双向拉伸薄膜的成型论略（一）

杜永胜 王德钧 周伟 杜煜超 张晓龙

（1.山东永健机械有限公司；2.山东劳动职业技术学院；3.青岛科技大学）

双向拉伸薄膜成型的三大基本要素是树脂助剂、加工工艺和加工设备（包括模具）缺一不可，其生命力与其它行业产品一样，以有特色或有创新而变化。[1]双向拉伸薄膜持续发展的活力，乃在于原辅材料和工艺装备的互为因果，在于双拉膜制备精密和自动生产能力的提升。

一、双向拉伸薄膜的概况

1.1 双拉膜的定义

高分子聚合物被加热熔融成为熔体后，经过狭长的“T型”模头流延、急冷来铸成厚片，再在设定的温度和速度范围里（高弹态温度和拉伸速度）顺着纵、横两个方向进行一定倍率的拉伸，促使其分子链或结晶沿着平面方向有序排列，并在绷紧或松弛状态下固定大分子的取向结构（热定型），尔后再经过冷却与后续处理，便可制成双向拉伸薄膜（以下简称双拉膜）。[2]

包括PET、PP、PA和PE等双拉膜材料的加工成型过程，共同表现一些基本物理和化学行为——聚合物的流变、加热和冷却、结晶、定向和降解，以及热固性塑料的交联作用。[3]其间各种物理化学变化，都须采用合理的加工条件（设备、工艺、操作控制等），使得聚合物大分子链和聚集态结构发生高度取向，因而获得性能优良的薄膜。整个薄膜成型实行配套成龙的生产，过程集中、产出集中，适宜于批量大和永久性强的产品。

1.2 双拉膜制作原理和加工成型

（1）双拉膜的降解、结晶和取向

双拉膜材料的降解，指在热、光、机械力、化学试剂、微生物等外界因素的作用下，发生了分子链的无规则断裂、侧基和低分子的消除反应，致使聚合度和相对分子的质量下降。在聚合物成型过程中防止出现热降解，可提高产品质量和使用寿命；而提高加工温度则更容易使分子链发生热裂解，减少机械加工次数等于减少分子链被机械剪切的几率。

双拉膜材料（包括PET、PP、PA和PE等）的结晶构造，由许多细长的线状聚合物组成聚集体，并且依照一定的分子成序进行排列。控制结晶度的大小和晶体的形态，能对双拉膜材料性能产生重大影响。结晶性能与材料自身的分子结构、是否添加成核剂或其它助剂以及拉伸等工艺有关，而控制结晶的方式分别取决于化学和物理两个方面。化学改性主要有共聚、接枝、交联以及采用反应性增容剂等类型；物理改性包括表面活性剂改性、与其它高分子材料的共混改性以及高聚物与无机矿物材料的共混改性等类型。[4]

双拉膜材料的取向热定型，指薄膜经过纵向和横向拉伸后，已形成大分子结晶的基本结构，但是，仍有部分分子链处于松弛状态或者绷紧状态，存有不均匀的内应力，结晶取向亦无有序成形。为此，需要用较高的温度（在玻璃化温度与熔点温度之间的适当选择）再次对薄膜分子松弛、链段进行重整和张力定型的处理，使薄膜的大分子链取向转变为结晶取向，相应增高结晶度，以保证实际应用时的尺寸稳定平整，耐温均衡，以及提高薄膜的拉应力。

（2）双拉膜的物理加工成型

双拉膜的生产过程，就是选用适当的原辅材料，采用合理的加工条件（设备、工艺、操作控制等），使聚合物能够发生有效的物理、化学改性，从而改进生产技术、方法和设备，获得性能优良的薄膜。整个过程的目的是设法缩短生产周期，提高产量、减少聚合物降解和降低物料、能源消耗。

从薄膜制造加工的角度说，工艺技术的进步可以提高薄膜的品质，亦会产生更多的使用空间。制造关注的业务点侧重于双拉膜的物理加工成型，节点在双拉膜的温度、拉伸和热处理的时温等效控制上面。[2]

