CN104552909B - 用于在固态中纵向拉伸薄膜的方法和实现该方法的装置 - Google Patents

Abstract

一种在使用拉伸辊的情况下通过在固态中拉伸来为热塑性聚合物薄膜提供纵向定向的方法和装置，其特征在于：至少一个拉伸辊具有40mm或更小的直径，并且该拉伸辊由多个短支撑辊所支撑，所述短支撑辊沿该拉伸辊的长度组装，且所述短支撑辊的轴线互相移置以贴抵所述拉伸辊。该方法和装置能够获得高抗拉强度、屈服点、抗破裂延伸性及抗刺穿性，特别是针对聚乙烯和聚丙烯薄膜。

Description

用于在固态中纵向拉伸薄膜的方法和实现该方法的装置

本申请是名称为“用于在固态中纵向拉伸薄膜的方法和实现该方法的装置”、国际申请日为2010年5月6日、国际申请号为PCT/EP2010/056220、国家申请号为201080019726.X的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及用于热塑性薄膜材料的纵向定向的方法和装置，具体是涉及已被在相对低温下单轴拉伸的薄膜的交错积层的制造。

背景技术

已知在交错积层中的最佳全方位强度性能是通过如下的定向步骤来获得：首先在由挤出模下抽时进行强烈的几乎单轴熔化定向，或更好是当该聚合材料半熔化时进行几乎单轴的定向，然后在更低的温度下进行进一步定向。“全方位强度性能”这里是指抗拉强度、屈服点、抗破裂延伸性和抗刺穿性的组合。很难给出满意的说明为何这些定向步骤的组合是优选的，但可以简要地说，当在这些步骤中进行定向时，分子链将会展现不同定向程度的宽光谱，且那些相对较低定向的在该薄膜受到撕裂或刺穿力时将会帮助其重新定向而不是裂开。

但是，在低温拉伸会造成重大问题，例如在主要由高密度聚乙烯(HDPE)或等规或间规的聚丙烯(PP)所构成的薄膜中。这个问题的一个方面是，当薄膜被纵向拉伸时，其具有很高的倾向会在横向收缩，同时其厚度会减少。此倾向在温度低时最高，例如在10-40℃之间，考虑到所实现的性质，这是HDPE和PP的最佳拉伸温度。该问题的另一方面是，在这些低温度下，该材料将会“缩幅”，而不是在合理的长区域中逐渐地形成定向。这意味着拉伸必须在紧密间隔的拉伸辊或拉伸杆之间发生，而除非采取特殊的预防措施，这将会阻止该薄膜在横向进行所需的收缩。

在公开于大约40年前的US 3233029(Rasmussen)中，提出了解决该问题的建议，即通过在拉伸之前在一个或更多个短拉伸区域中纵向打褶，来“预期”薄膜会横向收缩的大部分。

在US 3233029中，所述的打褶机构由两组盘组成，它们相间隔开地安装在轴上，一组在要被打褶的薄膜上方且另一组在薄膜下方，使得一组中的盘咬合在另一组中的盘之间。由此薄膜会被迫来形成皱褶或褶皱。该专利还公开了薄膜优选通过一冠状辊，该冠状辊适于使这些边缘上的应力等同于薄膜的中间的应力。冠状意指该辊在其中间具有最大的直径，该直径会朝其两端逐渐地减小。最后该专利公开了薄膜优选在该拉伸区域中被冷却，这可通过以毛毡覆盖拉伸杆并保持该毛毡湿润来方便地实现。水分也由于其润滑作用来协助使得薄膜横向收缩，这将会消除该皱褶。没有皱褶会保留在最终产品中。

本发明人成功地将盖旧发明应用于柔性化的HDPE和PP，但仅在相对窄的宽度中，不足以用于例如交错积层的工业用袋或交错积层的保护层的工业生产。当尝试将该发明应用于较硬薄膜，譬如由平HDPE或PP制成的薄膜，或尝试将其应用于更大宽度(例如1m宽)的薄膜上时，薄膜所施加的横向力总会造成薄膜的以纵向延伸线形式的横向拉伸。似乎应用纵向打褶以容许薄膜在纵向拉伸时横向收缩的原理迄今为止只能在某些条件下被工业性地实施，这些条件还会造成横向拉伸并沿细窄的纵向线变薄。

