浅析高分子材料基本加工工艺—TPU薄膜流延成型技术

彭胜春

摘 要：材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质，是人类赖以生存和发展的基础。材料分为传统材料（也叫基础材料）和新型材料（也叫先进材料），进入21世纪新型材料得到迅猛发展，高分子材料就是其中的一种。TPU属于高分子材料的一种，是一种新型的环保材料。它有多重加工成型方式，其中挤出成型是重要的成型方法之一，与其他成型方法相比，挤出成型有下述特点：生产过程是连续的，因而产品都是连续的，生产效率高；应用范围广；投资少，收效快；操作简单。流延法成型方式易于大型化、高速化和自动化，生产出来的薄膜透明度比吹塑薄膜好，厚薄精度高，薄膜均匀性好，强度也高20%-30%，可用于自动包装。

关键词：高分子材料，加工工艺，TPU，流延机

现在文明和未来的进步由“能源工程”、“信息工程”、“生物工程”和“材料工程”四大支柱支撑着。因此，材料的发展直接影响到人类生活和科学技术的状况。人们通常将材料分为“金属材料”、“无机非金属材料”和“有机材料”。有机材料又分为“有机低分子材料”和“有机高分子材料”（简称高分子材料）。高分子材料原料丰富、性能优良，在材料领域中所占的位置日益重要。

高分子材料工业共包含“原材料生产”（即树脂、生胶，还包括半成品的生产）和“制品生产”两个系统。制品的生产（即加工工业）包含很多种类，如：TPU、PVC、PP、PC、ABS等。其中TPU是一种新型的环保材料，相比较其他材料有其独特的性能。被称为“第三代橡胶”其独特的性能，决定了加工方法与其他材料略有不同。本文根据传统材料的加工方法，结合自己的实践经验。总结了适应TPU的加工方法。

1、加工成型用的原料及其配制

1.1 加工成型用的原料

原料的选用一般选用挤出级TPU树脂，MFR在20—60g/10min。树脂的牌号和类型根据薄膜的用途选定：如，需耐水解，做水上产品用的薄膜，应选用聚醚型的TPU树脂，国产的山东万华的WHT8085；进口的路博润的58219等。

1.2 原料的配制

1.2.1 配料

将（TPU）树脂为主要原料和其他的辅助材料按配方的要求，按一定的质量比计量后，混合均匀称为配料。

1.2.2 原料的混合

原料的混合是把以TPU树脂为主要原料和其他一些辅助材料（制品成型用料配方中的材料），按配方要求计量后，在混合机中搅拌混合均匀；然后再按原料成型工艺要求，直接投入到挤出机内挤出成型。

1.2.3 物料的输送

在TPU配混料的配制过程中，要解决树脂的输送与计量，目前多数采用气动输送系统。物料的气动输送一般以空气为动力源，速率较高，且具备机械输送的多数优点，但受物料大小的限制。大块、团块、饼状物料不能采用。

TPU树脂的气动输送系统由负压动力机组操作。它把TPU树脂从大贮料仓中抽吸出来，物料被抽提到过滤收集器，在这里与气流分开。从过滤收集器出来的物料，由于重力而落入储料筒，通过气流送入主机。

1.2.4 物料的干燥

干燥是指利用加热、热风、真空等动力源，在物料的配制或成型之前，除去原材料（合成树脂和各种添加剂）中水分及其挥发物的工艺过程。

1.2.5 TPU分散体

TPU分散体所含组分有树脂、分散剂、稀释剂、胶凝剂、稳定剂、填充剂、着色剂、表面活性剂以及为特殊目的而加入的其他助剂等，关于分散体的具体配方，在以后的论文中会有详细的介绍。

2、塑料薄膜挤出机

2.1 挤出机成型生产应用

挤出机是塑料成型加工的重要成型方法之一，大部分热塑性塑料都能用此法进行加工。与其他成型方法相比，挤出成型有下述特点：生产过程是连续的，因而产品都是连续的，生产效率高；应用范围广；投资少，收效快。

