如何控制薄膜纵向拉伸比？

双向拉伸的方法有多类，实际应用中要根据产品的性能要求、生产的规模及生产技术、设备特点来确定。

1.逐次拉伸法（二次拉伸法）

逐次拉伸法是将挤出的塑料片材分别经过纵向、横向两次拉伸完成取向过程的方法，一般先纵向拉伸，再横向拉伸。这种方法的优点是产品性能容易控制，操作较为方便，拉伸后可在同一台横向拉伸机内完成必要的热处理和冷却处理。生产速度最高可达350m/min。但在横向拉伸、热处理时会损失分子的纵向取向，所以难以生产纵向强化的薄膜。此外，由于热处理在横向拉伸机内进行，也难以生产纵向热收缩为零的薄膜。

（1）纵向拉伸 纵向拉伸是将挤出的厚片通过多个高精度金属辊筒进行加热，并在一定的速度梯度下将片材纵向拉长，使聚合物分子进行纵向取向的过程。

图8-2 典型纵向拉伸的方法

a）大间隙单点拉伸法 b）大间隙两点拉伸法 c）小间隙单点、两点、多点拉伸法

1）纵向拉伸方法。纵向拉伸可分为单点拉伸、两点拉伸和多点拉伸三种方法，如图8-2所示。预热后的片材在两组不同速度、不同温度的辊筒之间，一次完成纵向拉伸的方法称为单点拉伸法；预热后的片材在三组不同速度的辊筒间，在两个空间内，两次完成纵向拉伸的方法称为两点拉伸法；预热片材在速度逐渐递增的辊筒之间多次进行拉伸的方法称为多点拉伸法。

在单点拉伸和两点拉伸时，有些薄膜需要利用红外线加热器进行辅助加热，此时，拉伸的间隙较大；有些薄膜不需要辅助加热，拉伸的间隙较小。多点拉伸时一般只利用辊筒进行加热，不需要其他辅助加热器，拉伸间隙较小。单点拉伸法的特点是聚合物分子在纵向一次快速取向，纵向拉伸比容易控制。对于大间隙的纵向拉伸，当拉伸比较大时，薄膜横向缩颈量也较大，薄膜废边率增大。采用小间隙拉伸时，拉伸辊的辊间距较小，拉伸时包在辊面上的膜受到辊面摩擦力的作用，产生的缩颈量较小。采用多点拉伸法时，拉伸较均匀，拉伸程度大，但传动系统变速较多，调速不方便，较难处理薄膜包辊问题，而且，在拉伸过程中，薄膜多次接触辊面，辊面质量对薄膜表面性能影响较大，难以生产表面质量高的薄膜。两点拉伸法使用较灵活，这种方法主要是为了满足高速生产的要求，利用加大薄膜的纵向拉伸倍数，弥补铸片速度难以提高的不足。在实际生产过程中，可以根据薄膜生产速度，决定采用单点拉伸还是两点拉伸。

2）纵向拉伸机。纵向拉伸所用的设备称为纵向拉伸机。它由多个加热、冷却辊筒以及辊筒的传动、穿片、张力、温度、速度等控制装置组成。辊筒内的加热介质可以采用循环加热的油、水或蒸汽。纵向拉伸机通常分为三个区域，即预热区、拉伸区、冷却定型区，如图8-2c所示。

①预热区。预热区是由2～3个循环加热系统组成的。每个加热系统包含2～3个预热辊筒，在此区间内，挤出的片材逐步被加热到接近拉伸温度。由于塑料片材在预热过程中会出现热膨胀，而且各种塑料材料热膨胀量又不完全相同，因此，预热区各辊筒之间的线速度要有微小的递增，一般聚酯薄膜的递增量＜1%，聚丙烯薄膜的递增量为5%～7%。这样不仅消除了热膨胀引起的松弛，而且有利于排出厚片与冷辊之间的空气，保证片材始终紧贴加热辊面，提高传热效果，达到均匀预热的目的。

②拉伸区。对于多数单点、两点拉伸设备来说，在起始与终止的拉伸辊筒上，都装有一个可升降的橡胶压紧辊。拉伸时，压紧辊压住薄膜，防止薄膜打滑，保证拉伸薄膜具有恒定的拉伸比。一旦出现破膜现象时，利用纵向拉伸机内的断膜检测器使压紧辊快速脱离拉伸辊。

对于需要辅助加热的纵向拉伸机，由于拉伸温度与薄膜取向程度密切相关，因此要求辅助加热器必须具有加热均匀、稳定，温度易于控制，传热效率高的功能。采用大间距拉伸法时，拉伸后还需要快速冷却。

