CN102105292B - 用于制造聚合物薄膜的方法和设备,该聚合物薄膜定向成与它的纵向方向成一定角度 - Google Patents

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Abstract

柔性管形薄膜(10)这样螺旋切割成平条带，即通过：由翻转开卷机(1)将管形薄膜开卷成平展形式；使得该薄膜管前进至管膨胀区域(17)，平的管在该管膨胀区域中膨胀成圆柱形管，并轴向经过空心心轴(14)上，该空心心轴的外径稍微小于膨胀的管的直径，以便当在心轴上时通过刀(18)而螺旋切割成平条带，该平条带以与心轴轴线成一定角度地除去。平的管通过拉伸辊(107-112)来纵向拉伸，该拉伸辊与翻转开卷机一起翻转。该设备还包括稳定装置，用于在薄膜条带从心轴拉开之后稳定由翻转拉伸辊施加在被螺旋切割的薄膜条带上的定向。

Description

用于制造聚合物薄膜的方法和设备,该聚合物薄膜定向成与它的纵向方向成一定角度
技术领域
本发明的目的由标题可知。
背景技术
倾斜定向的薄膜主要用于交叉积层的制造，其中两个或更多这样的薄膜以使得它们的定向方向彼此交叉的方式连续的集合在一起。结合可以通过在定向薄膜相交的位置处挤出联结薄膜来进行(即“挤出层积”)或通过穿过共同挤出的表面层的热和压力来进行。产生交叉积层的技术在由WIPO公开的WO08/006858(Rasmussan)中广泛介绍。已经在工业上用于交叉积层中的薄膜的聚合物组分主要基于HDPE、LLDPE(和两者的混合物)或晶状PP。
几乎所有工业上使用的交叉层积技术都使用定向管形薄膜的螺旋切割。授予该工艺的第一专利是GB816607(Rasmussen)，它要求1954年的优先权。实施该工艺的最实际方法和用于该工艺的设备由US5248366(Rasmussen)和US5361469(Rasmussen)已知，它们都要求1988年的优先权。在本发明权利要求1的前序部分中所述的步骤由这些专利已知。
制造用于交叉积层的倾斜定向薄膜需要在层压之前稳定方向，否则在积层中的不同薄膜将在卷轴上储存时逐渐积累内部拉伸力，该拉伸力在不同薄膜中有与薄膜的不同定向方向相对应的不同方向，这将使得积层在从卷轴上释放时有很强的卷曲或卷起趋势。已知对于普通技术，这种稳定的至少一部分必须在定向的展平(lay-flat)管卷绕之前进行，否则在卷轴上的薄膜将变形，且卷轴的芯甚至可能压坏。
如WO05/102669(Rasmussan)中所述，拉伸优选是在相对较低温度下进行，对于HDPE或PP薄膜，该温度优选是在大约20-50℃的范围内，因为这产生最佳的全面强度特性。该全面强度特性是指拉伸强度、屈服点、撕裂传播阻力和穿刺阻力的合适组合。不过，选择较低温度使得稳定条件的选择更困难，太低的稳定将使得最终的交叉积层具有很高的卷曲趋势，而太高的稳定将使得薄膜太容易裂开，从而降低交叉积层的撕裂传播阻力。该问题部分在于，在具有相对较高薄膜速度的工业条件下，沿薄膜的机器方向(即与薄膜的定向方向平行)必须有非常高的拉伸力。
发明内容
本发明的主要目的是减小这种稳定问题，但是还有使得交叉积层的制造中的生产步骤合理化的目的。这在制造特别薄的交叉积层并因此利用强度优势来节省原材料成本时特别重要。这时，重要的是该节省不会由于过多加工成本而被大部分抵消。
在本发明之前的试验中，本发明人在20℃下拉伸相对较短长度的展平管形0.10mm厚HDPE薄膜，并使它在没有稳定的情况下卷绕。然后，马上将它在45°下进行螺旋切割，再通过使它经过70℃的热辊(该热辊相互紧密间隔)而稳定。已经发现，稳定因此变得更有效，且可裂开性更低。