2.2 擠出机的分类

挤出机的分类方法如下：按螺杆数目的多少可分为单螺杆挤出机、双螺杆挤出机和多螺杆挤出机；按可否排气分为排气挤出机和非排气挤出机；按螺杆的有无可分为螺杆挤出机和无螺杆挤出机；按螺杆在空间的位置可分为卧式挤出机和立式挤出机 。

2.3 塑料薄膜挤出机的结构

塑料薄膜生产线上最常采用的是非排气卧式单螺杆挤出机，其次是排气卧式单螺杆挤出机和双螺杆挤出机。

在塑料流延薄膜生产线上，挤出机称为主机，由螺杆、机筒、料斗、加热冷却系统、传动系统、机架、电气控制系统和过滤网等组成，它是塑料挤出流延成型薄膜生产线的核心单元设备。

而其后续设备，如模头、流延机、测厚仪、电晕处理机、摆幅机构、收卷机等统称为塑料流延薄膜生产线辅机。

3、流延TPU薄膜的加工工艺及其参数

3.1 流延TPU薄膜的加工工艺

流延薄膜加工工艺是树脂经挤出机熔融塑化，从机头通过狭缝型模口挤出，使熔料紧贴在冷却辊筒上，然后再经过拉伸、分切、卷取。流延法成型方式易于大型化、高速化和自动化，生产出来的薄膜透明度比吹塑薄膜好，厚薄精度高，薄膜均匀性好，强度也高20%～30%，可用于自动包装，但所需设备投资较大 。

3.1.1 挤出流延薄膜工艺流程和生产线主要装置

（1）挤出机挤出机的规格决定薄膜的产量，规格较大时也可用？200mm的挤出机。由于流延薄膜的高速化生产，因此，挤出机的规格至少选择？65mm以上。螺杆结构多采用混炼结构，结构应能满足边角料回收的要求。螺杆的长径比为25～33，螺杆压缩比为4。

（2）机头生产流延薄膜的机头为扁平机头，模口形状为狭缝式。这种机头设计的关键是要使物料在整个机头宽度上的流速相等，这样才能获得厚度均匀、表面平整的薄膜。这种机头对于挤出薄膜或片材同样适用。

（3）流延生产线中的冷却装置主要由冷却辊、剥离辊、制冷系统及气刀、辅助装置组成。

①冷却辊冷却辊是流延薄膜中的关键部件，其直径约400～500mm，长度约比口模宽度稍大。冷却辊表面应镀硬铬，抛光至镜面光洁度。

②气刀气刀是吹压缩空气的窄缝喷嘴，是配合冷却辊来对薄膜进行冷却定型的装置，其宽度与冷却辊的长度相同。刀唇表面光洁，制造精度高。

③测厚装置在高速连续生产过程中，薄膜测厚必须实现非接触式跟踪自动检测。

④张力的测控与振动在流延薄膜生产过程中，由于传送和卷取，传动系统应能提供恒定的扭矩，使用可控硅整流直流电机可以实现这一要求。

⑤纵切装置挤出薄膜由于产生“瘦颈”（薄膜宽度小于机头宽度）现象，会使薄膜边部偏厚，故需切除薄膜边部，才能保证膜卷端部整齐、表面平整。

⑥电晕处理装置薄膜经过电晕处理，可以提高薄膜表面张力，改善薄膜的印刷性及与其他材料的黏合力，从而增加薄膜的印刷牢度和复合材料的剥离强度。处理后的薄膜的表面张力要求达到32～58mN/m ，通常在38～44mN/m之间。

