CN103724758B - 超高分子量聚乙烯薄膜的熔融挤出、拉伸成膜生产工艺及其生产装置 - Google Patents

超高分子量聚乙烯薄膜的熔融挤出、拉伸成膜生产工艺及其生产装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超高分子量聚乙烯薄膜的熔融挤出、拉伸成膜生产工艺及其生产装置，其生产工艺主要是，一方面通过引入解缠结剂石墨烯，利用石墨烯在超高分子量聚乙烯分子链之间形成有效阻隔，降低了其熔体的缠结密度及其分子链之间的粘滞阻力；另一方面引入聚乙烯蜡，进一步强化和改善石墨烯在超高分子量聚乙烯熔融相中的分散效果，促进石墨烯效用的发挥，使MFR达到0.2～2.0g/10min，满足连续挤出的工艺要求，并根据熔体的流变特征，匹配进行单向或双向拉伸成薄膜。生产装置主要通过开发出贴合熔体流变特征的成型模具，使料流和压力得以均匀分布，并匹配拉伸成薄膜。其产品质量可控、性能稳定、生产效率高、成本低，适于工业化生产。

Description

超高分子量聚乙烯薄膜的熔融挤出、拉伸成膜生产工艺及其生产装置
技术领域
本发明涉及一种超高分子量聚乙烯薄膜的生产工艺及其生产装置，尤其涉及一种超高分子量聚乙烯薄膜的熔融挤出、拉伸成膜生产工艺及其生产装置。
背景技术
超高分子量聚乙烯是一种具有优异综合性能的热塑性工程塑料，其分子量巨大，一般为100～600万或更高。超高分子量聚乙烯薄膜具有优异的耐磨性能、摩擦系数很小，结构致密、由于表面能很低，又具有良好的抗附着能力。在电子工业领域，被广泛应用于摩擦磨损的场合，例如鼠标的底部的贴膜、打印机、复印机的走纸部分精密机件的表面贴膜处理等；由于其材料本身具有的各种优异性能，超高分子量聚乙烯薄膜的应用领域十分广阔，若用在海洋工程领域，可以作为如船舶外表面的抗冲击、防锈蚀、防腐蚀包覆材料、各种海洋建筑构件的防腐、防附着、耐磨的贴面材料等；其还用于制备与食品和药物直接接触的产品。
超高分子量聚乙烯薄膜生产工艺相关技术领域的研究已经成为热门的课题。
目前，超高分子量聚乙烯薄膜的加工方法主要采用压制成型法，其工艺步骤一般分为坯料的压制成型和坯料的再加工，车削薄膜为目前最主要的加工方式。
对于车削薄膜加工方法，由于其产品的后期加工需要使用类似金属切削加工的方法，一方面，其只适合小范围或者是小面积的超高分子量聚乙烯薄膜半成品的切削加工，且由于受到切削加工精度等方面的制约，因而，其质量不稳定、且制造成本十分高昂；
另一方面，采用车削薄膜加工方法无法满足工业化生产的要求，即便进行小的生产装置进行生产，由于其半成品之后的生产过程必然不连续，因而其生产效率低，进一步制约了其生产成本的降低。特别是，其坯料的压制过程中，压制温度高和滞留时间长而易发生氧化和降解，导致质量稳定性较差。
面对用途极其广泛、性能特别优异的超高分子量聚乙烯薄膜材料，如何实现其工业化生产具有十分重大的意义。多年来，超高分子量聚乙烯材料及其相关领域的技术人员一直探索一种适于工业化生产超高分子量聚乙烯薄膜的方法。特别是，如何采用类似于传统塑料领域，通过熔融挤出成膜的工艺实现连续化超高分子量聚乙烯薄膜生产，已经成为超高分子量聚乙烯材料及其相关技术领域的技术人员一直渴望解决的技术难题。
对于如何实现超高分子量聚乙烯进行熔融挤出并制成薄膜的工艺及其匹配的设备研究方面，现有技术一直未有实质性的突破和进展。主要原因在于：
