双向拉伸设备的现状和发展方向
中包联塑料委员会专家组(符朝贵)
一. 以包装薄膜为主的双拉设备发展和存在的问题.
(一). 包装薄膜拉伸设备的发展.
1，我国包装薄膜拉伸设备的发展
我国包装薄膜拉伸设备的发展.是从上个世纪八十年代, 由于生活水平的提高, 对食品包装提出较高的要求, 进而从国外引进了年产1000吨—1500吨的生产线, 随着包装工业的发展对塑料软包装的要求数量不断增加, 同时薄膜生产厂家为了降低成本, 对每条线的产能要求也不断增加从年产1500吨到3000吨到6000吨到12000吨到16000吨目前已到年产25000吨. 生产速度的提高增加了薄膜的产量,但薄膜的性能提高有限, 除了薄膜的厚度均匀性, 薄膜的极限偏差从原来±5%提高到±3%, 薄膜的强度由原来的170—190Mpa, 提高到现在200—230Mpa, 设备结构由单点拉伸发展到两点拉伸, 控制系统的传输速度和精度随着电子工业的发展也在不断的更新。
2，目前双拉设备的实际情况
目前双向拉伸薄膜生产线90%是适用生产包装薄膜的生产线, 20%是特殊薄膜的专用生产线, 就是特殊生产线, 除了为了满足工艺要求而特殊设计的装置外, 其它部分基本与包装薄膜拉伸设备是通用的, 而这部分也是大多数的, 其主要原因是工艺对设备影响工艺参数的程度和如何消除这些影响不清楚, 而设备制造商深知消除这种影响的难度, 所以就追求单条线的产量来迎合客户规模化生产的心里. 甚至在纵拉设计的两点拉伸也不是为了提高薄膜性能, 也是为了提高生产线的速度. 使我们现在使用的双拉设备, 在生产有特殊要求的薄膜时存在一些问题。
(二). 现行拉伸设备存在的问题:
1. 拉伸的均匀性很难提高, 这是我国内生产的12μ薄膜收卷长度只能在24000M,以下的原因.
A. 挤出塑化的原因, 在生产速度提高后, 应注重挤出机的设计, 能满足材料的塑化要求, 否则就会出现塑化不均, 影响薄膜的厚度均匀性和物理性能的各项异性, 如强度不均匀, 热收缩不均匀等, 虽然专家们也研究了很多结构的螺杆, 但起作用最大的还是物料的输送速度, 怎样根据物料性能在不使物料降解和提高塑化均匀性前提下, 提高螺杆转数是挤出机今后发展和研究方向.
B. 第一测厚仪与第二测厚仪的对应. 是检验双拉设备的拉伸均匀性和横向温度差大小的重要标志. 现在有的公司提供的设备不主张采用前后两台测厚仪, 主要是为了降低报价, 在实际生产中也不影响薄膜的生产, 也就这样延续下去了. 其实两台有不同用途, 前面的测厚仪主要是检测厚片的厚度均匀性, 什么形状的厚片能生产出合格的薄膜, 没有统一的标准, 有的是上弓弧形, 弓高不相同, 有的是直线, 这就体现了不同设备的拉伸均匀性和设备的横向温度偏差的不同. 一般来讲厚片的弓高越小, 前后测厚仪的螺栓的位置对应的越准确, 生产的薄膜厚度越薄, 因分子取向率的增加使厚片的弓高越小. 因此我们在生产厚膜时, 厚片的曲线弓高就大, 而生产薄膜时厚片的曲线弓高就小, 这不证明生产薄膜时拉伸就均匀了, 横向温度差就小了. 而是因为薄膜在横拉机内达到玻璃化拉伸温度所需要的热量不大, 虽然横向有温度差, 但在同一时间几乎都达到了拉伸温度, 另外, 单位体积的厚片拉伸率增加, 在单位面积上部分纵向高点容易消除.
C. 纵拉的原因
努力解决两步拉伸中MDO的划伤及平整性的问题, 目前较厚薄膜在两步拉伸生产中, 在MDO的划伤是比较难解决的问题, 它是控制, 机械, 工艺问题的综合反映, 薄膜表面的划伤影响光的反射和折射, 在MDO处划伤, 不如成品薄膜划伤容易看见, 所以在薄膜的检验中很难看出, 只有用偏光镜和在反光薄膜涂色工序后容易看出颜色的深浅区别. 由于反光薄膜对表面粗糙度和光泽度要求的很高, 在现行添加剂母料和设备的结构根本无法达到.
纵向拉伸的不均匀性, 对薄膜的厚度偏差影响很大, 目前很少的薄膜生产厂家能把MDO,所有的压辊都用上的, 原因有各方面的,有的只用一个, 有的只用两个, 拉伸的不均匀性只能在热状态用张力减少因厚度不均而产生的皱纹, 所以很难保证纵向拉伸的均匀性, 虽然横向拉伸时在拉伸倍数大时可以减少厚度上的偏差. 但厚膜是很难的, 所以希望设备制造厂要在这方面进行研究解决.
