CN114103078A - 一种高强度聚丙烯薄膜及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种高强度聚丙烯薄膜及其制备方法和应用，所述制备方法包括，先将原料按照配比输送至熔融挤出机中，经过模头挤出后输送至辊压结构进行降温压模处理，得到厚度均匀的铸片，将铸片进行预热处理后进行第一方向拉伸处理，拉伸完毕，急冷结晶，再进行预热处理，并进行第二方向拉伸，第二拉伸方向与第一拉伸方向所成夹角为30‑60°，拉伸完毕，急冷结晶得到高强度聚丙烯薄膜。本发明的聚丙烯薄膜具有良好的纵向拉伸强度和扭结性能，可以应用于编织袋或扭结包装薄膜中，具有良好的应用前景。

Description

一种高强度聚丙烯薄膜及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及高分子薄膜技术领域，尤其涉及一种高强度聚丙烯薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

在高分子薄膜技术领域中，单向和双向拉伸薄膜相比常规挤出生产得到的薄膜而言，具有更好的力学性能和外观性能，在市场上得到了广泛的应用，其中以双向拉伸薄膜应用最为广泛。

拉伸薄膜中的分子结晶在外力作用下从球晶状态变为定向化排列的链状结构，从而大幅度改善了薄膜的机械性能以及外观性能，而根据拉伸工艺的不同，薄膜也会出现不同程度的性能差异，例如相比双向拉伸薄膜而言，单向拉伸得到的薄膜在未拉伸的方向上具有良好的柔韧性，因此其可以在未拉伸方向进行揉捻，弯曲，以满足特定使用场景的需求，而双向拉伸的薄膜则在两个方向上均具有较强的拉伸强度，同样的，由于单向拉伸的薄膜比双向拉伸薄膜少了一道拉伸工艺，因此在相同的加工工艺之下，单向拉伸膜的厚度更厚。

因此，除了某些特定场景，双向拉伸薄膜的市场占有率更高，现有技术中，为了满足某一特定方向的拉伸强度要求，同时为了使材料用料更少，依然会采用双向拉伸薄膜，但是现有技术中双向拉伸的方向相互垂直，当特定使用场景下只对膜材的一个方向的拉伸强度有要求，那么其中另一个与之垂直方向的拉伸处理对薄膜在该使用场景下的拉伸强度并无贡献，造成了加工工艺的浪费，同时限制了膜材拉伸强度的进一步提高。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种在相同的尺寸条件下，具有更高拉伸强度的高强度聚丙烯薄膜及其制备方法和应用。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种高强度聚丙烯薄膜的制备方法，具体包括如下步骤：

步骤S1、制备原料按照配比输送至熔融挤出机中，经过模头挤出后输送至辊压结构进行降温压模处理，得到厚度均匀的铸片；

步骤S2、将铸片进行预热处理后进行第一方向拉伸处理，拉伸完毕，急冷结晶；

步骤S3、将步骤S2所得铸片再进行预热处理，并进行第二方向拉伸，第二拉伸方向与第一拉伸方向所成夹角为30-60°，拉伸完毕，急冷结晶得到高强度聚丙烯薄膜。

以上技术方案基础上，步骤S1中制备铸片的具体步骤包括：将原料预先进行干燥处理，处理完毕，投料至高速混合机中进行混合均匀，然后经过双螺杆挤出机进行挤出造粒，造粒完毕后，将料粒再次进行干燥处理，干燥完毕，送料至流延机进行流延成膜，膜片输送至辊压结构进行辊压成膜处理，从而得到厚度均匀的铸片，铸片的厚度在0.1-0.5mm，根据加工需求进行调整控制。

常规铸片拉伸工艺一般为单向拉伸处理或者双向拉伸处理，而双向拉伸处理中拉伸的方向相互垂直，本申请为了提高薄膜在特定方向上的拉伸强度，因此将常规双向拉伸工艺进行改进，将其中一个拉伸方向由与第一拉伸方向垂直改为夹角在30-60°，这样一来两次拉伸方向存在一定的重叠角度，从而改善了薄膜在重叠方向上的拉伸强度。