也公开于大约40年前的GB 1062936(Rasmussen)由另一角度解决有关HDPE或等规PP薄膜的低温拉伸问题。这包括通过使得薄膜在张力下经过沿薄膜的移动方向起皱褶的表面上方，而使该薄膜在均匀间隔的纵向区域中受到初始拉伸，情况是薄膜在经过在薄膜与皱褶的隆起部分相接触的区域中的表面时开始定向，而在中间的区域中基本上不会。

该专利作出以下解释，这产生呈“横跨薄膜的整个宽度的剪切线或微观颈缩区域的基本规则的图案”形式的定向，这“有利于用以产生强定向的后续拉伸程序”。

该专利在发明内容和权利要求中陈述，该起皱褶表面可为凹槽杆，或交叉沟纹辊。但是，具体实施例部分只描述了使用凹槽杆，该专利并未包含可应用的凹槽辊的尺寸和实际构造的任何指示。在具体实施方式部分中，该凹槽杆安装成紧邻于输送薄膜的辊。

其例子涉及拉伸1m宽的添加10％聚异丁烯的HDPE薄膜。此例子现在被重复，使用以吹胀率1：1挤出的管状膜，而该旧专利的所声称的优点被再次证实。但是，若使用类似的薄膜但以吹胀率1.4：1来挤出，则定向会变得不规则。当进一步改变来吹出由平HDPE制成的薄膜时，该工艺会对薄膜造成损害。值得注意的是，吹胀率1：1并非在挤出薄膜时通常使用的，部分是因为该挤出模的所需尺寸，且部分是由于该薄膜的厚度的较差控制。

另一缺点应被提出，即当拉伸以工业速度在固定杆上进行时，会发生摩擦热的无限发展。

在WO2009/056601(Rasmussen等人)中，其在本案申请时尚未被公开，上述的第一个发明已被进一步发展。其改良的特征是在于，宽度的减少在减小区域内逐渐地发生，该减小区域不短于原始薄膜宽度的一半，该区域被上游辊组件及以不同的转轴方向安装的下游辊或辊组件所限制，此方向在该薄膜中央会与该机器方向形成90°的角度，且在该减小区域内会朝其边缘逐渐地改变从而以收敛方式递送薄膜。优选该宽度减小区域形成于两同心设置的“香蕉”辊之间，且优选有多对互相啮合的凹槽式香蕉辊引导薄膜通过此区域。所有的这些凹槽式香蕉辊都与在该宽度减小区域的上游和下游端的这些香蕉辊同心。

WO2009/056601还具有这样的特征，即打褶可在多个步骤中通过多组凹槽式辊来实施，其中各组中的凹槽的节距可互相不同从而由较粗的打褶发展至较细的打褶。

在薄膜表面不会太摩擦性且该薄膜不会太厚的情况下，在WO2009/056601中记载的方法通常将足以实现完全令人满意的拉伸结果，即使当平HDPE或PP薄膜在大约室温被拉伸时。但是，为了迭层目的，薄膜可具有低熔点且因而较具摩擦性的表面层。这可能会阻抗这些皱褶的消除，其应在该薄膜变成纵向定向时会因横向收缩而发生。该拉伸主要在薄膜被拉曳通过在该拉伸区域的上游端中的辊时来发生，因此在薄膜与该辊间的高摩擦力会是有害的。为克服此问题这些皱褶在这种情况下必须在实际中尽可能地细微。

发明内容

本发明的、通过在固态中拉伸来为热塑性聚合物薄膜提供纵向定向的改进方法包含以下已知的特征：该方法的至少一个拉伸操作在薄膜于一个或更多个短区域中前进时发生，所述短区域在两个或更多个拉伸辊上及/或之间，其中由边缘至边缘沿直线测得的宽度在该拉伸之前呈纵向延伸的皱褶图案的形式而减少。

