雙向拉伸聚丙烯（Biaxially Oriented Polypropylene）薄膜，簡稱BOPP薄膜，是以聚丙烯為主要原料，經(jīng)雙向拉伸的薄膜。BOPP薄膜是目前雙向拉伸薄膜行業(yè)內(nèi)產(chǎn)量和銷量最多的薄膜[1]，享有“包裝皇后”的美稱。國內(nèi)生產(chǎn)BOPP薄膜的企業(yè)非常多，如金田、德冠、福融、國風、雙良、康得新等等。BOPP薄膜分為管膜法和平膜法，本文特指平膜法生產(chǎn)的薄膜。BOPP薄膜具有強度高、平整度好，產(chǎn)量大、品種多等優(yōu)點，同時BOPP薄膜也是塑料加工行業(yè)對設備要求最為復雜的薄膜。BOPP薄膜生產(chǎn)一般都有配料、擠出、鑄片、雙向拉伸、牽引、收卷、時效、分切等工藝流程。雙向拉伸包括異步拉伸和同步拉伸，異步拉伸一般是先縱向后橫向，特點是生產(chǎn)速度快、產(chǎn)量高:同步拉伸生產(chǎn)薄膜縱橫向性能接近，但是產(chǎn)能小、生產(chǎn)難度大。目前市場上薄膜絕大多數(shù)采用異步拉伸，使用的設備多產(chǎn)自德國布魯克納，也有少量的法國依梭普和日本三菱等企業(yè)，薄膜的寬幅基本在8.2米以上，生產(chǎn)的速度最快可達500m/min[2]以上，常見的薄膜多為三層結(jié)構(gòu)，也有少量四層或五層，目前還沒有七層以上的報道。薄膜層數(shù)越多可以生產(chǎn)出的薄膜種類越多，但是對設備的維護和保養(yǎng)也提出了更高的要求。BOPP薄膜種類繁多，常見如蓋光膜、消光膜、熱封膜、防霧膜、珠光膜、煙膜等等，現(xiàn)在還在不斷涌現(xiàn)新的發(fā)展方向，如彩色膜、高阻隔膜[3]，免底涂膜、鍍鋁膜等等，極大的豐富了客戶的需求。
1BOPP薄膜生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品特點
1.1 BOPP薄膜的生產(chǎn)流程[2][6]
BOPP薄膜的加工流程見圖1。
配料：表1為常見3層共擠BOPP薄膜配方。
擠出：將混合好的原料在擠出機內(nèi)進行塑化并擠出。薄膜的芯層都是以聚丙烯為主，擠出機的加工溫度一般在250℃，表層的原料不同，擠出機溫度略有不同。加工的溫度高，原料流動性好，薄膜的均勻性好，但是超過原料的耐溫點則會造成原料降解、碳化及模頭掛料等問題。蓋光膜的擠出機和模頭溫度一般都在250℃，消光膜和熱封膜由于輔料的耐溫性稍差，對應的擠出機溫度在245℃左右，模頭溫度在240℃左右。
計量：統(tǒng)計單位時間內(nèi)通過的原料重量。通過計量泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)擠出機轉(zhuǎn)速和模頭出口的壓力，保持模頭原料流出穩(wěn)定，同時也能進一步塑化原料。主擠出機必須配置，輔擠出機根據(jù)定制選擇配置。計量后會流入過濾器，對原料進行過濾除雜。
鑄片：將熔融的聚丙烯原料迅速冷卻為規(guī)整厚片。一般先通過氣刀和氣嘴將原料緊緊貼附在激冷輥上，然后使用水槽和激冷輥的低溫將原料迅速降溫，激冷輥和水槽的溫度一般在30～45℃。
縱向拉伸：對鑄片進行縱向拉伸處理?？v向拉伸的輥筒現(xiàn)在都采用上下兩層單獨控溫，減少因厚片的上下層材料不同造成的膜面外觀損傷，縱向拉伸預熱區(qū)的溫度在110～140℃，比拉伸區(qū)要高5～15℃，比定型區(qū)的溫度低5～10℃，拉伸比一般在4.5～5.5之間。