一方面，由于超高分子量聚乙烯分子之间的缠结密度十分巨大，即便是熔融态的超高分子量聚乙烯，由于其缠结密度依然巨大，使得其在宏观上表现出很大的粘度，无法进行挤出成型。
另一方面，超高分子量聚乙烯熔体的流变特征呈现非线性特征，其变化规律复杂，因此，对于其挤出并加工成薄膜，需要克服的一系列的技术问题。
发明内容
本发明的目的之一是，提供一种适于工业化连续生产应用的超高分子量聚乙烯薄膜的熔融挤出、拉伸成膜生产工艺，其具有产量高、成本低、质量可控、产品性能稳定等技术特点。
本发明为实现上述目的需要解决的技术问题是，如何改变超高分子量聚乙烯材料在熔融状态下的流动性能，即有效解决熔融状态下超高分子量聚乙烯材料本身不具有流动性这一缺陷，以获得MFR(melt mass flow rate,熔体质量流动速率)达到0.2～2.0g/10min的改性超高分子量聚乙烯熔体，从而满足超高分子量聚乙烯熔体连续挤出，以及如何根据熔体的流变特征，匹配进行单向或双向拉伸成薄膜的技术问题。
本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是，一种超高分子量聚乙烯薄膜的熔融挤出、拉伸成膜生产工艺，包括以下步骤：
a将超高分子量聚乙烯与改性剂共混后经熔融制成颗粒状的改性超高分子量聚乙烯原料；其中超高分子量聚乙烯的粘均分子量为150万以上，改性剂包括解缠结剂石墨烯、分散剂聚乙烯蜡，按重量份配比，石墨烯2～4份、聚乙烯蜡3～6份，改性超高分子量聚乙烯原料中超高分子量聚乙烯的含量大于90%；将超高分子量聚乙烯与改性剂共混后，在混炼式双螺杆造粒生产装置上熔融挤出、造粒，改性颗粒料的MFR为0.2～2.0g/10min；
b将改性超高分子量聚乙烯原料经过挤出机熔融挤出形成熔体，熔体经过薄膜成型模具挤出形成雏形膜；然后，或进入步骤c、或进入步骤d、或进入步骤e，
c雏形膜经过预牵伸，进入压延辊压延、定型，得到薄膜产品一，预牵伸的倍率为1～10倍；
d雏形膜经过预牵伸，进入压延辊压延、定型，接着进入牵引机，然后进入热拉伸箱中进行单向拉伸，得到聚乙烯薄膜产品二；其中，热拉伸箱的温度设定为90～120℃，拉伸倍率为4～20倍，聚乙烯薄膜产品二的厚度为40～60μm，抗拉强度大于300MPa，弹性模量大于100g/d；
e雏形膜经过预牵伸，进入压延辊压延、定型，接着进入牵引机，然后进入横向拉伸装置进行横向拉伸，再进行纵向拉伸，得到聚乙烯薄膜产品三；其中，横向拉伸装置的温度设定为90～120℃，拉伸倍率为3～5倍，纵向拉伸温度设定为90～130℃，拉伸倍率为3～6倍，横向与纵向拉伸比为1:1，聚乙烯薄膜产品三的厚度为20～30μm，抗拉强度大于300MPa，弹性模量大于1000MPa。
上述步骤a中，超高分子量聚乙烯优选粘均分子量在250～500万，改性超高分子量聚乙烯原料中，超高分子量聚乙烯的含量优选为95%～98%；上述步骤b中，挤出机的工作温度设定为100～270℃，薄膜成型模具挤出压力为10～50MPa。
上述技术方案直接带来的技术效果是，1、一方面，通过引入解缠结剂石墨烯，利用石墨烯在超高分子量聚乙烯分子链之间形成有效阻隔，从而有效降低了超高分子量聚乙烯熔体的缠结密度，大幅降低了其熔体中分子链之间的粘滞阻力；
