双向拉伸聚酯薄膜铸膜工艺研究

双向拉伸聚酯薄膜铸膜工艺研究
高宏保
【摘要】提出双向拉伸聚酯薄膜铸膜过程的模头拉伸比计算方法;研究了模头拉伸比与模唇开度和铸膜厚片的关系,模唇开度的确定程序,铸膜厚片颈缩的影响因素,薄膜边膜厚度梯度要求及控制措施;探讨了熔体膜厚度方向在冷鼓上的冷却固化温度
分布、静电附片方式以及制约铸膜速度的因素.
【期刊名称】《合成技术及应用》
【年(卷),期】2007(022)004
【总页数】6页(P49-54)
【关键词】聚酯薄膜;铸膜;铸膜厚片;熔体膜
【作者】高宏保
【作者单位】仪化东丽聚酯薄膜有限公司,江苏,仪征,211900
【正文语种】中文
【中图分类】TQ320.66
铸膜是双向拉伸聚酯薄膜(BOPET)生产制膜成型工艺中，PET熔体通过“T”型或
衣架式模头制备铸膜厚片的一道工序(见图1)。

对铸膜厚片的要求除无气泡、变质
熔体欠点、晶点、杂质、模唇流道条纹(暗纹)、静电印等外，还要求适合的颈缩量、较小的纵向和横向厚度波动，以及厚片呈无定形态(结晶度<3%)。

笔者拟根据生产实践对BOPET生产铸膜过程的工艺条件做探讨。

图1 制膜成型工艺
1 模头拉伸比及其与模唇开度的关系
1.1 模头拉伸比(χ)
模头拉伸比(χ)系冷鼓线速度 (VL)与挤出速度(VZ)之比。

当模唇开度呈均匀状时：
(1)
(2)
(3)
式中： Q——熔体挤出速率，kg/min；
L——模唇宽度，m；
δ——模唇开度，mm；
ρ——熔体密度，g/cm3。

当模唇开度呈非均匀状时：
(4)
式中: δ——模唇开度，mm；
ρ——熔体密度，g/cm3；
D——厚片厚度，mm；
d——薄膜厚度，mm；
DR1——纵拉倍率；
DR2——横拉倍率；
ρ1——薄膜密度，g/cm3。

1.2 模头拉伸比与模唇开度的关系
模头拉伸发生在模头到冷鼓之间，此时从模头窄缝流出的熔体膜温度仍很高，流动性较好，在冷鼓拉伸力的作用下，熔体膜被拉长变薄、运行速度增快，实现模头拉伸。

当熔体膜到达冷鼓，与冷鼓贴附，温度迅速降低，冷却固化。

在BOPET厚片成型中施以一定的模头拉伸比，可起到匀化薄膜纵、横向厚度的作用；而赋予薄膜生产装置一定的模头拉伸比区间，有利于薄膜生产过程中厚度规格、品种性能范围的延伸扩大。

有文献报道BOPET的模头拉伸比大于20时，熔体膜会出现振动[1]。

实际生产中，模头拉伸比与模唇开度有较高的相关性，不同的模唇开度对应不同的模头拉伸比范围(见图2)。

模头拉伸比不论高低，超出其范围，都会使薄膜的厚度
波动变大。

而拉伸比过高还会引起模头与冷鼓间熔体膜产生周期性振动，拉伸后的薄膜在宽度方向的厚度发生振荡(见图3)，严重时会引起破膜，无法稳定生产。

图2 BOPET模头拉伸比与模唇开度的关系
1.3 模唇开度与薄膜厚度的关系
模唇开度依薄膜的厚片厚度来定，厚的大一些，薄的小一些。

确定了模头拉伸比后，可以通过图2的关系来确定模唇开度。

由生产实践确定的模头拉伸比与铸膜厚片
的关系见图4，其曲线拟合公式为χ=-5.144Ln(D)+37.45。

当确定了薄膜厚度(d)和纵、横向拉伸比(DR1·DR2)以后，可依以下算式计算铸膜厚片厚度(D)：
D=d·DR1·DR2
例如d=12 μm，DR1·DR2=10，则D=120 μm，模头拉伸比χ=-
5.144Ln(120)+37.45=12.8，模唇开度选用δ=1.8 mm，模头拉伸比范围为7～18。

根据(4)式，ρ和ρ1分别取1.19和1.40，则薄膜的生产厚度范围为d=8.5～22 μm。

图3 薄膜厚度振荡图
图4 模头拉伸比与铸膜厚片的关系
2 颈缩与边膜厚度梯度
熔体膜从模头挤出到冷鼓贴附之间，在空气中被热拉伸，膜宽变窄、膜边缘变厚的现象叫颈缩，见图5。

