下两个特性对于所有的膜过程都是至关重要的：

1.1.1 模的选择性，即将混合物中的组分分离开来的能力，例如，将醇和水分离开来，或者将盐离子和水分离开来。

1.1.2 模的效率，即在一定的操作条件下可达到的渗透物通量。

1.2 BOPP薄膜产品的分类和特性 BOPP薄膜在包装行业应用范围广，产品种类比较多。目前BOPP行业主要根据BOPP薄膜的用途和外观对它们进行分类。

1.2.1 普通印刷膜 普通印刷膜厚度在15-25μm之间，因为要使不同颜色的油墨印刷在聚丙烯薄膜的表面上。

1.2.2 防伪镭射膜 防伪镭射膜是近年来BOPP薄膜应用领域一个新的开拓。它是将BOPP薄膜经过压印机压印，使薄膜的折射率发生变化，从而使薄膜在光线照射下，映出防伪图案或防伪标志。

1.2.3 珠光膜 珠光膜是在BOPP薄膜生产中，在薄膜芯层添加一定比例的珠光母粒，拉伸而成。

1.2.4 电工膜 电工膜主要用于电子元器件的包装。电工膜的厚度非常薄，一般为4-10μm。

1.2.5 消光膜 消光膜具有良好的包装效果，在光线照射下，给人以柔和的视感，因而深受消费者的喜爱。

2 影响BOPP薄膜物理、力学性能的因素

2.1 原材料性能 工业化生产BOPP薄膜用主料的主要成分是PP。PP是一种典型的立体规整性聚合物，根据烃基在分子平面两侧的分布，可分为等规PP、间规PP和无规PP。研究表明，等规度越大，结晶速率越快，薄膜产品的屈服强度和表面硬度会明显增大，而无规PP在聚合物中起内部润滑剂的作用，并有利于聚合物定向，有助于改善薄膜的光学性能。实践证明，只有等规PP的质量分数为95%～97%，无规PP的质量分数为3%～5%的PP才适合生产BOPP薄膜，并且一般选用熔体流动速率为2～4g/10min的PP。另外，通过在PP薄膜的表面上共挤出一层或多层熔点较低的共聚物，可以扩大BOPP薄膜在包装工业中的应用范围。

2.2 纵、横向拉伸比 拉伸比是一个很重要的工艺参数，无论是纵向拉伸比，还是横向拉伸比，对BOPP薄膜的物理、力学性能都有重大的影响。在一定的温度下，拉伸比愈大，PP分子链的取向度愈大。即薄膜的力学强度提高、模量增大、断裂伸长率减小，冲击强度、耐折性增大，透气、光泽性变好。BOPP薄膜生产过程中的取向主要发生在纵向拉伸和横向拉伸过程中，在经过纵向拉伸后，高分子链呈单轴纵向取向，大大提高了铸片的纵向力学性能，而横向性能劣化。进一步横向拉伸后，高分子链呈双轴取向状态。随着分子链取向度的提高，薄膜中伸直链段数目增多，折叠链段数目相应减少，晶片之间的连接链段逐渐增加，材料的密度和强度都相应提高，而断裂伸长率降低。因此双向拉伸可以综合改善PP薄膜的性能。

2.3 温度 拉伸各区的温度分布是影响BOPP薄膜拉伸取向、结晶的关键因素。温度是通过聚合物粘度和松弛时间的作用来影响取向过程的。温度升高，聚合物粘度降低，在恒定应力作用下，高弹形变和粘性形变都要增大，高弹形变增加有限，粘性形变发展却很快，有利于聚合物取向。

2.3.1 在高于粘流温度Tf或熔点（Tm）温度拉伸时，聚合物的大分子活动能力很强，在很小的外应力作用下就会引起分子链解缠、滑移和取向，然而在高温作用下，其分子的解取向速率也会加快，使有效取向度降低。

2.3.2 当温度逐渐升高到Tg以上时，聚合物具有弹性，热运动的能量克服了某些物理交联点的牵制，使链段产生运动，但整个分子链尚不能移动。

2.3.3 当在Tg以下拉伸时，外力只能引起分子链伸缩、振动和键角的微小改变。塑料薄膜的拉伸温度一般在Tg～Tm(或Tf)之间，具体温度根据聚合物的性能决定。

3 结晶

晶态结构是高聚物中三维有序的最规整的聚集态结构，结晶是BOPP生产加工过程中不可回避的问题，PP结晶的速度、结晶的完善程度、结晶的形态、晶体的大小等对生产工艺、薄膜性能都有非常重要的影响。

3.1 结晶对生产工艺调整的影响 均聚PP有α、β、γ、δ和拟六方共五种晶系，其中α晶系属单斜晶系，是最常见、最稳定的结晶。PP结晶贯穿着从熔体挤出到时效处理等BOPP生产的整个过程。为了提高成膜性，PP挤出时采用骤冷铸片，以控制结晶的生成，降低结晶度；在双向拉伸时要求结晶速度较慢，以利于拉伸取向，较早、较快的结晶和较大的结晶颗粒都有可能导致破膜；在横拉后热处理定型阶段，为了提高刚性和强度，要求产生并加速结晶。

3.2 结晶对BOPP性能的影响 薄膜中PP的结晶度和晶体尺寸对BOPP薄膜的机械力学性能和光学性能有重要影响。结晶度高则强度高，韧性差；晶体尺寸小而均匀，有利于提高薄膜的力学强度，耐磨性、耐热性，提高薄膜的透明度和表面光泽度。

从结晶的角度来看，要生产高质量的BOPP薄膜，应尽量减小PP晶体的尺寸，一般可以从两个方面考虑，其一，工艺调整，如各段的冷却速度、温度、拉伸比、拉伸速度等；其二是配方，如主料PP的选择、成核剂的使用等。

4 BOPP薄膜生产中常见的问题及解决办法

4.1 横向条纹

4.1.1 大间距横向条纹其产生原因主要有挤出熔体压力不稳、急冷辊转速或温度不均遇到此类情况，最好适当延长提速时间，待线速度稳定后，横向条纹自然消失。还有一种比较常见的情况，就是原料因素。在各项工艺条件控制较好，经多次调整无明显改善时，就要考虑更换原料。

4.1.2 小间距横向条纹小间距横向条纹在实际生产过程中并不常见，产生原因有4点：机头的角度不适宜、风刀角度或风量不适宜、机头附近气流影响、急冷辊转速不稳。可从这4个方面加以解决。

4.2 纵向条纹 在铸片过程中，有时会看到挤出铸片局部、固定位置处有连续纵向条纹。如果用这种铸片来生产BOPP薄膜，将导致薄膜横向厚度不均匀；收卷、分切薄膜外观出现明显的突起(暴筋)或纵向条纹。消除纵向条纹通常采取的措施有：①选用结构合理、质量好的模头，保证唇口光洁，不得有任何机械损伤。②加强熔体过滤。③及时清除唇口上的杂物，做好机头维护工作。④提高气刀吹风的均匀性。⑤合理控制挤出各段温度。⑥调整好机头相对急冷辊的位置。

4.3 出现气泡 如果熔体中夹带杂质，原料含水率过高，挤出温度过高，物料加热时间过长或者挤出机、过滤器中积存空气或降解物等情况时，铸片中就可能出现气泡。在正常生产过程中如果出现气泡，要仔细观察气泡形状、颜色等，分析产生原因并加以解决。

4.4 边缘不整齐 铸片边缘不整齐可能是由于模唇两端密封件损坏造成边部漏料，也可能是压边系统不正常，或者是挤出熔体压力不稳。查明原因后要及时使用相应的方法解决，否则容易造成横拉脱夹。