在使用凹槽辊的情况下，至少部分形成这些皱褶，凹槽辊即具有呈圆形顶部和凹槽的图案的波纹状表面的辊。

本发明的特征在于：在所述拉伸操作中，皱褶的形成在至少两个步骤中产生，最后的步骤通过使前进的薄膜在纵向张力下卷绕凹槽式小辊来执行，该凹槽式小辊安装在光滑拉伸辊上游并紧邻该光滑拉伸辊，该小辊由以下测量值来限定：

a)从一凹槽的中央测至相邻凹槽的中央(或一顶部的中央至相邻顶部的中央)的凹槽的节距为20mm或更小；

b)从一顶部的中央至各相邻顶部的中央、沿波纹状辊表面所测的周长，在图1的实施例中为(S1+S2+2×S3)，除以凹槽的节距在1.10至1.80之间的范围内；和

c)在波纹的顶部所测的该辊的直径最高为凹槽节距的4倍。

以此方式，皱褶将被制成比迄今所可能的更细及/或更均匀，因此克服拉伸时的不规则。

使用具有这种深波纹廓形和这种小直径(该两者皆相关于该圆形表面波纹的节距)的凹槽辊，将会有令人惊讶的效果。从图1中可知尺寸的这些与众不同的关系。被拉紧的薄膜在被卷绕在小辊上时，将具有被朝向这些凹槽的底部拖曳的高度倾向，因而形成特别细且均匀的皱褶。如前所述的情况是，薄膜在接近小辊时已被预先打褶，但这些皱褶可能是较粗且较不均匀，因为细度和均度此后会由小辊来调整。该预打褶优选是利用一对或更多对交互啮合的凹槽辊来实施，如在前述的US3233029和WO2009/056601中所述的。

由该预打褶所造成的宽度(该宽度直接由边缘测至边缘)减小不应显著低于当薄膜离开小辊时所测得的宽度减小(即与薄膜离开前面打褶装置时的宽度之差)，否则小辊将会引起横向定向，通常表现为纵向延伸的“细线”。由该预打褶造成的宽度减小可以较低一些，但不可能规定关于此的任何百分比，因为其取决于多个参数，例如在初始薄膜中的状态定向。然而，准则是必须避免形成“细线”。

至于薄膜卷绕小辊，这也取决于多个参数，但针对小辊的给定应用实际上较容易建立。一般而言，对于大部分应用，在顶部上测量，卷绕应不小于20°，优选不小于45°，且最优选不小于60°。在本说明书中，卷绕意指薄膜遵循围绕小辊的一部分的路径。

在该小辊表面上的波纹的切线优选不应在任何位置相对于该辊的轴线形成比60°更陡的角度。在大部分情况下，在该波纹形图案的各节距内，表面的大部分优选相对于轴线形成30°-50°之间的角度(在切线与轴线之间测量，在图1中的α为45°)，而底部且尤其是顶部优选应为平坦或圆曲的。对此请参见图1。优选在顶部与凹槽之间的至少一部分表面为截头锥形，即轴向截面具有直的(直线)部分。

上文已经说过，由一顶部的中央至一相邻顶部的中央的周长除以凹槽的直接节距在1.10至1.80的范围内。但是，通常该比率优选限制在1.20至1.30的范围内(在图1中为1.24)。

上文也已经说过，在波纹的顶部所测的小辊的直径最高为波纹的节距的4倍。但是，优选其最高为波纹节距的3倍，且更优选在波纹节距的1.5至2.5倍之间。

在整个拉伸过程中的每一个操作期间，打褶的程度(即由边缘至边缘的直接距离减少的比率)通常应被调配成使全部的皱褶在整个拉伸过程结束时消失。它们会消失是由于纵向拉伸时的固有横向收缩。因此，在小辊拉伸操作期间的打褶程度能被限制成使这些皱褶在该操作期间消失。或者一些皱褶也可在此操作之后被保留，但会在一后续的拉伸操作中被消除。

虽然上文已经提及小辊直径的上限，但下限由实际限制来设定。为使其尽可能最小，本发明的非常重要的实施例的特征有关小辊的支撑。为快速了解此实施例请参照图2。其中贴抵小辊的短空转支撑辊成对地安装，一个支撑辊在小辊的一侧而另一支撑辊在另一侧，这是最实用的布置。但是，它们也可以被个别地安装，在小辊一侧的支撑辊从在小辊另一侧的支撑辊沿它们的轴向移置。它们一起吸收伸张薄膜施加于小辊上的力，其会倾向于使该小直径的小辊弯曲。为分配薄膜围绕小辊的所选择的缠绕，这些短支撑辊的直径不能比该小辊的直径大很多。