模头的模唇宽度与铸膜厚片宽度差叫做颈缩量。

颈缩量越大，薄膜的边缘越厚，由此使产品的产量随膜边缘料的增加而相应降低了。

但保持一个因颈缩而形成的合适的边膜厚度梯度，对防止破膜、进行稳定的薄膜横向拉伸也是至关重要的。

2.1 颈缩机理及影响因素
有关资料介绍，颈缩的形成是由于粘弹熔体挤出离模膨胀和熔体膜表面张力共同作用的结果[2]。

a) 挤出离模膨胀粘弹性流体会增加到比模唇间隙更大的厚度。

模头中各模壁都会
积累弹性应力，而且边缘也会从更多的模壁积累膨胀。

在离模膨胀的厚边向薄膜中央扩展的情况下，通常不会扩展到薄膜厚度的5倍左右，这与模唇开度和模头到
冷鼓间距离无关。

因为铸膜厚片的厚度一般小于1 mm，由离模膨胀造成的厚边
宽度应小于5 mm，而厚边宽度一般在几厘米，所以离模膨胀对颈缩的影响较小。

图5 颈缩与厚边示意
b) 表面张力表面张力是一种物理效应，它使得液体的表面总是试图获得最小的、光滑的面积。

熔体膜的表面张力总是将边缘的材料向薄膜中央推，使得边缘增厚。

理论上铸膜颈缩量ε有如下关系：
式中：s是单位面积的表面能量；D是铸膜厚片厚度；t是熔体膜在模头与冷鼓间
的停留时间；η是熔体膜的粘度。

在实际生产中，PET熔体的表面能量s和粘度η已为定值，颈缩量与模头拉伸比
成正比(在熔体挤出量一定的情况下，铸膜厚片厚度D与模头拉伸比成反比)，其线性关系的斜率随模头与冷鼓间的距离增大而变大，见图6。

图6 颈缩量与模头拉伸比和模头冷鼓间距离的关系
2.2 边膜厚度梯度及控制
因颈缩而产生的边膜厚度在薄膜宽度方向上的分布叫做边膜厚度梯度，图7为12 μm BOPET薄膜较好的一个边膜厚度分布曲线，根据厚度变化把曲线分为3个区：图7 12 μm B OPET边膜厚度梯度
I区—TDO拉伸夹边区，以曲线的拐点为分界，距膜边15 mm左右。

该区间铸膜厚片不发生TDO横向拉伸，只发生MDO纵向拉伸。

由于纵拉颈缩的原因，经纵向、横向拉伸的拉伸膜边缘的厚度d≥D/DR1(D：铸膜厚片边缘厚度；DR1：纵向拉伸倍率)。

在生产中I区需要控制的方面：
a) 膜边缘厚度主要是不能使膜边太厚：①膜边太厚使熔体膜不能实现骤冷而产生
结晶，导致后续拉伸时破膜；②膜边太厚会使铸膜厚片的冷鼓贴附面和非冷鼓面因冷却收缩差异大产生翘边，使TDO拉伸夹具不易夹边，产生脱夹。

b) 拐点厚度主要是不能使其太薄。

拐点是薄膜发生横向拉伸和不发生横向拉伸的分界点，此处厚度过小，经TDO横向拉伸后形成图8的厚度分布，产生拉伸弱点，易造成TDO撕边破膜。

图8 产生拉伸弱点的边膜厚度曲线
Ⅱ区—过渡区，薄膜的厚度及性能过渡到Ⅲ区达到产品要求，区间宽度在50～150 mm。

该区间铸膜厚片发生完全MDO纵向拉伸和部分TDO横向拉伸，厚度变化D/(DR1·DR2)<d<D/DR1(DR2：横向拉伸倍率)。

在生产控制方面，尽量减
小过渡区，使铸膜厚片在1～2个模唇开度控制螺栓间完成，以提高产品得率。

Ⅲ区—产品区。

2.3 模头-冷鼓间距离确定
模头-冷鼓间距离(L)主要从实现合适的颈缩量，达到理性的边膜厚度梯度方面来确定。

一般来说，L=5～45 mm都是可行的。

据有关资料,纺丝熔体的出口膨胀最大
直径发生在离喷丝板3～8 mm[3]，而BOPET铸膜的熔体膜呈斜线到冷鼓(见图1)，熔体膜在空气中的行程大于L。

此外，还要考虑L太大，熔体膜易晃动，不易实现稳定生产；L太小，熔体挤出模唇口析出的齐聚物排出空间小，易粘附在模唇和静电附片丝(带)上，产生模头线，缩短了模唇硅修整周期。

3 熔体膜冷却固化及控制
铸膜系统的熔体膜冷却固化通常是通过一个大直径、表面高度抛光的金属冷鼓，冷鼓内部通冷却水，对贴附在其表面的PET熔体膜(约285 ℃)进行快速冷却固化，
形成无定型的厚片 (30～70 ℃)。