根据该发现，本发明包括在翻转开卷机中执行拉伸，该翻转开卷机与螺旋切割结合使用，并在螺旋切割后执行稳定。更具体地说，本发明涉及一种制造聚合物薄膜的方法，该聚合物薄膜单轴定向成与它的纵向方向成一定角度，其中，展平管形薄膜在拉伸辊之间纵向定向并进行稳定，它定向后被螺旋切割，即通过首先在开卷台架(5)中从卷轴(9)上开卷，该开卷台架(5)进行翻转运动，以便使得平展管环绕它的纵向延伸中间线旋转，然后通过拖到心轴(16)上和以螺旋运动均匀推进而膨胀。因此，在薄膜表面上的各点遵循螺线形，并通过位于固定位置的刀(18)来进行切割，然后，螺旋切割的薄膜从心轴拉出。本发明的特征在于所述拉伸辊(108至112)组装在翻转开卷台架中，以便执行定向，作为在展平薄膜的开卷和膨胀之间的步骤，特征还在于在螺旋切割之后进行稳定。
对于开卷台架，可以有两种在原理上不同的结构，它们都在上述各美国专利No.5248366和5361469(图1和3)中所示。在图1中，将开卷的卷轴组装在翻转开卷台架中，且卷轴的轴线垂直于旋转轴线，而在图3中，卷轴的轴线与台架的旋转轴线重合，并安装有旋转器，该旋转器使得薄膜转动，这样，薄膜的中间线与开卷机的旋转轴线重合。
在所述两个美国专利中，展平管通过空气而膨胀至管形，该空气连续吹动通过空心的心轴。该空气通过在心轴的外表面和管形薄膜的内表面之间的空间而吹回给外部环境，因此，薄膜朝向切刀经过心轴上将得到空气润滑。而且，薄膜在膨胀过程中通过传送器皮带来引导。这两个预防措施(使用吹动的空气和支承皮带)也为优选，但是并不必须用于本发明中。也可选择，环绕心轴的顶端布置的引导轮的环可以执行管形薄膜的膨胀和螺旋推进。这些轮必须根据开卷台架的旋转并根据使得薄膜在该台架中开卷的装置被驱动。
已经发现，被螺旋切割的未稳定薄膜可以卷绕在卷轴上而并不引起任何变形，因为沿新机器方向的弹性系数(E)较低，因此所需的稳定可以在单独的处理线路中进行，但是通常稳定将与螺旋切割在一条线路中进行。
通常但不必须，稳定通过加热而形成，优选是通过使得薄膜以S形路径在一系列紧密间隔的加热辊上面经过。当这些辊也使得薄膜沿新机器方向有很小拉伸(优选是在5-10％的拉伸之间)时，将获得最好的结果。这用于“熨平”薄膜中的较小褶或其它不规则部分，同时这将减小可裂开性。
特别是当希望薄膜有压花结构时可用于进行稳定的一种可选方法是通过在相互啮合的圆形或螺旋形有槽辊之间横向拉伸而拉伸该薄膜。因此，尖锐边缘的有槽辊产生最明显的压花和最有效的稳定。
在本发明的一个实施例中，在开卷台架中的拉伸将在该薄膜以S形路径经过的、紧密间隔的有槽辊之间进行。在开卷台架中进行开卷和拉伸之间，薄膜可以在它的整个宽度上提供有纵向延伸的褶，各褶的尺寸充分细小，且褶的分布充分均匀，以便使得褶在拉伸过程中消失。通过该预防措施，薄膜能够遵循它的固有趋势来降低它的宽度，同时使得长度延伸，且这有利于定向处理。在纵向拉伸之前使得薄膜起褶的方法在US3233029(Rasmussen)和WO09/056601(Rasmussen)中介绍。
由前述可知，本发明特别用于拉伸和螺旋切割低规格薄膜，其中，主要简化了制造工艺并降低了机器成本。这样的低规格薄膜已经具有相对较高的熔融定向，因此在翻转开卷台架中的拉伸率将相对较低，例如在1.5∶1和2.5∶1之间。因此，褶的所需深度较低，用于起褶的装置相对简单。
不过，在开卷台架中在紧密间隔的平滑辊之间的拉伸也可以在薄膜没有预先起褶的情况下进行。这意味着展平管的边缘将比其余部分更厚，因为它们减小了横向尺寸，而薄膜的其余部分不是这样。因此，在边缘处的厚度减小将小于在薄膜的其余部分的厚度减小。在普通的拉伸步骤中(其中并不进行薄膜的旋转和螺旋切割)，这意味着不可能进行拉伸薄膜的整齐缠绕，因为在边缘处的厚度将积累，并逐渐使得薄膜变形。当使用本发明时，展平管的边缘也将比其余部分更厚，但是在螺旋切割后，初始边缘将与机器方向形成一个角度，因此当薄膜在卷轴上缠绕时厚度差并不进行积累。