另一方面，通过引入聚乙烯蜡，进一步强化和改善了石墨烯在超高分子量聚乙烯相中均匀分散效果，促进了石墨烯效用的发挥，使得MFR达到0.2～2.0g/10min，从而满足超高分子量聚乙烯熔体连续挤出的工艺要求；为后续的根据熔体的流变特征，匹配进行单向或双向拉伸提供了条件。
2、根据熔体的流变特征，匹配进行单向或双向拉伸，直至最终被拉伸成薄膜，选择不同的温度、拉伸倍率，可有效控制薄膜产品的质量并获得不同规格种类的超高分子量聚乙烯薄膜产品。
3、超高分子量聚乙烯熔体制备及其后续工序主要工艺参数之一的温度控制在较低的范围，因而克服了现有技术的坯料压制过程中，因压制温度高和滞留时间长所致超高分子量聚乙烯被氧化和降解，导致最终产品超高分子量聚乙烯薄膜的质量稳定性差的问题。
本发明的目的之二是，提供一种适于上述一种超高分子量聚乙烯薄膜的熔融挤出、拉伸成膜方法的工业化连续生产应用的生产装置。
本发明为实现上述目的需要解决的技术问题是，在实现超高分子量聚乙烯熔体连续挤出的同时，如何配套进行薄膜成型模具的开发，以解决薄膜成型工艺中的超高分子量聚乙烯熔体料流和压力均匀分布的问题；并根据熔体的流变特征所要求的工艺条件，匹配进行单向或双向拉伸成薄膜的设备选择及系统化集成的技术问题。
本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是，一种超高分子量聚乙烯薄膜的熔融挤出、拉伸成膜的生产装置，按照生产工艺流程的先后次序，包括挤出机、薄膜成型模具、压延辊、牵伸机一、恒温热箱一、牵伸机二与卷绕机；其中，上述挤出机为单螺杆或双螺杆挤出机，挤出机温度设定为100～270℃，薄膜成型模具采用直接电加热方式加热，挤出压力为10～50MPa，压延辊优选为3辊压延机，牵伸机一、二优选7辊牵伸机，恒温热箱一的温度设定为90～120℃。
一种超高分子量聚乙烯薄膜的熔融挤出、拉伸成膜的生产装置，包括挤出机、薄膜成型模具、压延辊、牵伸机一、横向拉伸装置、牵伸机三、恒温热箱二、牵伸机四与卷绕机二，按照生产工艺流程的先后次序挤出机、薄膜成型模具、压延辊、牵伸机一、横向拉伸装置、牵伸机三、恒温热箱二、牵伸机四与卷绕机二依次排布；其中，上述挤出机为单螺杆或双螺杆挤出机，挤出机温度设定为100～270℃，薄膜成型模具采用直接电加热方式加热，挤出压力为10～50MPa，压辊优选为3辊压延机；牵伸机一、三、四优选7辊牵伸机，横向拉伸装置的温度设定为90～120℃，恒温热箱二的温度设定为90～130℃。
上述薄膜成型模具，包括机头、位于机头上的主流道与位于主流道出口处的口模，在主流道内设置有阻流块，口模内的流道长度为30～100mm。
上述主流道的横截面呈入口处窄出口处宽的梯形结构，阻流块的横截面也呈梯形。
上述技术方案直接带来的技术效果是，在实现超高分子量聚乙烯熔体连续挤出的同时，开发出专用薄膜成型模具，解决薄膜成型工艺中的超高分子量聚乙烯熔体料流和压力均匀分布的问题；并贴合熔体的流变特征，匹配进行单向或双向拉伸成薄膜的设备选择及系统化集成。解决了超高分子量聚乙烯薄膜的熔融挤出、拉伸成膜方法的连续化生产过程的工艺匹配与适应、工艺参数有效控制的问题。
本发明的生产装置，具有以下有益效果：生产工艺流程简单、产品质量可控、产品性能稳定；适于工业化连续生产，因而其生产效率高、可大幅降低超高分子量聚乙烯薄膜的制造成本。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作详细的说明。