在以上技术方案的基础上，优选的，步骤S2中拉伸倍率为2.5-3.5，步骤S3中拉伸倍率为3-7。

由于本申请中双向拉伸不再是相互垂直，因此第二次拉伸时还会对第一次拉伸产生一定的影响，增大第一次拉伸方向上的拉伸率，因此结合两次拉伸的角度，本申请中第一次拉伸的倍率选择在2.5-3.5倍，这样第二次拉伸的影响下，第一拉伸方向和第二拉伸方向均能够使聚丙烯薄膜中的聚丙烯晶体得到倍率相对一致的拉伸，从而使薄膜内部两个不同方向的晶体在同一方向上具有相同协同工作用，进一步提高薄膜拉伸强度，同时由于薄膜内的晶体均得到拉伸且高度有序排列，薄膜在宽度方向上还具有良好的扭转性能。

在以上技术方案的基础上，优选的，步骤S2中，铸片预热温度为130-140℃，预热时间为50-100s，拉伸完毕后延时10-20s进行急冷结晶处理，急冷温度为40-50℃，急冷完毕延时20-30s进入步骤S3。

在上述技术方案中，在常规工艺中，铸片经过第一次拉伸后，为了避免内部结晶解取向，需要进行极冷结晶处理，但是由于本申请中二次拉伸的方向与一次拉伸方向存在重叠，因此一次拉伸后的结晶若能够产生部分解取向，解取向的聚丙烯结晶可以在第二次拉伸中进行重新取向，而一次拉伸中取向度的降低可以避免聚丙烯薄膜的玻璃化温度升高，不利于二次拉伸，所以本申请的方案中，对一次拉伸后的急冷温度进行适当的提高，其次，由于二次拉伸与一次拉伸存在重叠，因此一次拉伸中解取向的部分结晶有可能会与二次拉伸取向的结晶产生交织重合，提高两次拉伸结晶的结合度，有利于进一步提高拉伸强度。

在以上技术方案的基础上，优选的，步骤S3中，铸片再进行预热处理的温度为150-160℃，预热时间为50-100s，急冷处理温度为20-30℃。

经过第一次拉伸后，铸片内的高分子结晶产生了一定取向性，玻璃化温度升高，因此，在第二次拉伸时，加热温度需要做适当地升高。

更进一步优选的，步骤S3中的拉伸处理采用差速辊筒对薄膜进行拉伸处理，所述差速辊筒的数量为3-6个，相邻的差速辊筒的拉伸方向所成角度以及第一组差速辊筒的拉伸方向与第一方向所成角度均相同，最后一组差速辊筒的拉伸方向与第二方向相同。

常规两次拉伸处理的拉伸方向相互垂直，因此二次拉伸基本不会对一次拉伸形成的定向结晶结构产生影响，二次拉伸可以直接进行，本方案中二次拉伸会导致一次拉伸的延续，且由于二次拉伸与一次拉伸存在方向重叠，直接进行二次拉伸，可能会破坏一次拉伸产生的定向结晶结构，不同方向的结晶相互拉扯，形成内部应力，破坏原有取向结构，导致产生的机械性能丧失；同时二次拉伸的偏移角度过大也会导致薄膜在设备上出现偏移问题。为了尽可能使二次拉伸对一次拉伸方向起到更大的增益作用，本申请采用多次小角度拉伸的方式，使铸片最终达到一个大角度的拉伸，理论上来说转向的次数越多，效果越好，但是对于工业化生产而言，这是不现实的，因此优选的，转向次数改为2-5次，每次角度相同，从而起到良好的过渡效果，同时进一步地，本申请再想了的两个差速辊筒之间还设置链夹结构，用于夹紧转向外侧一端的薄膜，并随着薄膜方向运行拉伸，起到一定的纠偏作用，该结构在现有的双向拉伸设备中被广泛应用于横向拉伸，因此在此不做赘述。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述差速辊中相邻两辊之间的速度比为1:(1.15-1.35)，该速度为线速度。

