薄膜成型工藝及其性能研究

喬夢(mèng)霞，徐文總，覃忠瓊

（安徽建筑大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

高分子加工實(shí)驗(yàn)是一門實(shí)際應(yīng)用性很強(qiáng)的專業(yè)實(shí)踐課程。根據(jù)我院教學(xué)情況和條件，結(jié)合教學(xué)大綱，以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力為目的，在學(xué)生已經(jīng)了解吹膜原理、透光率和霧度定義的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際操作再授課講授吹塑薄膜工藝的基本流程以及測(cè)量薄膜的透光率/霧度的方法。本實(shí)驗(yàn)采用低密度聚乙烯（LDPE）平擠上吹的方式吹膜。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

（1）了解吹塑過程中影響薄膜質(zhì)量的工藝條件以及環(huán)境需求。

（2）掌握薄膜吹塑成型的方法及工藝流程。

（3）了解透明或者半透明材料透光率和霧度的基本定義及其原理。

（4）掌握測(cè)定樹脂材料透光率和霧度的方法。

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 吹塑薄膜成型

樹脂材料在吹塑成型工藝的過程中可分為三大階段：

第一階段是擠出過程，將物料加入擠出機(jī)，料筒溫度可熔融物料，料筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)的螺桿將熔融物料擠到口模處并形成圓形的型坯；第二階段是吹脹過程，管狀薄膜被擠出之后，將管泡拉到旋轉(zhuǎn)的人字夾板上，管泡會(huì)形成筒狀的密閉管，通入壓縮空氣，管泡被吹脹，此階段管泡在橫向和縱向都受到拉伸的力；第三階段是冷卻過程，被壓縮空氣橫向吹脹以及牽引裝置縱向拉伸變薄之后，鼓風(fēng)機(jī)通風(fēng)使其冷卻定型。

根據(jù)調(diào)研，薄膜的制作方法分為三種：流延法、壓延法和擠出吹塑法[1]。其中，擠出吹塑過程中，薄膜的寬度和厚度可以通過改變工藝參數(shù)而調(diào)節(jié)，所以擠出吹塑工藝應(yīng)用廣泛。該工藝流程簡(jiǎn)單，原理易懂，學(xué)生的操作效果最好，實(shí)驗(yàn)成本最低。

吹塑薄膜的生產(chǎn)可分為三種方法：平擠上吹、平擠平吹、平擠下吹。三種方法的工作原理和操作規(guī)程都相同，只是管泡的擠出方向不同。本實(shí)驗(yàn)是采用平擠上吹的方式，將物料倒入料筒內(nèi)，采取程序升溫的方式加熱，在筒內(nèi)溫度以及螺桿旋轉(zhuǎn)擠壓的作用下，物料在熔融的過程中發(fā)生混合、剪切并被擠壓前移，到達(dá)口模處被擠成管狀，此時(shí)的管狀物橫向和縱向都有拉伸，要制得質(zhì)量良好的薄膜，兩個(gè)方向的拉伸要均衡，在橫向拉伸中引入的壓縮空氣將其吹脹，通過冷卻和縱向的牽引系統(tǒng)將其拉伸定型，最后通過轉(zhuǎn)動(dòng)的滾輪將薄膜收卷集中。

2.2 性能測(cè)定

在光學(xué)領(lǐng)域里，霧度和透光率是兩項(xiàng)非常重要的性能指標(biāo)。透光率表示材料的透光能力；霧度表征透明/半透明材料內(nèi)部渾濁不清晰的程度[2]?，F(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，霧度和透光率是制備材料的兩個(gè)重要的參數(shù)指標(biāo)。例如，家里衛(wèi)生間的玻璃透光率應(yīng)該高，霧度也需要大，才能在光線好的前提下注重隱私；航空業(yè)的有機(jī)玻璃要求霧度值在0%～2%，透光率一般要求大于90%[3]；而有些光學(xué)儀器則要求屏蔽亮光源，所以材料應(yīng)具備透光率小，霧度大的特點(diǎn)；根據(jù)實(shí)際需求才能制備出符合參數(shù)要求的材料。