在本发明的另一实施例中，在开卷台架中的拉伸的至少一部分在提供有嵌齿的一对或多对辊之间进行，这些嵌齿沿辊轴线的方向延伸，因此，在各对辊中的嵌齿相互啮合。同样在这种情况下，薄膜可以在遇到第一对嵌齿辊之前提供有纵向延伸的褶，或者也可选择，拉伸可以在没有这样起褶的情况下进行。
这种嵌齿辊拉伸(它本身为现有技术)的结果通常是在薄膜中，定向的程度顺序变化。这可能在特殊情况下是一个优点，即当希望有压花结构时。还应当知道，还有这样的已知技术，其中，串联工作的两对嵌齿辊将配合成使得它们一起形成几乎均匀的拉伸薄膜。
不论使用本发明的哪一个上述实施例，可以用于大部分用途的薄膜的合适组分有利地包含50％或更多的HDPE、LLDPE或结晶PP，因为这些聚合物的价格相对较低，它们的可拉伸性非常好，且可获得很高强度。
附图说明
下面将参考附图更详细地介绍本发明，附图中：
图1是示出在生产线中执行的所有工艺步骤的流程图。
图2是示出用于执行从开卷挤出的展平管至在心轴上螺旋切割的工艺步骤(参考图1的流程图)的设备在从上面看时的示意原理图。为了简化附图，该图示出了螺旋切割薄膜在稳定之前进行缠绕，如可能实际进行的，尽管稳定通常与螺旋切割一起进行。
图3示出了图2的拉伸系统(辊107至112)的变化形式，即在该系统中，拉伸将部分在相互啮合的嵌齿辊(103和104)之间进行。应当知道，辊(101)至(106)安装在“翻转台架”(1)上，这样，它们代替辊(107)至(112)。
具体实施方式
参考图1，直到包括“在心轴上螺旋切割”的步骤将结合图2介绍。
步骤“稳定”通常的意思是通过加热而稳定，但是当可以接受或者甚至希望压花形状的薄膜时也可以通过在相互啮合的有槽辊之间经过而进行稳定，且在非常特别的情况下可以选择通过辐射而稳定。
通过加热来稳定通常是通过经过加热至例如70-90℃且相互紧密间隔的一系列辊上来进行。在该经过过程中，薄膜优选以通常在1.05∶1和1.2∶1之间的比率被拉伸，因为这能够在降低裂开性的同时提高稳定。辊以与图2中所示用于翻转拉伸辊(107)-(112)的类似的方式布置。通过在相互啮合的有槽辊之间经过而稳定通常将使用圆形有槽辊，且在这种情况下，在各辊上的槽的节距在机械上可以降低至大约1.0-1.2mm，这是有利的。不过，槽也可以为螺旋形。这样的有槽辊的稳定可以在环境温度或升高的温度下进行。
方框“可选的其它步骤”包括不同的选择。一种是压花。第二种是沿定向方向纤丝化，以便形成纤维网络，如纤丝化定向薄膜领域已知。不过，最重要的是，该选择步骤可以存在于与类似的、同时制造的倾斜定向薄膜的交叉层积中。不过，交叉层积也可以随后在单独的生产线中进行。
图2的设备包括“翻转台架”单元(1)，该翻转台架单元(1)具有在一端的轴(2)，并绕由柱(3)通过重型滚柱轴承(4)支承的轴的轴线而旋转。柱(3)安装在房间的地板上。为了简化，开卷单元(1)示出为具有壳体，该壳体包括端板(5)和两个侧板(6)。附图示出了在旋转时当这些侧板处于水平位置时的单元，只有由虚线表示的上部板可以看见。实际上，对于板来说，主要为型钢的框架可以是优选的，因为它更轻和更方便。