对于不需要辅助加热的纵向拉伸机，薄膜的纵向拉伸是在两个拉伸辊之间的间隙处进行，此时拉伸的间隙较小，拉伸后薄膜缩颈量也较小。而且多数薄膜在拉伸之后就立即进行定型热处理。

在高速薄膜生产线或拉伸共挤出复合薄膜时，预热、拉伸辊的温度比较高，很容易出现片材粘辊现象，影响拉伸的均匀性。所以，这种纵向拉伸机的高温拉伸辊的表面，需要涂覆陶瓷或聚四氟乙烯。

③定型区。根据生产工艺的要求，某些塑料薄膜经过纵向拉伸后，需要在一定的温度下进行热处理，使薄膜的内应力均匀化。对于结晶型聚合物，热处理还起着改变结晶状况的作用。

定型区的加热系统必须装有加热器与冷却器，冷却器内通入≤15℃的冷却水，作为间接冷却循环介质。预热辊可以只有加热器而无冷却器。

3）纵向拉伸比。在薄膜生产过程中，通常把纵向拉伸机快速辊的线速度与慢速辊线速度的比值称为薄膜的纵向拉伸比。纵向拉伸比的大小主要影响薄膜的力学性能。通常，在一定的拉伸温度下拉伸比越大，薄膜分子取向度越大。即薄膜的力学性能提高，弹性模量增大，断裂伸长率减小，冲击强度、耐折性增大，透气性、光泽性变好。所以在生产要求纵向强度较高的薄膜时，纵向拉伸比都要选取上限值。但是，纵向拉伸比过高，也会增加横向拉伸时破膜的几率。因此，每种材料的纵向拉伸比都有一个极限值。反之，纵向拉伸比过低，除了影响薄膜的力学性能外，薄膜的纵向厚度公差还会出现较大的波动。

4）纵向拉伸各区的温度。实践证明，采用比较低的预热、拉伸温度及拉伸后立即进行冷却是提高薄膜取向度（提高薄膜纵向力学性能）、减小结晶度的有利条件。预热段温度过高会导致结晶聚合物形成球晶，薄膜透明性下降，甚至呈白雾状。拉伸温度过高，链段易于解取向，会引起热封性面层材料粘辊。此外，预热、拉伸区横向温度的均匀性，也影响薄膜横向厚度的均匀性及力学性能的均匀性。因此，纵向拉伸温度必须适宜，并且要很均匀。(www.xing528.com)

5）拉伸速度。在一定的拉伸温度范围内，随着拉伸速度提高，薄膜的强度也会随之增大。当拉伸速度达到某一数值后，再继续提高拉伸速度则强度反而下降；反之，降低拉伸速度即相应提高了拉伸温度，增加了分子链段的活动能力，使拉伸应力下降，断裂伸长率也下降。

（2）横向拉伸 塑料片材的横向拉伸在横向拉伸机（简称拉幅机或横拉机）中进行。横拉机有两条无端回转的特殊链条，链条上的夹具，可紧紧夹住片材的两个边缘，并支承在可变幅宽的导轨上，借助于两条链夹同向、同步运行。横向拉伸机的俯视图如图8-3所示。

图8-3 横向拉伸机的俯视图

1—进口区 2—预热区 3—拉伸区 4、6—缓冲区 5—热处理区 7—冷却区 8—出口区

片材首先在略有增幅的预热段进行加热，在有较大扩张角的拉伸区内进行横向拉伸；然后在平行及有收缩的热处理区内进行热处理，使薄膜定型及松弛；最后在平行的冷却区内进行冷却，完成薄膜的横向拉伸工作。

1）横向拉伸温度。在横向拉伸工艺条件中，拉伸温度直接影响薄膜的力学性能、成膜性、厚度均匀性。通常，在低温条件进行拉伸有利于提高薄膜的力学性能，增大薄膜的热收缩。但是，温度过低容易出现脱夹、破膜，拉伸时还可能发出很大的响声。相反，随着拉伸温度的升高，片材的屈服强度下降，断裂伸长率由小变大，再由大变小。拉伸温度过高，则出现薄膜厚度公差变大，结晶型薄膜的雾度增大，严重时也会出现拉伸破膜现象。

