影响BOPET薄膜厚度的因素探讨

摘 要：针对影响BOPET薄膜厚度的因素进行了研究。结果表明，不同拉伸比、拉伸温度、铸片条件及APC系统的控制方式对厚度偏差影响较大。通过选择合适的工艺、控制条件可以改善薄膜的厚薄均匀性。                 
                关键词：厚度偏差；拉伸比；拉伸温度；铸片
               
                　　由于PET具有优良的物理、化学和机械性能，BOPET薄膜已成为当今软塑包装行业中最重要也最有发展前途的原材料。为使包装产品达到美观的效果，BOPET薄膜在投入包装使用前还要辅以镀铝、彩印、烫金、复合等后加工工艺，而基膜厚度的好坏，不仅直接影响产品的后加工质量，而且使得包装产品的外观质量变差。为此，本文针对影响薄膜厚度的可能因素进行了初步的探讨和归纳，以便于生产过程中及时调整，从而改善薄膜的厚薄均匀性，提高包装效果。
               
                1 生产试验
                1．1原料
                　　基础、母粒切片(仪化公司提供)。
                1．2 生产设备
                　　国产结晶干燥机、法国DMT拉膜装置、英国ATLAS分切机。
                1．3 工艺流程及主要参数
                　　工艺流程如下：结晶干燥→挤出熔融→铸片→纵拉→横拉→定型→收卷→分切
                　　主要工艺参数：
                　　　　结晶温度： 185℃；
                　　　　干燥温度： 160℃；
                　　　　CD铸片温度： 25℃；
                　　　　MDR： 2．8~3．6；
                　　　　TDR： 3．6~4．0；
                　　　　MD拉伸温度： 75-90 ℃；
                　　　　TD拉伸温度： 100-110℃。
                1．4 测试方法
                　　厚度偏差：根据ASTM-D374，将薄膜展平，每隔10cm剪出一小口作为测试点，剪好后在Mahr测厚仪上测量计算。
               
                2 结果与讨论
                2．1 拉伸比对薄膜厚度的影响
                　　BOPET薄膜的拉伸过程是经过骤冷的无定型厚片，通过MD方向线速度和TD方向轨道宽度的瞬间增加来实现的。根据公式：

              

              

　　式中：Dt　——拉伸均匀指数；
                　　　　　Dr　——拉伸比；
                　　　　　v　 ——拉伸速度；
                　　　　　Td　——拉伸温度。
                　　在保证生产稳定的前提下，拉伸比的大小决定着取向的程度及均匀性，对薄膜的物性指标特别是强度和厚度有着很大的影响。本文主要针对厚度均匀性方面作讨论。图1以MD拉伸比为例，列出了12μmB01拉伸比与厚度偏差的关系。               

              

               

              

　　从图1可以看出，采用一步拉伸工艺制取BOPET薄膜的拉伸比存在一个最优点，即3．4左右，此时的厚度偏差最小。若拉伸比过小，则由于分子链发生的是部分链段取向过程，整个分子链中既有取向的链段又有无规的线团，因而其厚度均匀性较差。尤其拉伸比为2．5~2．8左右时可以明显地发现整幅薄膜上呈现局部的花斑状(见图2)，薄膜平整性相当恶劣，出现所谓的拉伸斑，所制取的产品根本不能投入使用。而对于一步拉伸工艺，拉伸行程较大，若拉伸比过大，则由于瞬间拉伸速率上升，导致取向结晶程度增加，使得拉伸不稳定而导致厚度偏差加大，生产稳定性降低。               

                              
               

2．2 拉伸温度对薄膜厚度的影响
                  　　分子链的取向过程是链段运动的过程，它必须克服高聚物内部的粘滞阻力，因而需借助于能量的作用才能发生，这种能量一般以热量的形式(如红外加热、介质热油、热风等)供给。图3以MD红外加热功率为例，表现了12B01采用不同的MD红外加热功率与厚度偏差的关系。                 

                                 
               

　　从图3可以看出，随着MD红外功率(拉伸温度)的增加，厚度偏差变小，但达到一定值后厚度又趋于变差。这是由于大分子取向过程中所提供的能量对拉伸效果有着不同程度的影响所致。红外功率较低则表明能量不足，只有部分分子链段充分活动，分子有序化过程不充分，分子排列的均匀性差，厚度偏差也就增大。但能量的过度供给又使得刚取向的分子链具有不稳定的状态，在一定的热能作用下发生解取向结晶，分子趋向紊乱无序，使拉伸均匀性受到破坏，厚度偏差增大，而且由于部分球晶的生成也使得生产稳定性变差。                  
                  
                  2．3 铸片过程对厚度的影响
                  　　所谓铸片是指为了取得良好的拉伸效果，通过外力强制作用使熔体急速冷却制成无定型片材的过程，可见图4。

               
               