① 加工温度的定值控制法

双拉膜的性能同温度有很大的依存关系，温度变化可以引起薄膜不少性能的变化。为此，控制不同的温度致成高聚物的玻璃态、高弹态和固体态的“三态”意义重大。双拉膜的加工温度，一般在低于材质熔点、高于玻璃化时，就对高弹态的铸片或厚膜进行纵向和横向拉伸，然后在绷紧状态下适当冷却或热定型处理或其它的加工（如电晕、涂覆等）。

a、熔融温度。熔融温度越低，越有利形成均相成核的晶核，增加晶体生长点，这既能提高结晶度，又可以减小晶体尺寸。所以，在保证塑化成型前提下的熔融温度稍低一点，反而对结晶有利。

b、分解温度。指处于粘流态的聚合物在升温过度时，使部分高聚物解聚成低分子量的聚合物或者解聚成制得聚合物的单体。这是一个不可逆的化学过程，通常用Td表示。

c、冷却温度。冷却温度直接影响结晶度及结晶质量，是控制结晶的最佳方法。缓慢冷却，可使聚合物在结晶区之内延长停留时间从而使结晶度升高，有利刚性及硬度的形成，但是，容易产生粗大的球晶，对韧性不利。快速冷却，一方面使聚合物迅速经过结晶区域，从而降低结晶度；另一方面晶体生长时间短，晶粒尺寸小，有利改善透明性及韧性。

加工温度的通常定值控制，就是通过硬件电路或软件计算来判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热源（或冷却装置）进行通断控制。简单的控制，就是系统温度上升至设定值时关断电源，系统温度下降至设定值时开通电源，这之间因而存在变化过程滞后的问题。PID（即比例值、积分值、微分值）的线性温度控制法，考虑到加工温度的系统误差，误差变化及误差积累三个因素，对被控对象的各种复杂波动，进行现场的实时性调整，可以较好的控制状况，又具有较大的灵活性，满足生产日益发展的实际需要。

实践应用认为，温度越高，高聚物分子的运动速度越快且松懈的时间越短，产生的实际取向则越少；而拉伸后被冷却定型过的薄膜，更容易获得热稳定性。

② 方向时段的拉伸控制法

对已经结晶的膜材料进行拉伸，可使破碎的晶体形成细小的状态，并沿着拉伸方向形成串晶，从而改善薄膜的韧性，大幅度提高拉伸强度、光泽度、硬度、阻隔能力等性能。控制拉伸方法即可以改变塑料结晶质量，又可以提高其结晶度。

实际使用中，单向拉伸会提高聚合物拉伸方向的性能，但是使用性能依然有限，只有经过垂直的双向拉伸，才能实现理想的性能改善。双拉膜技术特点：是实现工业化生产的一种连续加工工艺，具有生产尺寸稳定、厚度均匀和高速自动化的特点；双向拉伸薄膜的性能与未经拉伸薄膜相比，其力学、阻隔、光学、耐候性能都有显明的进步。

大多数的逐次拉伸，采用先进行纵向拉伸，后进行横向拉伸的两次拉伸。该方法操作较为方便，产品性能容易控制，拉伸后可在同台拉伸机上完成必要的加热、冷却处理。但是，热处理的横拉伸会损坏聚合物分子的纵向取向，难以制作纵向远大于横向力学性能的薄膜，也难以制作纵向热收缩为零的薄膜。

同步拉伸，是同在一个展幅机上完成纵横两个方向的定向拉伸，拉伸后结晶速度快、结晶度高，能大步提高薄膜透明度，可以生产超薄型的薄膜。

生产实践印证，纵、横向的拉伸取向能达到平衡，这两个方向的力学性能也相对均衡。两个方向的取向相等时，薄膜的性能是各向同性；一个方向的取向大于另一个方向时，则薄膜的性能是各向异性。同时，横向拉伸的比例决定了薄膜的使用价值，降低了生产成本。