⑦卷取装置 薄膜采用主动收卷（有轴中心卷取）形式，为了适应流延薄膜宽度大和生产线速度高的特点，收卷装置一般都为自动或半自动切割、换卷。以双工位自动换卷应用较多。

⑧其他辅助装置 流延成型设备，除去前面所述的装置以外，还有展平辊、导辊、压辊等装置 。

3.2 流延TPU薄膜的加工工艺参数

3.2.1 选定树脂，以进口的路博润的58219为例。

3.2.2 温度机头宽1.8m用Φ120mm的单螺杆挤出机组成的生产线中，挤出温度，见表1 。

第1、2段属于加料段，树脂在此阶段只发生搅拌、破碎和软化，并不发生物态的转变，温度不能太高。该阶段产生的推动力是否连续、均匀、稳定，剪切应变率的高低，破碎与搅拌是否均匀都影响着挤出的质量和产量。

第3、4、5段属于压缩段，也叫熔融段，在此阶段，初步搅拌、破碎和软化树脂，受螺杆的推挤作用、较高温度的热作用、与机筒和螺杆的摩擦作用、由于螺槽体积变小造成的压力作用，使树脂热交换作用加大，表里达到热平衡，逐渐由固态转变为黏流态（可塑态）。此时树脂的分子结构发生了根本改变，分子间张力极度松弛，除组成中特高分子量外，主体完成了塑化—即初步塑化，并且在压力作用下，排除了固态物料中所含气体，实现初步压实。

第6、7段属于均化段，也叫计量段，该段螺纹深度最浅、螺槽容积最小，螺杆与机筒间产生的压力最大，同时物料受到过滤网板的反作用力，在径向压力和轴向压力的高压作用下，使胶层压实、致密，该段的温度也最高，使经过熔融段未能塑化的高分子在此段完成塑化，从而消除“颗粒”，使塑化充分均匀，所以该段称为“均匀段”。因挤出量的大小由该段的容积决定，所以又叫“计量段”。

熔体经螺杆熔融、均化，此时熔体充分塑化，在高温、高压状态下，进入机头。为了使产品的厚度均匀、稳定，减小熔体的流动性，需要降低熔体的温度，使熔体均匀的从模头流出，产品的横向厚度均匀。

冷却辊表面温度的高低直接影响铸片结晶度的大小。温度较低时结晶度小，薄膜透明度好，拉伸强度高；但温度太低会增加制冷费用，此温度一般控制在18—20℃。

3.2.3 速度 螺杆转速为60r/min，牵引速度可达80—90m/min。

3.2.4 气刀控制气刀与冷却辊之间的距离应尽量小，整个机头宽度内，气刀与冷却辊之间的距离应相同，气刀风压均匀。

3.2.5 收卷张力收卷张力一般为100N。

3.2.6 电晕处理经过电晕处理的TPU薄膜，其表面张力可达40—120mN/m。

4、结论

由于TPU独特的性能，具有其独特的加工特性，不需要硫化这道工序。而硫化对橡胶来说，是非常重要的一环，决定着橡胶的使用性能；TPU属于热塑性弹性体，对温度非常敏感，温度低或高，都会影响产品性能。传统高分子材料，如：PE、PP等，加工温度相对宽一些；TPU的范围60A～80D，决定了加工温度170℃～250℃。而传统高分子材料加工温度没有这么大的跨度。所以TPU流延成型技术有其独特的一面。

本人通过理论学习高分子材料加工工艺，结合自己五年来的工作经验，总结了TPU薄膜流延成型技术。相比原有的生产工艺，更加全面、详细的介绍了薄膜流延成型技术，不仅保證了产品质量的稳定性，而且降低了生产成本。

《中国制造2025》是中国版的“工业4.0”规划。规划经李克强总理签批，已由国务院于2015年5月8日公布。规划里面提到了十大产业，其中第九个就是新材料。TPU作为一种新型的环保材料，就是一种新材料。作为新材料，国家大力扶持的产业，随着人们环保意识的增强，市场需求量会越来越大，生产的厂家也会越来越多，希望可以给准备进入这一行业的生产厂家一些思路和帮助。

参考文献：

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[2]王加龙.高分子材料基本加工工艺[M].化学工业出版社教材出版中心，2004

[3]陈滨楠.塑料成型设备[M].化学工业出版社，2004

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