橫向拉伸：對鑄片進行橫向的拉伸處理，采用粘鋏和軌道寬度變化實現(xiàn)拉伸。風機將交換器的熱空氣送入烘箱循環(huán)加熱，滿足各位置不同風速要求。橫向拉伸[18]分為預熱、拉伸、定型、冷卻。橫向拉伸的預熱溫度在170℃左右，拉伸溫度在155℃左右，定型溫度在165℃左右，冷卻基本采用車間內(nèi)的空氣冷卻。橫向的拉伸比一般在9～10，橫向拉伸區(qū)域?qū)挾茸兓浅４螅A熱區(qū)設備的寬度比入口厚片稍窄，使得厚片在受熱熱收縮性時有一定的余量，拉伸區(qū)域的持續(xù)時間在2～4秒，如果拉伸的速度太慢[9]，分子鏈會滑移造成破膜和拉伸不均，如果拉伸的速度太快，會造成分子鏈來不及取向而破膜。定型段和冷卻段寬度逐步收縮，總的收縮一般在6%以內(nèi)，保持拉伸后的薄膜具有較好的熱穩(wěn)定性，橫向拉伸的寬度變化趨勢見圖2。
牽引：主要是負責薄膜的展平、切邊、電暈、冷卻、測厚、靜電消除等功能。
收卷：主要負責薄膜的收卷。將薄膜收卷成均勻的大膜卷。通過控制接觸輥和壓力輥張壓力大小，保持大膜卷的平整度和松緊度，同時也負責大膜卷的米數(shù)記錄，密度顯示，換卷等功能。
時效：薄膜的時效一般在24～48小時，這是因為等規(guī)聚丙烯的球晶最大生長速度在20μm/min[2]，時效后薄膜的性能會更穩(wěn)。
分切包裝：時效后的薄膜檢驗合格，根據(jù)客戶的要求，分切為合適的尺寸。
圖2TDO寬度變化
1.2 BOPP薄膜的參數(shù)說明和常見異常
BOPP薄膜生產(chǎn)各階段要求工藝參數(shù)不同，需要對設備預先設定參數(shù)，以實現(xiàn)不同的區(qū)域設備協(xié)同合作，最終通過計算機控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動化的生產(chǎn)。這既包括在正常生產(chǎn)時各區(qū)域工藝的參數(shù)，也包括在開機、停機、破膜、規(guī)格轉(zhuǎn)換、急停等不同狀態(tài)下的參數(shù)。調(diào)整的參數(shù)包括擠出機的轉(zhuǎn)速、縱向拉伸比、各區(qū)域的風速、輥筒的速度等，需要相互匹配。
原料相同的情況下，拉伸倍率大小是影響薄膜拉伸強度最大的因素。如何在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，合理分配兩段的拉伸比，是所有生產(chǎn)和研發(fā)人員必須掌握的。前后兩段的拉伸比越接近，薄膜的縱橫向性能越接近，那是否可以通過提高溫度來增大拉伸比，從而實現(xiàn)薄膜縱橫的均勻性。事實上，如果在縱向拉伸區(qū)域?qū)衿M行過度預熱，厚片接近粘流態(tài)，在經(jīng)過輥筒時，非常容易被擦傷和形變，生產(chǎn)耐熱性低的原料則影響更大，所以目前的縱向拉伸比一般都不會超過5.5?？v向拉伸比使用輥筒轉(zhuǎn)速控制，調(diào)節(jié)方便；橫向拉伸比是使用軌道寬度控制，既不方便調(diào)節(jié)，且可調(diào)節(jié)的范圍小，所以現(xiàn)在一般都是固定橫向拉伸比，合理調(diào)節(jié)縱向拉伸比和相應的溫度參數(shù)，最大可能提高薄膜性能。一般有特殊功能（消光、熱封），厚度越薄的薄膜，其縱向的拉伸比要降低，反之則升高。為了使薄膜具有較好的取向，可以在稍低的溫度下進行拉伸，但是如果溫度過低，強行拉伸會導致分子鏈斷裂，既會降低薄膜的整體拉伸強度，還會造成破膜等異常。目前BOPP薄膜總的拉伸倍率在40～50，小于或大于總的拉伸倍率薄膜會出現(xiàn)厚度不均或者破膜等現(xiàn)象。
薄膜生產(chǎn)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)的異常包括破膜、油污、厚度差、擦傷、白點晶點多、褶皺、熱收縮、摩擦系數(shù)大、潤濕張力小、掉粉、膜面燙傷、模頭掛料等現(xiàn)象，這些異常有時候是由多個因素共同造成的，有時候一個因素會導致多個異常，如原料雜質(zhì)多和油污都會造成破膜，而原料雜質(zhì)多也會造成膜面晶點多、掛料、破膜等問題，如何準確找到問題點，快速解決問題，是判斷生產(chǎn)人員技能高低的重要指標。