③ 时温等效的控制法[5]

热处理，一方面促进结晶而增大结晶度，完善结晶质量，让匆忙结晶的缺陷得到充分修补；另一方面又使处于张紧状态的部分高分子取向得到松弛，消除掉内应力。加热处理还可以使BOPP膜晶体的不同晶型发生相互转化。

按照时温等效原理，聚合物分子运动的温度升高与时间延长是等效的。随着高聚物形成玻璃态、高弹态和固体态的“三态”变化，其加热、冷却的时间无论是跟生产线的速度，还是定型辊的数量定型时间与温度都是对应等效的。从应用技术中得悉，薄膜的不同性能需要通过缓冷或骤冷的不同工艺措施。如果产品要求透明度高，则需要快速冷却；如果产品要求刚性及硬度高，则需要缓慢冷却。掌握加工成型时的温度介于玻璃化温度和热分解温度之间，精准加工温度的把握需要根据薄膜的门幅宽窄、厚薄程度、树脂和添加剂掺混比例、着色剂的稳定性以及挤出机的熔融情况而合适选定。

1.3 双拉膜与非双拉膜的性能比较

双向拉伸作为一种制造工艺，比较压延、流延、吹塑和单向拉伸等方法制造的薄膜，在产品性能上有明显的区别，如表1。

双拉膜与非双拉膜之间的比较优势：

① 产品性能

采用双拉膜工艺技术明显提高塑料薄膜的物化性能：较高的透明度有利于货物识别；较高的纵向伸长率有利于节省材料消耗；较高的横向撕裂强度有利于尖锐物刺穿；较高的屈服点有利于货物贴敷；比较均匀的厚度有利于生产效率和产品质量。

② 产出效率

成套的快速技术+高速原料造就了更大的产出量（宽幅达8 m以上，车速400 m/min以上），使一般单线产能达到上万吨以上/年。BOPET的直熔一体化装置，又将“低成本运行”推崇到竞争致胜的地步。

③ 经营收益

双拉膜的设备、厂房及辅助设施的一次性投资规模比较大，如果新线上马能够赶上产业周期的上升阶段，就容易在短期内见到效果；双向拉伸薄膜本身具有可持续改进的发展特点，有利于长期投资。

二、双拉膜产品的变化和加工趋势

国内双拉膜的用途启始于绝缘材料。由于产品性能和市场需求的原因，70年代之后才向包装、工业、农业等方向的不断演化。随着科技和民生经济发展的进步，市场对普通类的包装、工业和建筑用膜的需求增长在降低，与人们生活、生产质量相关的功能薄膜的需求在增长，并且出现多极化、智能化、安全、环保、节能等方面的趋变，这使得高端薄膜材料具有更多的发展空间。

2.1 立足客户基本需求的成型工艺（以终端产品作基础设计）

双拉膜的制造工艺，涉及到配料、熔挤、铸片、拉伸、定型等系统一体化的机电调节，关联到各个生产工序之间确立精准的制造工艺，还关联到预热拉伸、加热定型、冷却等不同加工区域的缜密控制。

（1）把控不同薄膜材质加工温度的范围

双拉膜拉伸过程中结晶与定向的均匀、程度适当，关系到材质温度（玻璃化温度、熔融温度、结晶温度、热变定型温度等）的均匀和稳定。

通常情况下，PP（聚丙烯）熔点温度为164℃～172℃，热稳定性较好，分解温度可达300℃以上，在与氧接触的情况下260℃开始变黄劣化；PET（聚酯）熔点温度是245～260℃，分解温度300℃，相对的加工温度范围比较窄270～290℃，结晶速度比较慢100～130℃；PA6（聚酰胺）熔点温度为 215℃～221℃，分解温度在310℃，干燥温度为 90℃～100℃，时间为 5～6小时；PC（聚碳酸酯）215℃开始软化，225℃以上开始流动，成型温度一般在270℃～320℃之间选用，超过 340℃会出现分解，干燥温度在120℃～130℃之间，时间为4小时以上。