在以上技术方案的基础上，优选的，按照拉伸顺序，第一个差速辊筒的温度为150-160℃，最后一个差速辊筒的温度为140-150℃，相邻两差速辊筒之间的温差均相同。

本申请还提供一种采用上述方法制备得到的高强度聚丙烯薄膜，优选的，所述薄膜按照重量份数计算，包括聚丙烯80-90份、纳米二氧化硅0.8-5份。

在以上技术方案中，聚丙烯薄膜包括聚丙烯和纳米二氧化硅，纳米二氧化硅对维持聚丙烯串型结晶的形态稳定具有一定的加强作用，

在以上技术方案的基础上，优选的，还包括线性低密度聚乙烯5-10份和碳酸钙晶须0.4-2份。

本发明还对聚丙烯薄膜的原料进行改进，加入部分线性低密度聚乙烯，可以使聚丙烯薄膜在拉伸过程中，内部的取向结晶更长更多，同时由于本申请中原本属于两个方向的取向结晶只在一个方向上进行高密度体现，这也使与之垂直的方向上取向结晶极少，导致这个方向的机械性能大幅度下降，利用线性低密度聚乙烯产生的取向结晶，可以起到连接两种方向取向结晶的作用，使两者之间形成一定交织网络，从而增强了整体的结构强度，碳酸钙晶须的加入不仅可以加强薄膜抗拉强度，同时还增强了薄膜的耐磨性。

本发明提供的高强度聚丙烯薄膜可以用于编织袋或扭结包装薄膜中，相比常规薄膜材料而言，具有更好的性能参数。

本发明的高强度聚丙烯薄膜及其制备方法相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)本发明提供了一种全新的聚丙烯薄膜双向拉伸的加工方案，与现有技术不同，本申请中两次拉伸方向形成一定角度，相比单向拉伸而言，由于进行了两个方向拉伸，因此形成的薄膜更薄，而相对于常规双向拉伸而言，由于拉伸方向存在一定角度重叠，进而导致第二次拉伸对第一次拉伸方向也进行了一定的贡献，最终使第一次拉伸与第二次拉伸的夹角方向具有比单向拉伸而言更少的用料，相比双向拉伸而言更强的拉伸强度；

(2)为了使第二次拉伸对第一次拉伸产生的影响不至于使薄膜超出拉伸的极限而破裂，本申请还对两次拉伸的倍率以及角度进行优化限定，采用特定的拉伸倍率可以使拉伸后的薄膜内部结晶度更高，同时可以使两次拉伸后薄膜内部的结晶取向度趋于相同，使原本属于两个方向的结晶具有协同作用，大幅度增加了取向方向上的拉伸强度；

(3)本申请对第二次拉伸工艺进行优化，由于本申请采用的差速滚筒进行拉伸处理，若一次性进行大角度偏移拉伸，一方面会对薄膜内形成的取向结晶造成破坏，影响二次拉伸后薄膜内结晶的取向性和薄膜的稳定性，同时也会给生产设备造成负担，薄膜在长期偏移拉伸的过程中可能会发生偏离辊筒，因此采用多级偏移的方式进行拉伸，有效避免上述问题；

(4)本申请还对聚丙烯薄膜的配方进行改进，以适应本申请的制备方法，改善薄膜的结构稳定性和结构强度。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

作为具体的实施方式，以下各实施例将采用不同的制备方法进行聚丙烯薄膜制备，制备得到的聚丙烯薄膜分别用于不同方面的性能测试，以展示本发明产生的技术效果，数据结果均以多次实验结果的平均值展示，以消除偶然误差，以下各实施例中，原料来源如下表所示：

聚丙烯	台塑3015
		纳米二氧化硅	浙江吉康SS-S30F
线性低密度聚乙烯	中石化DNDA-7144
		碳酸钙晶须	石家庄亿傲新材料

实施例1

分别称取聚丙烯80kg和纳米二氧化硅800g，将原料在80℃下干燥30min后，投料至高速混合机中进行混合处理，然后经过双螺杆挤出机进行挤出造粒，造粒完毕，将料粒再次在80℃下干燥处理30min，处理完毕，送料至流延机中进行流延成膜，膜片输送至辊压结构进行辊压成膜处理，完成后得到厚度为0.5mm的铸片；

将铸片在辊筒拉伸结构中进行预热处理，预热温度为130℃，经过50s的预热处理后进入第一方向拉伸段，第一方向拉伸段慢速辊筒和快速辊筒的速度比为1:1.5，拉伸倍率为2.5倍，拉伸完毕后经过10s延时进入急冷辊中进行降温结晶处理，快速降温至40℃；