3.1 冷却固化的要求及特点
铸膜冷鼓出口厚片温度要低于PET玻璃化转变温度，但冷却时间需要多长却鲜见
报道。

有资料表明，冷却速率应大于350 ℃/min[4]。

当将PET熔体膜从285 ℃
降至65 ℃时，冷却时间要小于38 s。

实际生产受冷鼓尺寸限制，单冷鼓的冷却固化时间控制在20 s以内。

熔体膜从模头挤出后，经过短暂的空气对流与热辐射冷却，再到冷鼓。

熔体膜在冷鼓上的冷却固化过程是热传导、对流、辐射综合的三维非稳态周期传热问题[5～6]。

由于熔体膜厚度较大(尤其是因颈缩形成的厚边部位)，PET树脂导热系数小，热负荷大，在冷却过程中会在厚片厚度方向形成较大的温度梯度，导致厚片内部与表面、冷鼓面与非冷鼓面的温度有很大差异，见图9。

图10为不同厚度的熔体膜冷鼓面
和非冷鼓面在冷鼓上的冷却固化时间，从图中可以看出不同厚度铸膜厚片在冷鼓面的冷却时间变化不大，而非冷鼓面变化较大。

图9 1 000 μm铸膜厚片冷却时的温度分布
图10 不同厚度铸膜厚片冷却时的温度分布对比
3.2 冷却时间与铸膜速度之间的互补关系
实际生产中，冷鼓的直径是一定的，厚片在冷鼓上的冷却长度是一定的，可通过在一定的区间内调整厚片厚度和冷却时间来扩大薄膜厚度品种的生产范围。

如在冷鼓直径1.5 m、冷却长度4 m的生产线上生产90 μm的薄膜，有表1所示的两种生产工艺条件。

通过图10知，1 000 μm的厚片达到熔体膜的冷却固化要
求约需14 s，而条件1(见表1)在冷鼓停留时间只有13.3 s，因此不能满足生产要求，条件1无法实施,而条件2能实现生产。

由此亦可见冷却时间对冷却效果的影
响远小于膜厚的影响。

表1 制膜生产工艺条件项目单位条件1条件2厚度,μm90.090.0厚片厚度,μm1 000.0903.2铸膜速度,m/min18.019.9纵拉倍率3.12.8横拉倍率3.63.6制膜速度,m/min55.855.8冷鼓停留时间,s13.312.0
3.3 冷却温度对熔体膜冷却固化的影响
图11为800 μm厚片在25℃、30℃、60℃ 3种冷鼓温度条件下的冷却温度分布。

总体上是温度高冷却时间长，但在通常25～35 ℃的冷却温度范围内影响不大。

冷却的最低温度不能低于20℃，否则会使厚片发生脆性断裂。

图11 800 μm厚片在不同冷鼓温度冷却时的温度分布对比
3.4 双面冷却和强化冷却的技术
从3.1、3.2的讨论可知，在单冷鼓上铸膜厚片厚度对其非冷鼓面的冷却固化时间
影响较大，由于受冷鼓直径(目前最大直径为2 m)和允许冷却固化时间(<38 s)的
限制，一般厚度1 000 μm以上的厚片就要考虑采用双面冷却和强制冷却技术[1～4](见图12)。

图12 铸膜双面冷却技术示意
a)双冷鼓冷却固化视第二冷鼓的直径大小，可制得低结晶度的厚片，厚度范围1 000～1 500 μm；
b)冷鼓+背面冷风冷却固化可制得低结晶度的厚片，厚度范围1 500～2 000 μm；
c)冷鼓+背面冷却水冷却固化可制得低结晶度的厚片，厚度范围2 000～4 500 μm。

4 静电附片及其影响附片效果的因素
BOPET铸膜厚片在冷鼓上的冷却效果依赖于熔体膜与冷鼓面贴附的紧密程度。

如果在厚片和冷鼓间夹带空气，这部分空气就会成为从熔体向冷鼓传热的主要阻力，从而影响骤冷效果，导致厚片内部聚集态结构恶化，同时还破坏冷却的均匀性，严重时会造成较大的颈缩或产生波纹、皱纹等缺陷。

因此，在铸膜系统都装有附片装置。

PET属极性高分子材料，极性高分子材料薄膜铸膜附片多采用静电附片的方法，其原理[1]见图13。

在直流电场作用下，有一定的偶极距PET酯基会进行取向，从而在厚片的厚度方向构成反电场，强大的正离子在流向冷鼓表面时，就将挤出的未凝固膜片贴附在冷鼓表面上，相当于在静电附片钢丝处向熔体膜施加一按压力，排除熔体膜和冷鼓间的空气。

