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一文了解双向拉伸薄膜技术及发展趋势

高工新材料2019-01-11 02:58:53


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双向拉伸薄膜


塑料薄膜已经发展成为我国产量最大、品种最多的塑料制品之一,广泛应用于包装、电子电器、农业、建筑装饰及日用品等领域,其产量约占塑料制品总产量的20%。从应用领域看,塑料薄膜使用最广的是包装产业,其次是农用塑料薄膜,其余用于电工材料、感光材料等。


双向拉伸技术(平膜法)具有产品性能好、生产效率高、质量稳定等优点,成为薄膜制造中最重要的一种先进工艺厂技术,在近十年来迅速发展,并成为各种高性能薄膜的主要生产手段。


目前市面上应用最多的双向拉伸薄膜以双向拉伸聚酯(BOPET)、双向拉伸聚丙烯(BOPP)为主流,双向拉伸尼龙(BOPA)。双向拉伸聚苯乙烯(BOPS)近几年发展迅速,并成为双向拉伸薄膜应用的重要组成部分。


表1 中国BOPET薄膜产能需求变化情况表[1]


年度

设计产能

(万吨/年)

产能增长量

(万吨)

产能增长率(%)

需求

(万吨/年)

需求增长率(%)

2011

136.87

31.1

29.4

115

15.0

2012

167.97

31.1

22.7

132

14.8

2013

225.67

57.7

34.4

152

15.2

2014

275.27

49.6

22.0

175

15.1

2015

304.47

25.20

9.00

200

14.3


表2 2011-2015年中国大陆BOPP薄膜情况[2]


年度

产能(万吨))

产量(万吨)

开机率(%)

年产量增幅(%)

2011

344.40

281.50

81.74

11.71

2012

394.70

311.90

79.02

10.10

2013

440.00

325.00

73.86

4.20

2014

470.00

345.00

73.40

6.15

2015

500.00

380.00

76.00

10.14


表3 2011-2015年中国大陆BOPA薄膜情况[3]


年度

产能(吨)

产量(吨)

开机率(%)

年产量增幅(%)

2011

80300

73878

92.00

2.75

2012

105300

95596

90.78

29.40

2013

114000

100297

87.98

4.92

2014

136000

113000

83.09

12.66

2015

154200

127070

82.41

12.45


一、双向拉伸薄膜技术优势


塑料薄膜的成型方法很多,如压延法、流延法、吹塑法、拉伸法等。其中,双向拉伸成为近年来最受关注的方法之一。


双向拉伸技术是20世纪70年代开始实现工业化的一种塑料薄膜加工工艺,其基本原理是:高聚物原料通过挤出机被加热熔融挤出成厚片后,在玻璃化温度以上、熔点以下的适当温度范围内(高弹态下),通过纵拉机与横拉机时,在外力作用下,先后沿纵向和横向进行一定倍数的拉伸,从而使分子链或结晶面在平行于薄膜平面的方向上进行取向而有序排列,然后在拉紧状态下进行热定型,使取向的大分子结构固定,最后经冷却及后续处理便可制得薄膜。适用于双向拉伸生产的塑料薄膜主要包括聚酯、聚丙烯、聚酰胺、聚苯乙烯和聚酰胺薄膜等。


拉伸使聚合物中的高分子链沿作用力方向发生排列取向,从而达到调节、改善高分子聚合物的聚集态结构,得到我们预期的各种物理化学性能。拉伸可分为单轴拉伸和双轴拉伸两种,前者使链沿一个方向进行取向排列。双向拉伸薄膜的共同特点是拉伸强度高,挺括性好,透明性高,耐高低温性好,绝缘性能好,阻隔性高,无毒无味。非常适合于食品及高档商品的包装,同时也被大量用于电子工业产品,感光胶片、磁带基材是一种性能优秀的材料。