“翻转台架”单元(1)包括后面将介绍的辊，该单元太重，以至于不能只通过重型滚柱轴承(4)来支承，因此通过一个或多个大钢环来补充该支承，大钢环环绕旋转开卷单元并形成其一部分，并且大钢环在多个支承辊或支承轮上竖立并滚转，因此用作轴承环。也可选择，固定在地板上的支承件可以形成一个或多个轴承环的一部分，辊或轮的一个或多个圆形阵列在该支承件上竖立和滚转，该辊或轮环绕并安装在旋转开卷单元上。这样的系统在US5248366(Rasmussen)和US5361469(Rasmussen)的图3中所示，但是为了简明，在本发明的图2中未示出。
支承柱(3)承载固定齿轮(7)，该固定齿轮(7)与安装在端板(5)上并因此进行行星运动的另一齿轮(8)啮合。齿轮(8)向单元(1)中的各辊和轮提供驱动，但是为了简化，用于这些运动的传动装置未示出。
展平的、挤出管形片材(10)的卷轴(9)通过轴承而安装在侧板中，并提供有制动器，该轴承和制动器未示出。平片材(10)通过一组夹辊(107)和(108)而从卷轴(9)上取出，该夹辊(108)是从动钢辊，该夹辊(107)是涂覆有橡胶的惰辊。
钢辊(109)与钢辊(108)紧密间隔，并以相同的圆周速度驱动。钢辊(110)以选择成产生所希望的拉伸比(可通过更换齿轮或链轮而改变)的更高圆周速度来驱动。钢辊(111)以与钢辊(110)相同的圆周速度来驱动，以便吸收一部分拉伸力，且辊(112)是涂覆有橡胶的夹辊。夹辊(11)以与辊(111)和(112)相同的圆周速度旋转。
为了避免辊(109)和(110)的逐渐加热，重要的是各辊通过循环的冷却/加热流体(优选是水)而保持在恒定温度。为了使水进出“翻转台架”(1)，轴(2)必须包括同心管，并通过旋转配件连接。
不过，最有利的是布置有一个用于辊(108)和(109)以便允许在升高温度下拉伸的循环水系统以及另一个用于辊(110)和(111)以便冷却拉伸的薄膜的循环水系统，两个系统都经过轴(2)和旋转配件。为了简明，这些循环系统未示出。
在卷轴(9)和拉伸辊的线中的第一辊(107)之间，薄膜(10)可以提供有细小和均匀分布的褶，这些褶在纵向拉伸过程中能够允许横向收缩。用于这样起褶的装置如上面在US3233029和WO09/056601中所述。当薄膜已经接收基本纵向的熔融定向，且因此在“翻转开卷机”中的拉伸比例限制为例如在1.5∶1和2.5∶1的范围内时，起褶装置可以简化成例如包括冠形惰辊和一对相互啮合的有槽辊，如上述US3233029中所述。
在齿轮(8)和辊(11)之间的传动装置确定了切割角度。优选是，齿轮比形成为可变，例如通过提供改变齿轮的可能性。还有柱形切割心轴(14)，用于使得片材(10)膨胀的空气射流由风扇(13)例如离心风扇通过心轴而朝着辊(11)吹动。
心轴通过柱(15)而安装在地板上，且与在它上面滑动的管形片材(10)进行相对紧密配合。空气将通过在心轴和片材之间的狭窄空间逸出，并将产生润滑效果。心轴的顶端(16)可以倒圆，以避免挂住片材。
可以看出，膨胀的管(23)的轴线至少基本与开卷单元1的旋转轴线重合，且展平管形薄膜(10)的中间线经过辊(11)之间。
为了获得膨胀管形片材的平滑螺旋运动，非常优选的是(当片材较宽时甚至可能必须)提供从第一位置至管膨胀的位置的从动支承件。用于膨胀管的合适支承件可以是一对皮带，且如图1中所示有两对从动皮带(17)，这两对从动皮带(17)支承管对抗从心轴(14)朝着第一位置的、往回的空气力，并促使管的形状从扁平形状至柱形形状平滑变化。皮带以与片材大致相同的速度驱动，或者以更大速度驱动。代替使用两组皮带，也可以使用一对单个的皮带或者两组具有相对较小直径的辊(只需要驱动最后一个辊)。对于相对狭窄的平片材，一对较大直径的从动筒形辊就足够了。
管形片材通过在支承件(18)上的简单的刀或刀片来切割，该刀或刀片有利地可以以可调节角度固定在心轴上。在图中在刀的左侧示出的边缘(19)成为最终片材的右边缘，该边缘19首先向下运动并到达切割心轴的下面。刀可以旋转或振动，以便执行锯切动作。