降温完毕后，经过20s输送，进入第二组预热端进行预热处理，预热温度为150℃，预热时间为50s，预热完毕进入第二方向拉伸段，第二方向拉伸段包括3个差速辊筒，三个差速辊筒的轴线均与同一平面平行，第一差速辊筒的滚动方向与第一方向拉伸段所成角度为10°，第一差速辊筒的温度为150℃，相邻两个差速辊筒之间的角度也为10°，第二差速辊筒的温度为145℃，第三差速辊筒温度为140℃，相邻两个差速辊筒之间的外圈设有链夹结构，用于随着滚筒的运行对薄膜边缘机械进行夹持，相邻两辊筒之间的速度比1:1.35，经过3个差速滚筒拉伸后，拉伸倍率达到3倍，拉伸完毕，进入急冷辊中能够进行降温结晶处理，快速降温至20℃。

得到高强度聚丙烯薄膜。

实施例2

在实施例1的基础上，第一方向拉伸段慢速辊筒和快速辊筒的速度比为1:1.6，拉伸倍率为3倍，第一阶段预热温度为135℃，预热时间为70s，第一方向拉伸结束后，延时15s进行急冷处理，急冷温度为45℃，急冷完毕，延时25s进入第二组预热段，进入第二组预热段的预热温度升高至155℃，预热时间为70s，将第二方向拉伸阶段差速辊筒的数量提高至4个，其中第一差速辊筒的加热温度为155℃，第二差速辊筒的加热温度为150℃，第三差速辊筒的加热温度为145℃，第四差速辊筒的加热温度为140℃，相邻两差速滚筒的速度比为1:1.25，第二拉伸倍率为4倍，其他条件保持不变。

实施例3

在实施例1的基础上，第一方向拉伸段慢速辊筒和快速辊筒的速度比为1:1.7，拉伸倍率为3.5倍，第一阶段预热温度为140℃，预热时间为100s，第一方向拉伸结束后，延时20s进行急冷处理，急冷温度为45℃，急冷完毕，延时25s进入第二组预热段，进入第二组预热段的预热温度升高至160℃，预热时间为80s，将第二方向拉伸阶段差速辊筒的数量提高至5个，其中第一差速辊筒的加热温度为160℃，第二差速辊筒的加热温度为158℃，第三差速辊筒的加热温度为155℃，第四差速辊筒的加热温度为153℃，第五差速辊筒的加热温度为150℃，相邻两差速辊筒的速度比为1:1.15，第二拉伸倍率为5倍，其他条件保持不变。

实施例4

在实施例1的基础上，第一方向拉伸段慢速辊筒和快速辊筒的速度比为1:1.7，拉伸倍率为3.5倍，第一阶段预热温度为140℃，预热时间为100s，第一方向拉伸结束后，延时20s进行急冷处理，急冷温度为50℃，急冷完毕，延时30s进入第二组预热段，进入第二组预热段的预热温度升高至160℃，预热时间为100s，将第二方向拉伸阶段差速辊筒的数量提高至6个，其中第一差速辊筒的加热温度为160℃，第二差速辊筒的加热温度为158℃，第三差速辊筒的加热温度为155℃，第四差速辊筒的加热温度为153℃，第五差速辊筒的加热温度为150℃，第六差速辊筒的加热温度为147℃，相邻两差速辊筒的速度比为1:1.2，第二拉伸倍率为7倍，其他条件保持不变。

实施例5

在实施例1的基础上，第一方向拉伸段慢速辊筒和快速辊筒的速度比为1:1.6，拉伸倍率为3倍，第一方向拉伸结束后，直接进行急冷处理，急冷温度为40℃，急冷完毕，不延时处理进入第二组预热段，进入第二组预热段的预热温度升高至155℃，预热时间为70s，将第二方向拉伸阶段差速辊筒的数量提高至4个，其中第一差速辊筒的加热温度为155℃，第二差速辊筒的加热温度为150℃，第三差速辊筒的加热温度为145℃，第四差速辊筒的加热温度为140℃，相邻两差速滚筒的速度比为1:1.25，第二拉伸倍率为4倍，其他条件保持不变。