图13 静电附片原理
4.1 静电钢带和静电钢丝附片特点
目前采用的静电附片有钢带和钢丝两种。

a) 钢带：主要以法国DMT为代表，与钢丝相比有以下特点：
①带片厚度可以加工的比钢丝直径更小，可在同样电势场下采用低电压，有利于减少放电，减少静电印；
②钢带在横越熔体膜宽度上有支架支撑，可使钢带与熔体膜的距离缩小，起到与①同样的作用，提高附片效果；
③在钢带支架上装有吹热风装置，防止齐聚物在钢带上积聚，可延长模头线出现周期。

b) 钢丝：最大的特点就是结构简便，操作方便，造价低。

基于静电钢带附片的上述特点，在同样的制膜原料下，用钢带附片的铸膜速度比钢丝附片高(见图14)。

图14 铸膜速度与PET熔融比电阻和静电附片形式的关系
4.2 原料对静电附片效果影响
根据静电附片原理，在熔体膜厚度方向的电势取决于极性分子偶极距和熔体中可电离的粒子(树脂合成时使用的催化剂种类、数量)数量，而且少量离子对电势的形成影响更大。

PET熔体产生电离的能力用熔融比电阻表示。

表2为不同种类的PET
切片的熔融比电阻。

在PET熔体中添加可电离的粒子，降低其熔融比电阻，改善
附片效果，提高制膜速度(见图14)，膜级高速切片就是基于这样的理论制备的。

但对于电工膜(如电容膜、绝缘膜)就不能使用这样的切片。

表2 不同PET材料的熔融比电阻Ω·cm催化剂Sb(Ac)3Sb2O3高速制膜用切片2.6×1091.1×1095×107
4.3 铸膜速度与静电附片临界电压、电流的关系
随着铸膜速度的提高，熔体膜和冷鼓之间夹带的空气就会增加。

为了排除空气就要增加静电附片电压，以提高静电按压力。

图15为一特定聚酯熔体铸膜速度与静电附片临界电压、电流的关系。

随着铸膜速度的提高，静电附片电压也要提高。

然而，电压提高到一定限度就会发生弧光放电。

所以，从排除熔体膜和冷鼓之间夹带的空气的角度，铸膜速度提高有一定限度。

图15 铸膜速度与静电附片临界电压、电流的关系
4.4 铸膜速度控制
铸膜速度除受静电附片效果限制外，还受到熔体膜在冷鼓上冷却固化时间的制约，图16为冷鼓冷却长度为5 m的铸膜速度控制图。

从图中可以看出，薄型膜铸膜速度受静电附片的控制，厚型膜受冷却固化时间的控制。

这也从一个方面说明，一条生产线不可能生产厚度范围很宽。

图16 铸膜速度控制(冷鼓冷却长度为5 m)
5 结论
a) 模唇开度是BOPET铸膜生产的重要参数，其制定程序是依据所要生产的薄膜厚度和纵、横向拉伸比确定铸膜厚片厚度，由此确定模头拉伸比，根据模头拉伸比确定合适的模唇开度。

b) 熔体膜颈缩是由粘弹性高聚物特性所决定的，可通过模头-冷鼓距离、并辅以模头开度螺栓的调整控制颈缩量，以达到一个合适的边膜厚度梯度。

c) 边膜厚度梯度控制是稳定制膜和提高产品得率的重要管理措施，对于不同的品
种和生产线有不同的最适边膜厚度梯度曲线。

d) 熔体膜冷却固化需快速进行，使之骤冷形成无定形结构。

一般要求在38 s内冷却到玻璃化转变温度以下(65 ℃)。

e) 铸膜厚片冷鼓面和非冷鼓面在冷却固化过程的温差随厚片厚度的增加迅速增大，对于厚型膜其铸膜速度受冷却固化时间的制约。

f) 熔体膜在冷鼓上的冷却效果依赖于静电附片排除熔体膜与冷鼓间空气量的能力，空气排除能力除与附片形式、PET原料熔融比电阻有关外，还与铸膜速度关系较大，对于薄型膜其铸膜速度受静电附片的限制。

参考文献：
1 杨始 .双向拉伸聚酯薄膜(BOPET)生产工艺技术(5)—聚酯厚片的铸造[J].聚酯工业，2006，19(2)：60～63
2 Toshitaka kanai[日]，Gregory A.Campbell[美].塑料薄膜加工技术[M].北京：
化学工业出版社，2003.191～198
3 李振峰，高宏保，魏家瑞.涤纶短纤维生产[M].南京：东南大学出版社，
1991.57～58
4 戴民强. 厚型聚酯薄膜生产条件的探索[J]. 绝缘材料通讯，1997，(2)：1～3
5 李晓伟，孟继安，徐凤英，陈伟.流延法生产塑料薄膜传热过程数值模拟[J]. 塑料科技，2007，35(2)：60～63
6 刘国平. BOPET生产中传热模型的建立与应用[J]. 塑料工业，2004，32(9)：23～25。