短支撑辊优选涂覆有硬橡胶或类似物，以避免小辊被磨损。

为用来拉伸热塑性聚合物薄膜的窄辊提供这些支撑辊被认为是新颖的，并独立地作为本发明的另一方面要求权利。

当热塑性薄膜材料被纵向地拉伸时，在许多情况下使用具有实际上尽可能小的直径的辊将会是有利的，因为该辊因此最佳地抓住薄膜。因此，与拉伸辊相关的该支撑系统将有更广泛的用途，包括支撑较小直径的光滑拉伸辊，且本身被认为是一项发明。在实际中，小辊将由许多短段制成。该各短段可固定于一共同的轴，该轴旋转，轴承安装在其末端。这种组合通常是优选的，但可选的，轴可被固定而各段在其上旋转。通常不需要为小辊提供驱动器，但在有驱动器的情况下，这些段当然必须固定于该轴。

本发明的另一实施例的特征是在于：当通过小辊时，薄膜的张力被调整至这样的水平，使薄膜的定向在该小辊上开始。这作为在从挤出模拉出后拉伸薄膜第一步骤，或换言之作为“预拉伸”过程，特别地有用。其会结合图3进一步地说明。

又另一实施例在进行最后拉伸之前的最后打褶步骤中特别有用。该薄膜以较深打褶的形式来配合小辊的设置，其中皱褶可以是相对较粗且/或不均匀的。

沿其轴向布置两个小辊使一个辊的凹槽相对于另一辊的凹槽偏置，意即一个辊上的顶部的中央与另一辊上的凹槽的中央对准。此偏置与该往复运动结合会使进入的粗的及/或不均匀的皱褶转变成较细及/或更均匀的皱褶。此作用结合图4进一步说明。

在本发明的实施例背后的概念有更广的范围，因为优选是但不是必须这些往复运动的凹槽辊为小辊，即优选是但不是必须使它们的尺寸在本文所述的限制内。

提供一种在使用拉伸辊的情况下通过在固态中拉伸来为热塑性聚合物薄膜提供纵向定向的方法，其特征在于：至少一个拉伸辊具有40mm或更小的直径，并且该拉伸辊由多个短支撑辊所支撑，所述短支撑辊沿该拉伸辊的长度组装，且所述短支撑辊的轴线互相移置以贴抵所述拉伸辊。

提供一种在使用拉伸辊的情况下通过在固态中拉伸来为热塑性聚合物薄膜提供纵向定向的装置，其特征在于：至少一个拉伸辊具有40mm或更小的直径，并且该拉伸辊由多个短支撑辊所支撑，所述短支撑辊沿该拉伸辊的长度组装，且所述短支撑辊的轴线互相移置以贴抵所述拉伸辊。

附图说明

现在将参照附图更详细地说明本发明。

图1以穿过轴线的横截面示出小辊，其尺寸具有通常最优选的范围。该图本身已注明。

图2为示出小辊贴抵在多个短支撑辊上的图片。

图3为示出小辊设置在用于预拉伸的生产线中的示意图。

图4a和4b为示出一工艺的示意图，在该工艺中，一对凹槽辊沿横向于该薄膜的方向一起往复运动，使进入的皱褶更细或更均匀。图4a示出该往复运动布置的一个外侧位置，图4b示出该往复运动布置的另一外侧位置。

具体实施方式

在图2中，小辊1贴抵(nest)在支撑辊对2和3上。只有一对支撑辊被完整示出，而该小辊可能有几米长以拉伸非常宽的薄膜，这就需要大量的短支撑辊。这些支撑辊由小框架保持并在其末端具有小轴承。小轴承可在支撑辊内或小框架内。各支撑辊的表面涂覆有硬橡胶。这些支撑辊被安装以使它们能吸收拉紧的薄膜施加于小辊上的力(见图3和4)。

在图3中，例如可主要由HDPE或PP构成并且可为压平管的薄膜20除了熔化定向以外没有定向，所述熔化定向相关于挤出及由挤出模拉出而产生。薄膜经历预定向程序，拉伸率例如介于1.5：1至2.0：1之间，起始于从动的曳阻辊4及其涂覆有橡胶的配对辊5之间的辊缝中。该薄膜中的张力由从动辊9建立。该薄膜经过冠状空转辊6，且在经过不小于该薄膜宽度的一路径之后，薄膜进入该两啮合的凹槽空转辊7中，该辊7的凹槽具有较大的节距，例如为后面的小辊1的凹槽节距的大约10倍。该啮合被设成能使得薄膜具有较粗皱褶，对应于由边缘至边缘测量的其宽度的大约15％的减少。若没有该冠状辊6，则该宽度的减小会具有这样的效果，即该薄膜的边缘将会遵循从辊4到小辊1的路径，该路径将比在薄膜中央处的路径长，而此差异是有害的，但冠状辊6补偿该差异。辊6的位置是可变的以使其作用可调。