横向拉伸温度的高低取决于原材料及产品厚度，也与拉伸比、拉伸速率等其他拉伸工艺条件有关。对于常见的四种塑料薄膜，它们的横向拉伸温度是：PP＞PS＞PET＞PA；厚度较薄的薄膜要比厚度较厚的薄膜拉伸温度略低些；拉伸速度增加，拉伸温度也要增加。此外，如果塑料片材在横向拉伸之前已经经历了纵向拉伸，分子在纵向得到取向，然后再横向拉伸时，横向拉伸的温度应比纵向拉伸的温度大约高15～25℃。

预热区、拉伸区的横向加热温度一定要均匀、稳定，否则会影响拉伸薄膜的横向厚度均匀性及拉伸的连续性；同时要实现连续拉伸，一般横向拉伸区的温度要有一定的递增量。

2）横向拉伸比。在生产薄膜的过程中，通常把拉幅机横向拉伸之后两条导轨的幅宽与拉伸前两条导轨的幅宽（或对应夹口的宽度）之比定义为薄膜的横向拉伸比。薄膜的横向拉伸主要是在拉伸区内进行的。横向拉伸比的大小根据使用的材料和产品的用途来确定，除了双向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜的横向拉伸比选用7～9以外，其余的材料一般都在2.5～4.5之间（BOPI等少数薄膜＜2.5）。对于同一种材料来说，较厚的薄膜和纵向强度较高的薄膜，横向拉伸比要小些；热收缩薄膜及一般包装薄膜的横向拉伸比可大些。

提高薄膜的横向拉伸比有利于改善薄膜的横向厚度均匀性，提高薄膜的横向拉伸强度，使薄膜的横向热收缩率增大。但拉伸比过大时，容易出现破膜现象，尤其是在拉伸具有高纵向拉伸比或高结晶度的薄膜时，提高横向拉伸比会使成膜率大大降低。

3）热定型温度和热定型时间。在生产非收缩性BOPP、BOPET、BOPA、BOPS等拉伸薄膜时，横向拉伸之后一般都需要进行热定型处理。不同材料热定型处理的目的不同。对于结晶型聚合物，热处理的目的是加速聚合物的二次结晶或结晶过程，使分子链取向转变为结晶取向，消除薄膜的内应力，提高结晶度，使晶体结构趋于完善，减小薄膜的热收缩率。此时的定型温度应控制在聚合物最大结晶速度的温度下。例如，BOPP薄膜定型温度为145～165℃，处理时间为3～6s；BO-PET、BOPA薄膜定型温度为190～235℃，处理时间为3～10s。对于非结晶的PS等薄膜，热处理的目的仅仅是使拉伸聚合物的短链、支链得到松弛，消除薄膜中的内应力，减小热收缩率。

在生产热收缩型薄膜时，拉伸之后不但需要保持更多的分子链取向，还不希望有更多的结晶形成。对于这种薄膜，一般拉伸之后是不需要热处理的。用于印刷、烫金、涂覆等领域的薄膜则相反，生产时定型区要选用较高的加热温度，并且要具有足够的热处理时间。

对于要求热收缩率低的塑料薄膜，在热定型处理之后都要适当减小横向张力，使薄膜在高温下得到一定的应力松弛，从而提高薄膜的尺寸稳定性。松弛量的大小可以通过改变薄膜的横向幅宽来实现。

4）冷却。横向拉伸机的最后区段是冷却段。在这一个区域里，有些薄膜需要进行强制冷却，而有些薄膜不需要强制冷却，只要自然冷却即可。冷却的目的是防止薄膜在较高的温度下加速蠕变而影响薄膜性能。冷却段的工艺条件主要是指冷却温度、停留时间、冷风净化情况。通常，冷却段的温度控制在60℃以下；停留时间与产品品种有关，一般冷却时间为1～4s，较厚的薄膜及高速生产的薄膜需要较长的冷却时间。薄膜进行强制冷却时，为防止薄膜内升华出的低分子冷凝物污染薄膜，应及时更新冷却空气，加强循环风的过滤，在喷风管入口处安装白金触媒，便于清除污染物。

2.同时双向拉伸法

同时双向拉伸法（简称一次拉伸法或同步双向拉伸法）是将挤出的塑料片材在一台拉伸机内，同时完成纵向、横向拉伸和冷热处理制成薄膜的方法。在这种方法中，挤出的片材在拉伸的进口处被夹具夹住，然后借助于夹具同向、同步运行，使片材在预热区内充分地预热，在拉伸区内，借助于夹具的扩幅及有规律地逐渐增大夹具间距的运动，实现薄膜同时纵向、横向拉伸取向，最后，经过热处理、冷却，完成整个制膜过程。