切割片材通过示意示出的从动缠绕单元(20)来拉动。如上所述切割角度由在单元1和辊11的旋转速度之间的比率来确定，但是刀或刀片的方向以及由单元(20)施加的拉力的方向也必须进行调节，使得它们大致适合旋转确定的切割角度。缠绕单元(20)包括张力调节辊(21)和两个辅助惰辊(22)，以便控制缠绕器(20)的速度，并因此设定有利的拉伸力。
通过合适调节管内部的空气压力(相对于管周围的环境空气压力)，可以由单元(20)施加较高拉伸力(除了片材非常易破裂的情况，这时必须采用更低拉伸力)。因此，当切割的平片材为大约100微米规格和1m宽时，通常可施加从5至20kg/m最终宽度的拉伸力。
在图3中示出的辊布置可以代替图2中从辊(107)至辊(112)的辊布置。甚至可以布置成使得两种辊布置可以方便地在同一翻转开卷机(1)中相互替换。
薄膜(10)可以在较细和均匀起褶的状态下进入夹辊(101)和(102)，如上所述。辊(102)是从动钢辊，而辊(101)是涂覆有橡胶的惰辊。辊(103)和(104)是从动嵌齿辊，即有轴向槽的辊，该嵌齿平行于轴线延伸，并在操作过程中相互啮合。辊(105)和(106)是夹辊，辊(105)是从动钢辊，辊(106)是涂覆有橡胶的惰辊。
在辊(102)和(103)之间建立拉伸，该拉伸大约处于用于使得薄膜产生永久性伸长的极限。主要的永久性伸长通常将由在辊(103)和(104)上的嵌齿之间的相互啮合来产生，但是一些进一步的永久性伸长可以通过在辊(104)和辊(106)之间的拉伸来产生。

Claims (24)

1.一种制造聚合物薄膜的方法，该聚合物薄膜单轴定向成与它的纵向方向成一定角度，在该方法中，薄膜以展平管的形式在拉伸辊之间进行纵向定向，随后进行单独的稳定步骤，和螺旋切割步骤，所述螺旋切割通过以下方式实现：首先从安装在开卷台架(1)中的卷轴(9)上开卷展平管形薄膜，其中该开卷台架进行翻转运动，以便使得展平管环绕它的纵向延伸的中间线旋转，然后展平管形薄膜通过被拖到心轴(14)上而膨胀并以螺旋运动均匀推进该展平管形薄膜，因此，在薄膜表面上的各点遵循螺旋线，然后通过位于固定位置的刀(18)来切割该展平管形薄膜，然后，此时被定向成与它的纵向方向成一定角度的薄膜从心轴拉出，该方法的特征在于
(1)所述拉伸辊(107－112，101－106)组装在开卷台架(1)中，以便执行定向，作为在展平管形薄膜的开卷和膨胀之间的步骤，
(2)在拉伸期间展平管形薄膜处于直的未起褶的状态，以及
(3)在螺旋切割步骤之后进行稳定步骤，而在螺旋切割之前不执行任何实质的稳定步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述稳定与螺旋切割在一条线路中进行。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述稳定通过加热而进行。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述稳定通过使得薄膜以S形路径在一系列紧密间隔的加热辊上经过来进行。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：薄膜在该经过过程中沿新机器方向被拉伸。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：沿新机器方向的拉伸在5－20％之间。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述稳定通过在相互啮合的有槽辊之间横向拉伸来进行，其中所述有槽辊的槽为圆形或螺旋形。