D. 横拉的原因
要解决横拉机两侧温度低的问题, 拉伸倍数不够, 既使薄膜厚度偏差大,还影响两侧薄膜的强度, 热收缩的均匀性能
2. 提高设备对耐温薄膜的适用性能.
努力提高薄膜的耐温性能, 一般薄膜只能在130--150℃长时间使用,现在有很多客户要求耐温在180--200℃, 这是在现有的工艺条件下想要达到比较困难, 但谁能说出现行工艺生产的薄膜能耐的最高温度. 根据试验得知薄膜的耐温性不是简单的与薄膜的结晶度有关, 而与结晶的晶型也有很大关系, 结晶度高, 并不一定耐的温度高, 还要根据晶型的比例才能判定, 一般纤维晶的比例高, 薄膜的耐温性就好. 所以努力提高纤维晶的含量是提高薄膜耐温性的正确方向.作为薄膜设备制造厂要努力提高促成薄膜纤维晶形成的各种条件, 满足生产耐温薄膜的要求.
3. 设备的设计与工艺配合解决薄膜表面低聚物的污染.
认真解决低聚物的污染问题, 这也是光学用膜, 遮阳膜, 抗紫外线玻璃用膜客户对薄膜生产厂的强烈反应, 由于低聚物的局部附着, 引起薄膜的局部光泽度和透明度的差别, 影响下游产品的质量问题, 越是高透明薄膜不但要在环境空气中减少灰尘颗粒, 还要减少低聚物的污染. 这个问题也是长时间无法解决的问题, 因牵涉的面很广:
A 原料的低聚物含量问题, 一般认为拉薄膜PET切片的粘度高些好, 这是一种误解, 粘度高的料在合成的缩聚反应中为了使分子量增大, 反应的时间就要加长, 由于时间长逆向反应也能增加,
所以造成分子量相差较大, 虽然平均分子量相同, 显然分子量分布宽的低分子链的分子较多. 所以BOPET薄膜的原料在设备性能允许的情况下, 原料的粘度低些较好, 一般在0.62—0.65比较合适.
B. 减少PET切片在输送和干燥过程中产生的粉尘量, 提高旋风分离器的分离效果, 减少在干燥时产生的氧降解.
C. 选择适当的熔融挤出温度和熔体线温度, 合理设定PID的加热功率的调整, 严防因热贯性使管道里的PET热降解.
D. 认真解决薄膜粉碎中的粉尘减少和与碎片分离的问题. 回收造粒要努力减少粘度降问题, 在原料配比上尽量减少回收料的比例.
E. TDO横拉机用好热风净化再利用系统, 特别TDO热定型段增加排风量, 减少热风循环系统热风中的低聚物浓度.
F. 增加TDO冷却段的段数和长度, 使薄膜的降温有一定的降温梯度, (第一冷却段160℃; 第二冷却段100℃; 第三冷却段50℃) 而且加大循环和排风量, 使低聚物即不能附在薄膜表面也很少附在冷却风箱上
4. 保证薄膜横向强度, 热收缩的均匀性是设备的制造难点:
从设备的设计上考虑尽量减少横拉伸过程中的弓型的弓高, 对改善薄膜的均匀性很有好处, 从理论上把拉伸弓形彻底消除是不可能的, 但从设备的设计上可以减少弓高. 首先就是要提高TDO,烘箱内温度的均匀性, 所以对风道, 风嘴, 夹子进口带入的风量控制使设计更加困难, 也是设备制造厂家的技术难点.
5. 保证薄膜的平整形是横拉冷却段冷却均匀的体现:
一般被人们忽略的TDO冷却段温度和风量的均匀性, 在光学用膜的生产中得到了重视, 对横拉机的设计又提出了新的课题.
薄膜在无厚度偏差情况下, 在无张力时, 对可见光有不同的折射。在薄膜的反应就是不平整, 产生的主要原因就是高温薄膜通过冷却段时, 有冷却不均匀的现象, 产生局部收缩上的差异, 所以在可见光的照射下有不同的光折射现象.
6. 电晕处理对薄膜的污染.
电晕处理是薄膜生产中提高表面张力的重要工序, 但由于在高压电场的冲击下, 使表面的大分子被打断, 使羧基数量增加, 低分子聚合物也有所增加, 部分低分子聚合物被排风罩吸走, 还有部分低聚物附在膜的表面, 当运行到冷却辊时低聚物就附在辊面上, 时间长了就越积越厚影响薄膜的冷却, 此时如果在夏天, 室内的温度高, 经过电晕的薄膜表面温度很高, 而冷却辊却因为表面低聚物附着层太厚影响传热冷却, 引起热的薄膜表面会部分地粘掉低聚物的附着层, 当这些附着层经过镀铝, 或印刷烘干时, 就会引起镀铝层和油墨层的拖落. 所以电晕设备的低聚物和降解物的排除是今后双拉设备要提高改进的方向.