图1为本发明中的超高分子量聚乙烯薄膜的熔融挤出、拉伸成膜生产工艺的工艺流程图；
图2为薄膜成型模具的结构原理示意图，仅示出了机头下体。
具体实施方式
结合图1与图2，一种超高分子量聚乙烯薄膜的熔融挤出、拉伸成膜的生产装置，包括挤出机11、薄膜成型模具12、压延辊13、牵伸机一14、恒温热箱一15、牵伸机二16与卷绕机二17。按照生产工艺流程的先后次序，挤出机11、薄膜成型模具12、压延辊13、牵伸机一14、恒温热箱一15、牵伸机二16与卷绕机二17依次排布。其中，上述挤出机为单螺杆或双螺杆挤出机，挤出机温度设定为100～270℃，薄膜成型模具采用直接电加热方式加热，挤出压力为10～50MPa，压延辊优选为3辊压延机，牵伸机一、二优选7辊牵伸机，恒温热箱一的温度设定为90～120℃。
另外，还有一种超高分子量聚乙烯薄膜的熔融挤出、拉伸成膜的生产装置，包括挤出机11、薄膜成型模具12、压延辊13、牵伸机一14、横向拉伸装置18、牵伸机三19、恒温热箱二20、牵伸机四21与卷绕机三22。按照生产工艺流程的先后次序，挤出机11、薄膜成型模具12、压延辊13、牵伸机一14、横向拉伸装置18、牵伸机三19、恒温热箱二20、牵伸机四21与卷绕机三22依次排布。其中，上述挤出机为单螺杆或双螺杆挤出机，挤出机温度设定为100～270℃，薄膜成型模具采用直接电加热方式加热，挤出压力为10～50MPa，压辊优选为3辊压延机；牵伸机一、三、四优选7辊牵伸机，横向拉伸装置的温度设定为90～120℃，恒温热箱二的温度设定为90～130℃。
上述各设备中的薄膜成型模具，包括机头2、位于机头上的主流道6与位于主流道出口处的口模3，在主流道内设置有阻流块4，口模内的流道长度为30～100mm。优选地，上述主流道的横截面呈入口处窄、出口处宽的梯形结构，阻流块的横截面也呈梯形。更为具体地，机头与挤出机通过紧固件1进行连接，机头由机头上体与机头下体组成，机头上体与机头下体通过紧固螺栓5固定在一起。上述阻流块用于改变流体的流动方向，使物料到达口模处料流和压力分布均匀。上述口模内的流道的长度须根据加工物料的性质，进行设定，优选为50mm。
实施例1
选取粘均分子量300万的超高分子量聚乙烯95份（重量份）与石墨烯2份、聚乙烯蜡（分子量3000）3份共混后在混炼式双螺杆挤出机中混炼、造粒，制得颗粒状的超高分子量聚乙烯改性料。
将改性后的超高分子量聚乙烯原料，利用单螺杆挤出机挤出形成熔体，熔体经过薄膜成型模具挤出形成雏形膜，螺杆长径比为30:1，四区温度分别设定为100、180、240、270℃，挤出压力设定为10MPa，预牵伸倍率为5倍，冷却，经过压延辊压延、定型，通过卷绕机一23卷取，得到厚度为0.2mm的聚乙烯薄膜产品一。
实施例2
选取粘均分子量300万的超高分子量聚乙烯93份（重量份）与石墨烯3份、聚乙烯蜡（分子量3000）3份共混后在混炼式双螺杆挤出机中混炼、造粒，制得颗粒状的超高分子量聚乙烯改性料。
将上述改性料利用单螺杆挤出机挤出形成熔体，熔体经过薄膜成型模具挤出形成雏形膜，螺杆长径比30:1，挤出压力设定为20MPa，预牵伸倍率为2倍，冷却，压延辊定型，经过牵引机一、恒温热箱一及牵伸机二，最后通过卷绕机二17卷取；恒温热箱一温度设定为100±2℃，拉伸倍率设定为10倍，冷却，得到厚度为40～60μm的超高分子量聚乙烯薄膜产品二，薄膜抗拉强度大于300MPa，弹性模量大于1000MPa。