实施例6

在实施例1的基础上，聚丙烯使用80kg，纳米二氧化硅使用800g，线性低密度聚乙烯使用5kg，碳酸钙晶须使用400g，其他条件保持不变。

实施例7

在实施例1的基础上，聚丙烯使用85kg，纳米二氧化硅使用2kg，线性低密度聚乙烯使用7，碳酸钙晶须使用1kg，其他条件保持不变。

实施例8

在实施例1的基础上，聚丙烯使用90，纳米二氧化硅使用5g，线性低密度聚乙烯使用10，碳酸钙晶须使用2g，其他条件保持不变。

对比例1

采用市售得到的单向拉伸聚丙烯薄膜。

对比例2

采用市售得到的双向拉伸聚丙烯薄膜。

以上实施例1-7以及对比例1和对比例2所得到的聚丙烯薄膜厚度均为0.05mm，分别对上述得到的薄膜进行纵向拉伸强度测试，得到如下结果：

对比例数据结果如下表：

以上数据不难看出，采用本申请的技术方案可以明显提高聚丙烯薄膜的纵向拉伸强度，与常规双向拉伸薄膜相比，拉伸强度提高了接近一倍，而相比常规单向拉伸薄膜而言，提高了接近2倍，但是断裂伸长率相比现有技术而言，下降了约30％，考虑到本申请的聚丙烯薄膜可以应用于编织袋中，因此其断裂伸长率的提高具有显著的应用价值。

对本申请实施例1-8以及对比例1-2进行扭捻效果测试，结果如下：

对比例数据结果如下表：

不难看出，本发明制备得到的高强度聚丙烯薄膜相比现有单向或双向拉伸薄膜而言，具有更好的扭结性能，因此还可以作为良好的扭结包装薄膜材料。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强度聚丙烯薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、制备原料按照配比输送至熔融挤出机中，经过模头挤出后输送至辊压结构进行降温压模处理，得到厚度均匀的铸片；

步骤S2、将铸片进行预热处理后进行第一方向拉伸处理，拉伸完毕，急冷结晶；

步骤S3、将步骤S2所得铸片再进行预热处理，并进行第二方向拉伸，第二拉伸方向与第一拉伸方向所成夹角为30-60°，拉伸完毕，急冷结晶得到高强度聚丙烯薄膜。

2.如权利要求1所述的高强度聚丙烯薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S2中拉伸倍率为2.5-3.5，步骤S3中拉伸倍率为3-7。

3.如权利要求1所述的高强度聚丙烯薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S2中，铸片预热温度为130-140℃，预热时间为50-100s，拉伸完毕后延时10-20s进行急冷结晶处理，急冷温度为40-50℃，急冷完毕延时20-30s进入步骤S3。

4.如权利要求1所述的高强度聚丙烯薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S3中，铸片再进行预热处理的温度为150-160℃，预热时间为50-100s，急冷处理温度为20-30℃。

5.如权利要求4所述的高强度聚丙烯薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S3中的拉伸处理采用差速辊筒对薄膜进行拉伸处理，所述差速辊筒的数量为3-6个，相邻的差速辊筒的拉伸方向所成角度以及第一组差速辊筒的拉伸方向与第一方向所成角度均相同，最后一组差速辊筒的拉伸方向与第二方向相同。

6.如权利要求5所述的高强度聚丙烯薄膜的制备方法，其特征在于，所述差速辊中相邻两辊之间的速度比为1:(1.15-1.35)。

7.如权利要求5所述的高强度聚丙烯薄膜的制备方法，其特征在于，按照拉伸顺序，第一个差速辊筒的温度为150-160℃，最后一个差速辊筒的温度为140-150℃，相邻两差速辊筒之间的温差均相同。

8.如权利要求1-7中任一所述的高强度聚丙烯薄膜的制备方法制备得到的高强度聚丙烯薄膜，其特征在于，按质量份数计算，包括聚丙烯80-90份、纳米二氧化硅0.8-5份。

9.如权利要求8所述的高强度聚丙烯薄膜，其特征在于，还包括线性低密度聚乙烯5-10份和碳酸钙晶须0.4-2份。

10.如权利要求1-7中任一所述的高强度聚丙烯薄膜的制备方法制备得到的高强度聚丙烯薄膜在编织袋或扭结包装薄膜中的应用。