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述有槽辊具有尖锐边缘。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在开卷台架中的拉伸在薄膜以S形路径经过的、紧密间隔的平滑辊之间进行。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：拉伸的至少一部分在提供有嵌齿的一对或多对辊之间进行，所述嵌齿沿辊轴线的方向延伸，在各对辊中的嵌齿相互啮合。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：薄膜重量的50％或更多由HDPE、LLDPE或结晶PP构成。
12.一种用于执行权利要求1至11中任意一个所述的方法的设备，包括：开卷台架(1)，展平管形薄膜的卷轴(9)能够安装在该开卷台架中，开卷台架包括翻转开卷装置，该翻转开卷装置布置成使得展平管形薄膜开卷，并使展平管形薄膜绕其纵向延伸的中间线(23)旋转；心轴(14)；用于打开拉出的薄膜以便形成开口管和用于将开口管以螺旋运动拖到心轴上的装置；刀(18)，该刀位于固定位置，用于螺旋切割开口管；以及用于将被螺旋切割的薄膜从心轴拉开的装置；其特征在于：所述设备包括拉伸辊(107－112、101－106)，所述拉伸辊安装成用于与翻转开卷装置一起翻转，用于在展平管形薄膜从卷轴上开卷之后和在打开以便拖到心轴上之前在直的未起褶的状态中沿纵向方向拉伸该展平管形薄膜，其特征还在于：所述设备包括稳定装置，用于在被螺旋切割的薄膜以不稳定的状态从心轴拉出后在被螺旋切割的薄膜中稳定由拉伸辊施加的定向。
13.根据权利要求12所述的设备，其中：稳定装置与刀在一条线路中提供。
14.根据权利要求12或13所述的设备，其中：稳定装置包括至少一个加热辊，所述加热辊布置成向被螺旋切割的薄膜提供S形路径。
15.根据权利要求14所述的设备，其中：稳定装置包括多个加热辊。
16.根据权利要求14所述的设备，其中：稳定装置布置成向被螺旋切割的薄膜施加纵向拉伸。
17.根据权利要求16所述的设备，其中：该纵向拉伸的量在5至20％的范围内。
18.根据权利要求12或13所述的设备，其中：稳定装置包括相互啮合的有槽辊，所述有槽辊具有用于横向拉伸被螺旋切割的薄膜的圆形或螺旋形槽。
19.根据权利要求18所述的设备，其中：所述有槽辊具有尖锐边缘的脊。
20.根据权利要求12所述的设备，其中：拉伸辊包括至少一对平滑表面的辊(107－112、101－102、105－106)，所述至少一对平滑表面的辊布置成使得展平管形薄膜从它们之间以S形路径经过。
21.根据权利要求12所述的设备，其中：拉伸辊包括一对嵌齿辊(103－104)，该对嵌齿辊具有平行于轴线延伸的相互啮合的槽，展平管形薄膜在该相互啮合的槽之间被纵向拉伸。
22.根据权利要求12所述的设备，其中：展平管形薄膜的卷轴(9)安装在开卷台架中，且卷轴的轴线垂直于开卷展平管形薄膜的纵向延伸的中间线(23)，并且卷轴用于翻转，这样，卷轴的轴线绕所述中间线旋转，以便用作翻转开卷装置。
23.根据权利要求12所述的设备，其中：展平管形薄膜的卷轴安装在开卷台架中，且卷轴的轴线固定，这样，卷轴与开卷的展平管形薄膜的所述纵向延伸的中间线对齐，且翻转开卷装置绕卷轴旋转，因此展平管形薄膜旋转。
24.根据权利要求12所述的设备，还包括：空气供给装置(13)，用于供给空气通过心轴，以便使得薄膜的管膨胀。
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