或者，该打褶可如在WO2009/056601中所述地实施。

在由粗凹槽辊7到小辊1的行程中，粗皱褶逐渐转变成细皱褶而节距等于小辊1的节距，小辊1是空转的。该小辊贴抵在结合图2所描述的多个短辊上且被这些短辊支撑。附图标记8表示用于这些短辊的保持部件。该保持部件优选以可调的方式安装。

通过调整从动辊9相对于从动辊4的速度，在该薄膜中设定张力，这会在薄膜通过小辊1及通过辊1和9之间的短空间时造成定向，而在小辊1的上游处实际上不会产生定向。

设置靠近于辊9的辊10也是从动的，而辊11是涂覆有橡胶的夹辊。辊10可以与辊9相同的圆周速度旋转，由此实际上所有的定向产生于小辊1上和在小辊1与辊9之间的空间中；或者辊10可较快地运动，例如最高比辊9快大约10％。在这种情况下，在辊9上及辊9与辊10之间会产生进一步的拉伸。

在图4a和4b中，小辊用来使较粗且不均匀的皱褶变得更细且更均匀，从而有利于并改善后续的纵向拉伸。从凹槽辊12离开的薄膜具有相对深的皱褶，对应于系数为大约1.5：1的宽度减小，但认为这些皱褶在某些地方会处于密集分布而在某些地方会处于较不密集的分布。两个小辊1及它们的支撑辊上下往复运动，图4a示出上回转位置而图4b示出下回转位置；其它辊不往复运动。该两个小辊1沿它们的轴向互相移置，使一个小辊上的顶部的中央与另一小辊上的凹槽的中央对应，但优选它们不会彼此互相啮合。

在图4a所示的位置，薄膜由上部的小辊输送至空转的导引辊14，由此再到另一个空转导引辊15，并又再到该从动的曳阻拉伸辊16。

辊17是压靠在辊16上的涂覆有橡胶的夹辊，而辊18是第一从动的牵引拉伸辊。一个或多个另外的牵引拉伸辊会跟随于后，但未被示出。

沿着由小辊至拉伸辊16的全部路线，相邻辊之间的空间被最小化。而且辊14、15、16、18的直径尽可能地小，而不会由于这些辊的弯曲产生问题。

在图4b中薄膜将会被由该下小辊直接输送至辊16。

该往复运动系统的平衡效果可简要地说明如下：

考虑在其遇到在图4a中所示位置的小辊上的一顶部时，薄膜宽度的某一较窄部分具有密集的皱褶分布。该密集打褶的薄膜则将会倾向于朝向邻近该顶部的两个凹槽的底部被拖曳。因此皱褶会变得较不密集。

另一方面，考虑在其遇到在图4a中所示的小辊上的凹槽时，薄膜宽度的较窄部分具有密集的皱褶分布。则该分布将保持密集直到往复运动达到图4b中的情况。在这种情况下皱褶会变成较不密集。

处于相对于该薄膜的速度以实验确定的节奏的往复运动可以最小化这些皱褶的不规则性，同时皱褶的图案比两小辊的每一个的节距更细。

Claims (2)

1.一种在使用拉伸辊的情况下通过在固态中拉伸来为热塑性聚合物薄膜提供纵向定向的方法，其特征在于：至少一个拉伸辊具有40mm或更小的直径，并且该拉伸辊由多个短支撑辊所支撑，所述短支撑辊沿该拉伸辊的长度组装，且所述短支撑辊的轴线互相移置以贴抵所述拉伸辊。

2.一种在使用拉伸辊的情况下通过在固态中拉伸来为热塑性聚合物薄膜提供纵向定向的装置，其特征在于：至少一个拉伸辊具有40mm或更小的直径，并且该拉伸辊由多个短支撑辊所支撑，所述短支撑辊沿该拉伸辊的长度组装，且所述短支撑辊的轴线互相移置以贴抵所述拉伸辊。