2.2.1 透光率

透光率是用照進(jìn)材料的光通量與入射的總光源比值的百分?jǐn)?shù)表示[4]。

2.2.2 霧度

霧度（H）也稱為濁度，表示樹脂薄膜材料內(nèi)部渾濁的程度，材料的外部或者內(nèi)部表面凹凸不平，發(fā)生光的散射，用材料散射的光通量Td與透過材料的光通量T2之比的百分?jǐn)?shù)表示，光源的照射方式和透光率一樣，此處散射的光通量是平行光束照射到材料時(shí)發(fā)生光的散射，散射的角度偏離入射方向大于2.5°的光通量[5]。

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 設(shè)備與材料

SJ-20型吹塑機(jī)；WGT-S型積分球式透光率霧度測(cè)定儀；游標(biāo)卡尺（精確度0.05 mm）；測(cè)厚儀（精度0.001 mm）；低密度聚乙烯。

3.2 LDPE吹塑薄膜的制作工藝

吹膜機(jī)主要分為四個(gè)工段：軟件控制區(qū)、塑化擠出區(qū)、冷卻成型區(qū)以及收卷區(qū)。冷卻裝置主要依靠鼓風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)的吹脹作用，牽引裝置是利用人字夾板帶動(dòng)薄膜收卷。示意圖如圖1。

圖1 吹膜工藝流程框圖

3.2.1 吹膜工藝的參數(shù)

吹膜工藝的主要參數(shù)有4個(gè)，學(xué)生必須掌握參數(shù)的原理，在實(shí)驗(yàn)中根據(jù)薄膜質(zhì)量變化修正其值，從而獲得合格的薄膜。

（1）吹脹比：薄膜被吹脹后的直徑與未吹脹的管泡直徑之間的比值[6]。薄膜在通入壓縮空氣時(shí)，縱向和橫向都被拉伸，吹脹比是薄膜橫向拉伸產(chǎn)生的。由定義可知，吹脹比增大，薄膜的橫向拉伸強(qiáng)度就會(huì)增大[7]。但吹脹的作用力不能太大，根據(jù)不同的樣品特性設(shè)定不同的參數(shù)，否則會(huì)吹破薄膜，得到有褶皺即不合格的產(chǎn)品，所以吹脹比的參數(shù)設(shè)定尤為重要。

（2）牽引比：牽引裝置是牽引薄膜的速度與口模擠出管泡的速度之間的比值[8]。牽引比和薄膜的縱向拉伸相關(guān)。在牽引裝置縱向拉伸的過程中，牽引的速度越快，薄膜的厚度越薄[9]；但牽引的速度不宜過快，否則會(huì)拉斷薄膜，影響產(chǎn)品的制備效率。

（3）擠出溫度：擠出溫度不宜過低，否則造成高分子材料塑化效果不好，橫縱向的拉伸強(qiáng)度低，不能吹脹定型[10]；擠出的溫度也不適合太高，會(huì)使高分子材料分解成小分子材料，不利于塑料的冷卻成型[11]。

（4）露點(diǎn)：露點(diǎn)是樹脂材料由熔融狀態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的分界線。在吹膜過程中，熔融狀態(tài)的高分子材料在空氣壓縮力的作用下從口模擠出，通過冷卻裝置得以快速冷卻使其固化定型，樹脂材料由剛擠出的透明狀逐漸變?yōu)槟：隣?，狀態(tài)變化的臨界點(diǎn)稱為露點(diǎn)，又名為霜點(diǎn)[12-13]。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

根據(jù)LDPE 的特性，初步設(shè)定擠出機(jī)各個(gè)階段的溫度，采用程序升溫的方式會(huì)使熔體粘度降低，壓力變小，泡管的擠出量相應(yīng)地會(huì)增加，產(chǎn)量提高。溫度不能太高，否則樹脂降解。根據(jù)文獻(xiàn)，LDPE 的熔程160℃～170℃，所以將擠出機(jī)的機(jī)頭、料筒口模等階段的溫度分別設(shè)置為160℃、163℃、166℃和170℃[14]，同時(shí)設(shè)置料筒內(nèi)螺桿的轉(zhuǎn)速、人字夾板以及收卷裝置的轉(zhuǎn)速，根據(jù)LDPE 的物理拉伸特性，吹脹比2.5～3.0，牽引比4～6[15-16]。