薄膜经过双向拉伸,除了发生分子取向外,其微观结构也有较大的变化,使其性能与无拉伸薄膜有着明显的区别:


(1)机械性能。经过双向拉伸的薄膜,其拉伸强度、弹性模量可提高几倍,而且其冲击强度,对于PP、PVC、PET拉伸膜,它与没有拉伸的薄膜具有明显的区别,特别是在低温下,其冲击强度也未降低,即其耐寒性能优良,而在高温下,其性能也未变差,这使得双向拉伸膜的使用温度范围很广。


(2)热性能。热收缩性能是双向拉伸膜的特性,利用这二点使其薄膜可用于收缩包装。为了使薄膜具有低温收缩性,使用同时双向拉伸的管膜法特别有利。这是因为在双向拉伸下可增加其微观结构,而且膜泡是直接冷却并处于拉伸状态下。


(3)光学性能。薄膜经过双向拉伸,其透明性、光泽都提高,特别是由于不会形成球晶结构,增加了薄膜的折射率,因而具有不因摩损而使光泽和透明性降低的特点。


(4)电性能。击穿电压、体积电阻率等电性能,在双向拉伸薄膜中都有不同程度的提高。有时,伴随发生静电问题。


(5)气密性。结晶聚合物生产的薄膜经过双向拉伸,其水蒸汽、氧气或其它气体的透过率都减少1/3~1/2,这一点在食品包装行业尤为重要。


二、技术发展趋势


过去20年,中国双向拉伸薄膜生产发展很快,企业整体技术水平和生产规模在国际同行中已有一定的竞争能力。比如连续聚合PET熔体直接拉膜工艺,拉膜速度达到400m/min、幅宽可达9m,领先企业的生产能力已超过10万吨水平。国内各种塑料薄膜大小双拉生产线已有数百条之多。目前,国内双拉生产线也在崛起,也有几家可以自主设计、制造薄膜双拉生产线,但生产线规模和技术水平还有一定的差距。


个人认为,今后双向拉伸薄膜技术的发展方向具有以下特点:


(1)向薄型膜、厚型膜发展


3μ以下或150-300μ的厚膜有相当大的发展空间,特别是厚膜的应用范围在不断扩大,如液晶显示器及等离子显示装置的保护屏膜对PET厚膜需用量相当大,值得关注。


太阳膜、防爆膜在汽车和建筑物方面的应用也日益广泛,也使得厚膜市场极其广阔。


(2)向多层共挤拉伸发展


为了提高薄膜的综合性能,现在双拉生产线多采用A/B/A、A/B/C甚至更多层的结构。采用多层共挤可以生产多功能的、满足不同用途的薄膜,如热封膜、高阻隔膜、抗紫外线辐射膜等。


(3)设计特种薄膜双拉生产线


锂离子电池隔膜、光学功能薄膜等高端功能性产品需要对传统的双向拉伸技术进行革新,如在线涂布技术、更低张力的牵引系统等等。为了提高下游应用的生产效率,有的厂商更开发了一种矢量拉伸技术,使得分子链呈45度角取向。


(4)智能制造


数据采集、分析能力不断提升:主流的装备制造商为适应企业ERP系统和提升工艺过程控制能力,生产线的数据采集分析功能不断完善,目前大部分新建装置都已配有完备的MES、PCS系统,并通过上下工艺过程的数据比对分析,实现加工工艺过程的智能诊断。比如通过对不同位置的连续测厚仪采集海量的过程数据进行比对分析,可以实现对挤出、铸片和拉伸等关键工艺过程的缺陷诊断。


距离智能工厂(无灯车间)近一步之遥:本质而言,双向拉伸工艺是一个不算复杂的流程制造过程,目前主生产线、配套设备和公共工程设施各自的自动化程度已经很高,我们只需要对关键几个工序进行革新,建立新的工艺规程和标准,相信实现智能化无人工厂并不困难,现在只是看谁能成功迈出这关键的一步。


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