实施例3
选取粘均分子量300万的超高分子量聚乙烯92份（重量份）与石墨烯4份、聚乙烯蜡（分子量3000）4份共混后在混炼式双螺杆挤出机中混炼、造粒，制得颗粒状的超高分子量聚乙烯改性料。
将上述改性料，利用双螺杆挤出机挤出形成熔体，熔体经过薄膜成型模具挤出形成雏形膜，双螺杆挤出机温度设定为100～270℃，挤出压力设定为25MPa，预牵伸倍率为2倍，冷却，压延辊定型，经过牵伸机一后，接着进入横向拉伸装置，温度设定为100℃，拉伸倍率为4倍，再经过牵引机三、恒温热箱二及牵伸机四，最后通过卷绕机三22卷取；温度设定为120℃，拉伸倍率为5倍，冷却，后续处理，得到厚度为20～30μm的超高分子量聚乙烯薄膜产品三，薄膜抗拉强度大于300MPa，弹性模量大于1000MPa。
需要说明的是，上述一种超高分子量聚乙烯薄膜的熔融挤出、拉伸成膜的生产装置中，仅仅包括全部的主机设备，其他各类配套附属辅机设备及其配套方式等，均可借鉴或直接通过现有技术实现。

Claims (2)

1.一种超高分子量聚乙烯薄膜的熔融挤出、拉伸成膜生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：
a.将超高分子量聚乙烯与改性剂共混后经熔融制成颗粒状的改性超高分子量聚乙烯原料；其中超高分子量聚乙烯的粘均分子量为150万以上，改性剂包括解缠结剂石墨烯、分散剂聚乙烯蜡，按重量份配比，石墨烯2～4份、聚乙烯蜡3～6份，改性超高分子量聚乙烯原料中超高分子量聚乙烯的含量大于90％；将超高分子量聚乙烯与改性剂共混后，在混炼式双螺杆造粒生产装置上熔融挤出、造粒，改性颗粒料的MFR为0.2～2.0g/10min；
b.将改性超高分子量聚乙烯原料经过挤出机熔融挤出形成熔体，熔体经过薄膜成型模具挤出形成雏形膜；然后，或进入步骤c、或进入步骤d、或进入步骤e，
c.雏形膜经过预牵伸，进入压延辊压延、定型，得到薄膜产品一，预牵伸的倍率为1～10倍；
d.雏形膜经过预牵伸，进入压延辊压延、定型，接着进入牵引机，然后进入热拉伸箱中进行单向拉伸，得到聚乙烯薄膜产品二；其中，热拉伸箱的温度设定为90～120℃，拉伸倍率为4～20倍，聚乙烯薄膜产品二的厚度为40～60μm，抗拉强度大于300MPa，弹性模量大于1000MPa；
e.雏形膜经过预牵伸，进入压延辊压延、定型，接着进入牵引机，然后进入横向拉伸装置进行横向拉伸，再进行纵向拉伸，得到聚乙烯薄膜产品三；其中，横向拉伸装置的温度设定为90～120℃，拉伸倍率为3～5倍，纵向拉伸温度设定为90～130℃，拉伸倍率为3～6倍，横向与纵向拉伸比为1:1，聚乙烯薄膜产品三的厚度为20～30μm，抗拉强度大于300MPa，弹性模量大于1000MPa。
2.根据权利要求1所述的一种超高分子量聚乙烯薄膜的熔融挤出、拉伸成膜生产工艺，其特征在于，上述步骤a中，超高分子量聚乙烯粘均分子量在250～500万，改性超高分子量聚乙烯原料中，超高分子量聚乙烯的含量为95％～98％；上述步骤b中，挤出机的工作温度设定为100～270℃，薄膜成型模具挤出压力为10～50MPa。
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