設(shè)置好各階段的溫度后，在加熱區(qū)工作時(shí)，檢查空氣壓縮機(jī)、冷卻裝置的鼓風(fēng)機(jī)、人字夾板以及收卷裝置等是否完好，吹膜機(jī)處于準(zhǔn)備狀態(tài)。待各階段的溫度到達(dá)設(shè)置值并穩(wěn)定10 min 后，將口模環(huán)形縫隙調(diào)到基本均勻的狀態(tài)，同時(shí)對(duì)吹膜機(jī)整體的接口以及螺栓部位趁熱擰緊。

恒溫30 min 后，啟動(dòng)主機(jī)，加入少量的LDPE。先觀察擠出機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性以及出料情況。等到口模附近擠出的料均勻時(shí)，將薄膜緩慢連接至人字夾板中，即通入壓縮空氣將薄膜吹脹成型，并且開通鼓風(fēng)機(jī)使其在收卷前迅速冷卻，隨時(shí)觀察收卷薄膜的質(zhì)量，及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，如螺桿轉(zhuǎn)速、牽引速度、風(fēng)環(huán)的位置、收卷裝置的速率、各段的溫度以及壓縮空氣流量等。

在實(shí)驗(yàn)中，各個(gè)階段的溫度應(yīng)保持穩(wěn)定，否則影響LDPE 的熔融情況，鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)速和吹脹的壓縮空氣的速度都應(yīng)穩(wěn)定，否則會(huì)造成管壁破裂，產(chǎn)品不合格。

更改實(shí)驗(yàn)參數(shù)，觀察管壁的狀態(tài)，測(cè)量物理性能變化差異，記錄情況。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束，降低螺桿轉(zhuǎn)速，趁熱清機(jī)，防止下次使用時(shí)堵塞。

3.3 薄膜的性能測(cè)試

霧度和透光率的測(cè)定是在學(xué)生掌握其定義后，通過測(cè)定儀測(cè)量的薄膜光學(xué)參數(shù)，可以通過這兩個(gè)光學(xué)數(shù)據(jù)，表征學(xué)生自己制備的薄膜的性能。在上課的同時(shí)，也要注意薄膜的儲(chǔ)存條件以及測(cè)量之前薄膜預(yù)處理需要注意的事項(xiàng)，比如薄膜的表面應(yīng)保持潔凈、無折痕等。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

圖2的A圖是樣品試樣，由左到右分別表示1、2、3、4號(hào)樣品，并且厚度由大到小為4＞3＞2＞1。根據(jù)B圖得知，4個(gè)樣品的透光率由大到小排序是4＞3＞2＞1，數(shù)值依次為92.3%、91.5%、88.3%、84.1%；而霧度由大到小排序?yàn)?＞1＞2＞3，數(shù)據(jù)依次為82.50%、13.5%、8.58%、2.49%。

圖2 A：薄膜試樣；B：薄膜的透光率和霧度值（%）

從數(shù)據(jù)來看，2號(hào)和3號(hào)樣品的透光率和霧度較好，4 號(hào)樣品的霧度較差。從1、2、3 號(hào)樣品來看，透光率越大，霧度值越小，即霧度和透光率成反相關(guān)的關(guān)系，4號(hào)樣品的透光率雖然大于1號(hào)，但是霧度也比1號(hào)大，這說明霧度和透光率并不是反比的關(guān)系，也從側(cè)面證實(shí)了霧度和透光率是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的指標(biāo)。由3號(hào)和4號(hào)數(shù)據(jù)并結(jié)合圖A的樣品對(duì)比發(fā)現(xiàn)，薄膜表面的皺褶對(duì)透光率幾乎沒影響，但對(duì)霧度值影響較大，說明薄膜在生產(chǎn)過程中的工藝條件、添加物料以及表面情況等因素對(duì)透光率和霧度值的影響程度均不同。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）不同厚度的薄膜之間的光學(xué)性能不能進(jìn)行比較。

（2）影響薄膜透光率和霧度數(shù)據(jù)的工藝因素各不相同。

（3）薄膜的霧度和透光率之間沒有可比性。