就BOPET来说，薄膜厚度6～40μm，挤出温度285～295℃，流延温度30～40℃，纵向拉伸温度 90～100℃、拉伸比 3.3～4.0，横向拉伸温度 115～125℃、拉伸比 3.3～3.5，热处理温度230～250℃。

BOPEN，薄膜厚度 4～25μm，挤出温度285～295℃，流延温度30～40℃，纵向拉伸温度120～170℃、拉伸比 3.5左右，横向拉伸温度120～180℃、拉伸比 2.5～5.05，热处理温度 130～240℃。

BOPP，薄膜厚度10～60μ m，挤出温度240～270℃，流延温度25～40℃，纵向拉伸温度125～145℃、拉伸比 4.5～5.5，横向拉伸温度 150～170℃、拉伸比 7.5～10.0，热处理温度 170～180℃。

相比BOPA来说，薄膜厚度12～15μm，挤出温度265～270℃，流延温度45～58℃，纵向拉伸温度45～65℃、拉伸比2.8～3.5，横向拉伸温度75～85℃、拉伸比3.0～3.5，热处理温度195～225℃。

BOPS，薄膜厚度 100～500μm，挤出温度230～240℃，流延温度 80～110℃，纵向拉伸温度110～125℃、拉伸比2.5～3.5，横向拉伸温度110～125℃、拉伸比2.5～3.5，热处理温度100～110℃。

BOPE可加工双向拉伸的温度区域比较窄，需要制定合理的生产工艺，以稳定生产。

（2）把控不同材质、厚度和宽度双拉膜的不同加工速度（单元辊筒转速、循环风的对流速度和均匀性等参数）

从冷鼓至牵引机组的线速度呈现链接关系，以保持实际拉伸力矩的准确性， 确保结晶和定向的均匀、材料温度与时间的稳定等效。冷鼓至纵拉机慢速辊与横拉箱出口端之间，以及纵拉机快速辊与横拉箱出口端之间采用张力传感器进行速度协调。整个牵引收卷过程保持薄膜张力恒定或随着卷径增大，张力锥度按一定的规律递减。

生产速度的精准控制一般采用编码器反馈和采用模糊逻辑控制，并具有自我适应功能，使时间和温度的控制参数可自动调整。采用张力传感器可使各辊轴转速反映迅速，而且不易损坏机械部件；循环热风采用蒸汽清洗或白金触媒技术，使低分子挥发物分解成二氧化碳和水，而减少低聚物的污染。

（3）把控不同膜卷的内外张力在于控制不同的收卷速度[2]

为牵引薄膜并将其复卷到大轴辊上，必须给薄膜施加一定拉伸和张紧的牵引力（即张力）。若张力过小，导致卷材松弛起皱，在横向上发生漂移；若张力过大，导致卷材拉伸过度，在纵向上出现张力线，使膜卷表面隆起筋条，甚至拉断卷材使分切后的成品断头增多。

在薄膜生产中，张力并不是恒定不变的。一方面是，收卷膜层间真空密合的特殊性，每层薄膜都会对前面各层产生放松作用，导致膜卷外张力与内张力的差别；另一方面是，收卷辊的直径是变化的，直径变化会引起卷材张力的力矩变化。这时，收卷辊和牵引辊如果仍然不改变转速（牵引装置拉出薄膜的速度是不变的），就会造成膜卷的内松外紧，外层膜把内层膜压皱，而且达不到释放拉伸应力的陈化作用、增加分切的复卷难度。

所以，保持收卷系统的稳定张力直接关系到薄膜产品的质量。张力控制的关键在于收卷辊和牵引辊之间任何运行变化的速度，这种张力控制必须有效保持包括加速、减速和匀速时膜卷张力的均匀分布，即使在紧急停车情况下，也应该有能力保证大轴薄膜的不被破损。