二, 今后双向拉伸设备发展的方向:
(一). 双向拉伸设备向节能方向发展.
1. 电磁加热的挤出系统, 如果能广泛的应用在双拉行业, 每年节约的电能是很可观的, 从满足工艺要求上来讲比加热器加热温度的均匀性更好.
2. 冷辊和纵向拉伸的冷却循环水, 随环境水温的变化, 采用双路供水自动切换的方法, 这种方法在北方特别适用, 全年能节约50%的电能, 在南方也可以节约30%.
3. 纵向拉伸加热辊采用红外加热, 空气冷却的方法, 这种方法既能消除油水对环境的污染, 又可以节约能源, 减少设备的维修量和运行成本, 对设备的要求, 是红外的输出功率控制的准确, 过去虽然有些国外公司介绍过, 但还没有普遍应用在双向拉伸设备上, 所以这也是今后双拉设备制造厂开发努力的方向.
4. 进一步的开发横拉机循环热风的净化后的利用, 横拉伸机是双拉设备中耗能最大的设备, 主要原因是:
(1). 保温板的保温性能不好, 横拉机安装时的密封性不好, 特别是有的门经过长期使用, 门框产生变形, 失去了密封性.
(2). 为了降低烘箱中低分子聚合物的浓度, 不断地从烘箱里抽出部分热空气, 然后通过加热再补充新鲜空气, 而这部分热量是白白的浪费了, 虽然有些公司为了在横拉机处节能, 想了不少办法但都不理想, 如经过对抽出的热空气进行过滤再加热后返回新风口, 目前虽然有的生产线已经用上, 时间长了, 还是有问题, 要解决此问题, 必须采用过滤网自动清理和过滤器的自动切换.
另外一种办法是采用白金触媒技术, 在横拉机循环风机的进口部位安装白金触媒板, 使热风中的低分子聚合物经过触媒板的孔时, 可以使低分子聚合物分解成水和二氧化碳. 这样就可以减少循环热风的排风量, 这种方法根本不适合生产量大的包装薄膜生产线, 因为它将增加很多生产成本, 只能适合生产有特殊要求的产品生产线, 虽然成本高, 但利润率也高, 也不影响市场的销售.
5. 横拉机内的无油润滑:
现在就应用的是链条轴套的无油润滑, 虽然要用二年就要更换, 但对解决油的污染起到了一定作用. 因为在横拉机内的其它部件的润滑还没有采用无油润滑的结构, 所以单独一个部件很难看出明显的效果, 如果横拉机内的所有部件都采用无油润滑, 将彻底解决油对薄膜的污染问题. 特别是高档的光学用膜, 亟待期望这种横拉机的诞生.
(二). 双向拉伸设备向专用拉伸设备发展:
通过多年生产实践证明，普通包装薄膜的生产设备已经不适合多种用途薄膜的生产了，它们也到了根据不同产品的要求，提高对产品的适应性了，有必要对双拉设备进行特定适应性的分类，来提高特殊用途薄膜的质量。
1, 高强度薄膜生产线, 薄膜强度 >270Mpa。
以提高薄膜强度为主要目的的多点拉伸, 是以现行材料为基础的提高薄膜强度最好的办法.
2，高收缩薄膜生产线，薄膜收缩率 >70%
适用于生产PETG,材料的高收缩薄膜专用生产线, 也是今后发展的方向, 目前的包装薄膜生产线有的也称可以生产PETG,材料的高收缩薄膜, 但实际没有一条线进行批量生产, 试生产的有, 改造的线也有但适用性都不理想, 材料的变化要引起工艺的变化, 工艺的变化要设备的配合, 要了解PETG,材料的拉伸特性才能从设备和工艺上解决此问题.
3，光学薄膜专用生产线，薄膜雾度 ≤1%
需要解决的是在生产中薄膜不能有污染和划伤, 提高薄膜拉伸的均匀性, 消除薄膜在光学性能上的各向异性. 在两步拉伸工艺中, 设备必须保证薄膜始终不与各辊子有相对运动, 保持薄膜在高温定型中形成的光滑表面. 同时要考虑烘箱中的低聚物浓度(如上所述).
同步拉伸工艺中拉伸前后的污染也应该同两步法一样, 需要认真解决, 划伤问题的解决要比两步法容易些, 只要在牵引上解决就可以了.
4，耐温低收缩薄膜生产线，薄膜收缩率 ≤1%
耐温低收缩率的薄膜从理论上讲不能用高速生产的, 由于热定型过程中薄膜速度太快, 结晶率达不到, 内应力消除不完全, 如果慢速生产由于风压和风量不能变化(一般调整好后就不动了.) 就引起薄膜的过度结晶, 使薄膜的韧性降低. 这也是国外薄膜生产厂家为什么各种规格的薄膜分专用生产线进行生产的原因. 从宏观上看基本差不多, 但如果详细了解掌握还是有很大区别的, 所以设备的设计也应该服从产品的需要进行不断地更新换代.