高聚物的取向机理及其在BOPP薄膜中的应用

摘要：本文主要分析了高分子聚合物的取向机理和BOPP薄膜生产过程中的取向，以及在生产过程中应如何优化工艺参数，以生产出取向度高的高品质BOPP薄膜。
1、聚合物的取向机理：
对于能够取向的高分子聚合物来说，由于其分子形状极不对称，大分子链纵向与横向尺寸相差悬殊，因此在没有外力的作用下，大分子链总是互相缠绕在一起而呈乱线团状。但当受到剪切应力或拉伸应力等外力作用时，聚合物的大分子链、链段或微晶就会沿着外力方向进行有序排列，产生不同程度的取向，形成取向态结构。聚合物的取向状态在热力学上是一种非平衡状态，当外力除去后，分子的热运动总是使有序结构趋向于无序化，我们称之为解取向。所以取向程度取决于作用的外力大小（应在断裂应力之下）与大分子热运动之间的平衡状态。因此如果需要维持取向状态，就必须在取向后把温度迅速降至玻璃化温度以下，使大分子和链段的运动冻结起来。
取向对于材料性能最大的影响是造成材料的力学、光学和热性能的各向异性：聚合物在未取向时，大分子链、链段或微晶的排列是无序的，因此呈现各向同性。但是取向后，由于取向方向与未取向方向上原子之间的作用力不同，使之呈现为各向异性，致使材料在取向方向上的模量、强度、折射率等性质与取向前有了显著的差别。
聚合物取向时，随着取向条件（如温度、拉伸速度等）的不同，聚合物的取向单元也不同，体现为链段的取向、大分子链的取向和微晶的取向：
（1）链段的取向：如果取向过程是在玻璃化温度与粘流温度之间的高弹态进行，此时链段活动性大，它将沿着外力方向平行排列，但整个大分子链的排列仍然是杂乱无章的。并且在外力作用下链段取向快，当外力消除后其解取向也快，因此高弹态不易获得稳定的取向态结构，只有在外力的作用下冷却至玻璃化温度以下，才能使取向的链段冻结下来。
（2）大分子链的取向：在粘流态下，聚合物的大分子链活动能力增加，当有外力作用时，整个大分子链间互相滑动而产生变形，此时大分子链沿外力方向平行排列。这种形变是不可逆的，在外力除去后不能恢复原状。
（3）微晶的取向：对于结晶聚合物来说还存在微晶的取向。结晶聚合物在无外力作用时，微晶是各向同性的。然而当有外力作用时，其晶区将出现晶片倾斜、滑移，原有折叠链晶片被拉伸破坏，微晶轴向同一方向排布，重排为取向的聚集态，形成新的取向折叠链晶片、伸直链晶或由球晶转变为纤维结构等；而非晶区中的分子链轴也取同一方向排布。取向后的结晶聚合物晶区和非结晶区都能够出现各向异性。
按照所受外力的不同，聚合物和取向可分为流动取向和拉伸取向两种。
（1）流动取向：聚合物熔体在容器中流动时，在剪切应力作用下会出现流动速度梯度，即中心流速最大，而器壁处流动的速度为零。流动速度梯度会诱导分子取向。
（2）拉伸取向：拉伸取向又可分为单轴取向和双轴取向两类。单轴取向就是聚合物的大分子链、链段或微晶倾向于沿着平行于拉伸的方向排列，经单轴取向的制品在平行于轴向与垂直于轴向两个方向上出现各向异性。双轴取向就是沿着两个互相垂直的方向拉伸，使大分子链、链段或微晶倾向于与拉伸平面平行排列，但是它们在此平面内的方向是无规的。
2、BOPP薄膜生产中的取向：
BOPP薄膜生产过程中的取向主要有模头中的流动取向、纵拉单元和横拉单元的拉伸取向。
BOPP薄膜生产线一般使用衣架型模头，聚丙烯熔体在模头中流动时产生流动取向，特别是模唇处，在剪切应力和拉伸应力的用下，大分子链沿流动方向伸展取向。熔体挤出时，由于温度很高分子热运动剧烈，因此也存在强烈的解取向。流动取向对BOPP薄膜性能的影响相对较小。
聚丙烯熔体经过流涎系统冷却后形成厚片，进入纵拉单元。在纵拉单元，厚片经过预热段充分预热后，在拉伸段进行一次或二次拉伸，拉伸后的聚丙烯大分子链单轴纵向取向，片材的纵向机械性能得到极大提高，而横向性能却大大降低。经过纵拉单元后，厚片进入横拉单元，在横拉单元厚片首先经过高温预热，再进行降温拉伸。再次拉伸后，聚丙烯大分子链呈双轴取向状态，薄膜的密度和强度都相应提高，而断裂伸长率降低，BOPP薄膜的性能得到综合改善。但是由于在横向拉伸时温度升高，分子链松弛时间变短，加上横向拉伸应力的作用，在一定程度上损害了分子链的纵向取向度。
双轴取向后的BOPP薄膜，其力学性能如拉伸强度、模量、断裂伸长率、抗冲击性等都得到改善，同时还改善了薄膜的热、电、光学、耐老化等性能。因此为了制得高品质薄膜，通过工艺参数控制聚丙烯的取向非常重要。影响聚丙烯取向的因素主要有拉伸温度、拉伸比、拉伸速度以及骤冷速度等，其对聚丙烯取向的影响可归纳如下：
1）在给定拉伸比和拉伸速度的情况下，拉伸温度越低越好，其目的是增加高弹形变而减少粘性形变。但温度过低会降低分子链段的活动能力，不利于取向。
2）在给定拉伸比和拉伸温度的情况下，拉伸速度越大则所得的取向程度越高。
3）在给定拉伸速度和拉伸温度的情况下，拉伸比越大取向程度越高。
4）不管拉伸情况如何，骤冷的速度越大则取向程度越高。
3、结论：
1）能够取向的聚合物在外力的作用下会形成取向态结构。取向会使材料在不同方向上的力学、光学和热学性能发生显著变化。
2）随着取向条件的不同，聚合物的取向体现为链段的取向、大分子链的取向和微晶的取向。
3）聚合物的取向可分为流动取向和拉伸取向两种，拉伸取向又可分为单轴取向和双轴取向。
4）BOPP薄膜生产过程中的取向主要有模头中的流动取向、纵拉单元和横拉单元的拉伸取向。
5）影响聚丙烯取向的因素主要有拉伸温度、拉伸比、拉伸速度以及骤冷速度等。