虽然设定的收卷速度为牵引机输出速度的105%～110%，但是受薄膜的弹性及张力力矩的影响，收卷辊的线速度不会超过牵引机的输出速度。正常收卷后的大轴膜表面平整无褶皱，端面整齐、松紧度适当。实践证明，量化指标的膜卷硬度灵敏示值在87～95之间（硬度低至85时，不再影响收卷松紧；硬度高至97时，对膜卷对硬度影响力变小）。

表2 常见双拉膜的主要基本物性表[8][9]Table 2 Main basic physical properties of common double pull film

2.2 双拉膜的不同市场需求

（1）双拉膜的基本物性

普通双拉膜基本上是单一的均聚物高分子膜，受到各自树脂属性和加工工艺的牵制，而获得一般的基本物性，满足一定使用群体的需求；同样，由于制品性能和后序加工成本的限制，出现不同程度的市场替代和出现刚性需求不同层次的起伏。

理论上，所有树脂都有成为双拉膜的可能，但是，目前具有经济意义的薄膜只有聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚酰胺（PA）、聚乙烯（PE）等树脂（依市场用量大小）。若在树脂基体中添加适宜的塑料助剂，仍可以按需要变化出各种各样的功能性薄膜。

（2）双拉膜葆有特殊物性

跌宕的市场竞争对薄膜用途不断提出更新更高的业态需求，特别是含有特殊功能的专用薄膜，俗称“特种膜”。所谓特种膜，是按市场供给量相对普通膜和中间膜而言的一个阶段性制品。市场上，没有特别之处的平常膜就会被冷落成为普通膜；中间膜，只是特种膜与普通膜演变过程中的暂时过渡。[2]

届时应市的特种膜背后都隐藏着一定的技术含量。通常，原料技术在先（树脂和助剂），工艺装备技术在后。所谓“原料技术在先”，主要指促进异相成核，增加晶体生长点并使晶体颗粒变细、从而改善冲击强度、屈服强度及光泽度等。

所谓“工艺装备技术在后”即改进成型，乃在选择运行精度较高的装备部件，通过适当的配方与特定工艺条件的结合，制造出“专、特、精”的特殊功能。这些特种膜，一般具备普通薄膜没有的某些特殊功能（附有吸附、分离、光电、磁性、刺激响应性、生物相容性、催化活性、反应性等一系列特殊的性能），可以打造多样化的制品引导市场的应用，有利企业创造出自己的产品品牌。[7]

在激烈的市场竞争中，一个企业具有发现和识别市场机会的慧眼，就拥有开发产品满足需求的发展潜力，能再将产品推向市场、传播产品知识的专业性优势，就有了区别其它企业的核心竞争力。

含有特殊功能性的双拉膜，除了有稳定普通膜的物化性能之外，还要能满足专门市场的特殊性能（提高耐热性、耐寒性、增加高阻隔、高阻燃；高或低热收缩；表面硬化、热封、防霉防菌；聚散光学效应、光谱的高能蓝光、阻隔紫外线和放射远红外线等）。

例如能构成软包装材料的日用护理、休闲食品的蒸煮袋、沸煮袋的功能性薄膜。

（3）双拉膜品质进化的种类

高端BOPET产品指标值：光学用（高洁净、低萃取、无杂质、低取向角等）；特殊用（增加物理化学稳定性、提高耐候性，以及视觉装饰效果等）。近2年，无机氧化物蒸镀的高阻隔膜拉开竞争序幕，耐高温膜、永久性抗静电膜、防眩光膜也有比较大发展。

超越BOPET的BOPEN（聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜），与BOPET同为聚酯类薄膜，熔点、玻璃化温度和结晶性不同，适当调整拉伸工艺条件，就可利用同样的制备进行生产。由于材质的原因，PEN相比 PET具有更优良的气体阻隔性、耐热性、力学性、光学性、化学惰性，以及适用二次加工技术。当前PEN膜主要应用于柔性印刷电路板、电容器膜、F级绝缘膜等方面。