2．3．1 L-D(模唇—冷鼓)间隙的选择
                  　　熔体自模唇口流出在CD上铸成厚片的过程中，由于受到CD的牵引和pinning的高电压吸附作用，使得熔体在铸片时发生了预拉伸。L-D间隙的增大，MDO出口膜将会变窄，使得TDO拉伸比在原轨道宽度不变的情况下得到了进一步的提高。根据公式(1)可发现，拉伸比的提高将使拉伸更加充分，拉伸的均匀性得以提高，薄膜的厚度更趋于改善。实际生产中从厚度偏差和生产性两方面综合考虑，L-D间隙已由最初的4mm调至目前的15mm。
                  2．3．2 Pinning(SI)的位置调整
                  　　欲使熔体均匀骤冷至无定型态，一般需借助pinning系统的高电压场作用，使熔体在瞬间均匀吸附在CD上，均匀吸附的好坏决定着厚片中球晶数量的多少，球晶愈多不仅使生产稳定性变差，另一方面也使薄膜出现局部厚度变化，均匀性变差。表1给出了12B01满负荷时SI位置与厚度偏差的关系。                 

                                 
               

　　从表1可知，当SI-DIE距离为20 mm、SI-CD距离为8-10mm时，薄膜的厚度偏差最小，且生产稳定性好。
                  2．3．3 Dieline(模头线)的控制
                  　　处于高剪切速率的熔体经模唇口流出时，因离模膨胀作用会发生弹性回复现象，其中的奇聚物在离膜膨胀作用下会凝聚在模唇的上、下方，当其数量积聚到一定时，随着厚片的牵引，沿模唇横向将发生随机地与熔体铸片，在厚片及薄膜上即可发现无规的、长度不等的粗、细条纹，这就是模头线的形成过程。由于模头线极大地影响了产品的厚度均匀性，根据离模膨胀受剪切速率、冷鼓牵引力影响的机理，我们主要采取加大模唇开度和L—D间距，以降低模头压力和提高预拉伸比的方法来减少出口膨化现象的措施，生产中取得了良好的效果。以12／μm薄膜为例，其模唇开度控制在2．7mm左右时模头线趋于消失。
                  2．3．4 螺栓状态的确认
                  　　薄膜厚度的调节一般分为手动粗调和自动微调2种方式。自动微调是通过调节模头上方的热敏膨胀螺栓上加热元件的加热功率或温度，使其受热时膨胀，冷却时缩短，从而达到通过调节模唇开度来实现厚度精确控制的。为保证热敏螺栓处于较好的受控制状态，一方面将螺栓功率值以45％为中心，控制在20％-80％范围内进行自动微调；另一方面，当90％<功率值<10％时则需关闭自控，向中心恢复加热功率进行手动调整螺栓，若手调后厚度仍不理想，则应考虑确认螺栓本身机械态，以决定是否需要进行螺栓的更换。只有结合这两方面综合考虑，才能保证厚度受控的最基本的螺栓条件。
                  
                  2．4 APC(自动剖面控制)对厚度的影响
                  2．4．1 mapping图的定位
                  　　所谓mapping图是指模头上每个调节螺栓与拉伸后薄膜TD方向的对应位置关系，它的准确性对薄膜厚度的控制非常关键。由于熔体在铸片时迅速冷却并被降温，会产生如图5所示的非线性预拉伸，所制的片材在经过纵、横向拉伸时由于温度、拉伸应力等因素的不同，将再次导致薄膜在横向上出现不均匀拉伸现象。为使测厚仪能够正确地控制各个螺栓相对应的厚度，就需要对横向上每个螺栓与拉伸后的薄膜准确定位。                 

               
               

　　生产中较常用的定位方法是在生产过程中通过在薄膜A片的OS、C、DS侧分别选择部分区域作纵向标记，然后再在C膜上量取拉伸后的标记数据作出相应的mapping图。以12                   μm为例，轨道宽度为4．42m，则标记后的mapping图如表2所示。

               
               

　　从表2中可看出，相应于每个模头螺栓，mapping图给出了相对应的控制范围，根据这种对应关系，就可以达到准确控制厚度的目的。
                  2．4．2 控制方式对厚度的影响
                  　　BOPET的厚度控制是通过牵引站处的在线连续式射线测厚仪测出的厚度曲线，以及通过计算机的数据处理用于对模头螺栓加热功率的控制来实现的。由于牵引站与模头的距离较大，滞后时间与生产速度有很大的关系，因此控制器的时间控制常数非常重要。若时间常数较短，模头螺栓加热功率变化则会过于迅速，导致厚度的剧烈波动，从而影响模头背压的波动，进而又会影响到整个幅宽的厚度波动；相反，若时间常数过长，则响应时间过长，会导致某点厚度长时间处于偏高或偏低状态，出现控制不及时的现象。一些常见品种的时间控制常数如表3所示。                 

               
               

　　另外，由于射线测厚仪十分敏感，测厚仪探头的机械行走装置在往返过程中，会出现较大差异，因此在对测量结果进行处理时，为消除偶然因素造成的干扰，往往采用往返若干次，扫描结果叠加处理，来进行对模头螺栓加热功率的控制。特别在生产薄膜时，因生产速度较高，控制较为灵敏，常常采用4次扫描结果进行叠加，以减少模头螺栓加热功率的频繁调节，来实现对薄膜厚度的调节和稳定控制。
                  
                  3 结 论
                  　　a)为使拉伸稳定、厚度均匀，须选择适合的拉伸比、拉伸温度；
                  　　b)铸片过程中L—D距离、pinning位置、螺栓状态及Die line的控制对厚度偏差有着极大的影响。
                  　　c)欲使APC系统有效工作，需对不同品种进行mapping的定位，并采取相应的控制方式。