高性能的BOPP产品追逐:长效抗静电性能；差异化摩擦性能；低温的热封性能；可调的热收缩率；高光泽、低雾度；挺度、耐磨等。相对科技含量较高的防雾膜、珍珠膜、合成纸等产品的消费比例不会减少。用于食品包装的超高热封膜、高透明阻隔膜，以及耐蒸煮、抗紫外、避光、抗菌、透气、绝氧等功能性膜的需求持续增加，符合绿色化要求的可降解膜和免涂膜也将应运而生。[8]

在常用的双拉膜里，BOPA的韧性最好并具有阻隔小分子气体的能力，主要用于各种真空、充气、蒸煮杀菌、液体包装等领域。高层次的BOPA产品追逐提高强度、降低雾度、提高阻隔性、提高浅网印刷性能和缩小厚度公差等；追逐研发高阻隔、直线易撕裂、可消光、可降解以及超强力膜等差异化产品。[9]

PE原先由于分子结构和结晶情况无法采用双向拉伸加工，采用专用料生产的BOPE透明度高，热封强度大，纵横向拉伸强度提高并有防湿和可折叠性等优点，比IPE和CPE在物理性能方面有较大的改善。特别在厚度减薄50%的情况下，与15μmBOPA或12μmBOPET等干式复合或挤出复合制袋，或单层熔封制袋，或涂布加工等，可节省厚度成本，用于各种速冻食品或粉体、液体的重包装领域。

高阻隔膜，通常指把气体阻隔性很强的材料与热封性、水分阻隔性很强的聚合物共挤而成的多层结构薄膜，或者与铝箔、二氧化硅镀膜组成复合型的高阻隔包装材料。

影响包装材料阻隔性能的因素：①分子极性（极性越大，树脂透气率越小）②分子结晶性（结晶聚合物的结晶度越高，阻隔越好）③分子定向（大分子排列紧密有序的定向程度，阻隔性强）④分子亲水性（亲水的分子间距增大而降低阻隔性）⑤环境温度与树脂的关系（温度升高，将使结晶度、定向度、分子间距密度拉大，降低材质阻隔性）。

选择高效的单层阻隔材料替代或者减少五层以上多层共挤薄膜的阻隔性困惑，不仅能确保被包装物的原始性能，而且大幅度降低食品加工无菌包装的成本，可广泛用于包装饮料、果汁、牛奶、酱油醋等。[2]

耐高温绝缘膜，具有优越导热性能、机械性能、电气绝缘性、耐辐射性、耐介质性、比较持久的抗脆化性以及微带防火性能；能够长期在－269℃～+280℃的温度范围内使用，短期内的绝缘可耐受400℃和达到600℃高温，可广泛应用于电子电器、电机、变压器领域，可以批量用在高速列车的牵引电机、航空飞行器的耐高温薄膜绕包线。

高端锂电池隔膜[11]，锂电池隔膜的微孔结构导致液态电解液具有更长的平均路径，它决定了电池的界面结构和内阻性能，直接影响到电池的容量、循环以及安全等特性。

采用干法原理为物理拉伸、结晶干法工艺，可应用大型锂离子动力电池（电动汽车、电动摩托车、电动工具、大型储能设备、军工用大型电池）；采用湿法原理是相位分离，工艺技术也相对复杂，其微孔孔径大小与分布、机械强度、热缩性等方面都超越干法，主要应用在高性能的锂离子电池等方面。

目前，市场紧俏的高端陶瓷功能隔膜、3C类电池（C是Capacity的第一个字母，用来表示电池充放电时电流的大小数值，指3000毫安的电源电池）、动力以及储能锂离子电池隔膜依然大量依赖进口。

（未完待续，下转本刊2021年第四期）