1.3 BOPP薄膜的產(chǎn)品標準和趨勢
薄膜的性能對下游客戶正常使用至關重要，國家為了規(guī)范本行業(yè)的健康發(fā)展，已制定了2個國家標準。普通雙向拉伸聚丙烯薄膜的國標是GB/T10003-2008，消光膜的國標是GB/T32021-2015。國標對兩種類型薄膜的拉伸強度、斷裂標稱應變、熱收縮率、霧度、光澤度都規(guī)定了明確指標和檢測的方法。隨著市場的變化，客戶對新產(chǎn)品的性能和要求也在改變，企業(yè)要不斷開發(fā)更豐富的產(chǎn)品類型。為了規(guī)范新產(chǎn)品的性能指標，越來越多的企業(yè)開始自發(fā)的開展行業(yè)標準的制定，規(guī)模較大的企業(yè)已經(jīng)制定很多了特種產(chǎn)品的企業(yè)標準。
2BOPP薄膜主輔原料介紹
2.1 主原料聚丙烯的性能和要求[2][4]
聚丙烯按照空間立體構(gòu)型分為等規(guī)、間規(guī)、無規(guī)三類，BOPP要求等規(guī)的聚丙烯在95～97%，相比普通吹塑和流延薄膜要求更高。文獻[2]和實際生產(chǎn)都表明，等規(guī)度越高，拉伸后的薄膜強度越高，但是破膜率也會增加；反之，等規(guī)度下降，成膜率高，薄膜強度降低。根據(jù)這些特點，如果生產(chǎn)速度快，厚度薄的薄膜，選用等規(guī)度低的聚丙烯，而如果要生產(chǎn)厚度厚、強度高的薄膜，選用等規(guī)度高的聚丙烯。BOPP薄膜原料的影響因素還包括分子量、熔指、灰分、水分、色粒、霧度等項目。聚丙烯的數(shù)均分子量70000[29]左右，熔指2.5～3.5，灰分≤0.03%，分子量分布4.0～4.5。因此生產(chǎn)各種產(chǎn)品的類型，應根據(jù)客戶要求，使用不同的原料種類。
2.2 輔料的性能和要求
BOPP薄膜的各種性能大部分是通過輔料實現(xiàn)的，輔料在不同薄膜的使用環(huán)境中扮演了重要角色。常見的輔料包括防黏劑、抗靜電劑、爽滑料、熱封料、消光料、防霧料、色母料、珠光料等等，其中防黏劑、抗靜電劑、爽滑料、防霧料、珠光料、色母料都是以聚丙烯為載體，添加相應的功能材料，共混造粒所得的母料。防黏劑、熱封料、消光料一般用在表層，其它輔料一般是添加在芯層或者次表層。防粘層和熱封層的厚度一般在0.8～1.5微米，消光層的厚度一般在1.8～2.8微米。薄膜的厚度增加，表層厚度相應的增加[7]，如果各層厚度安排不合理，表層太薄起到不到應有效果，太厚影響生產(chǎn)的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量，也增加了原料的浪費?！ ?br />
2.2.1 防黏劑[9][10]
防黏劑的主要作用是防止薄膜相互粘結(jié)。防黏劑是通過將有效粒子均勻的混合在聚丙烯原料內(nèi)，這些粒子和聚丙烯原料不相容，并且熔點比聚丙烯要高很多，拉伸成膜以后，這些粒子在薄膜表面形成微球，在兩層薄膜之間形成“架橋”現(xiàn)象，薄膜和薄膜的表面之間有空氣層存在，起到防粘的作用。防黏劑可分為有機防黏劑和無機防黏劑，有機防黏劑有聚甲基丙烯酸甲酯、聚硅氧烷等，無機防黏劑有滑石粉、二氧化硅、磷酸鈣等。
防粘劑添加過多，薄膜霧度增加，拉伸后還會掉落，影響下游使用，添加量少防粘達不到效果。防黏劑的粒子大小、外觀形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，應根據(jù)下游客戶需求，添加不同防黏劑。目前市面上貝斯特公司和康斯坦普公司的產(chǎn)品比較成熟?！?br />
2.2.2 抗靜電劑[11][12][13][14]
薄膜在快速生產(chǎn)過程中，摩擦會產(chǎn)生非常多的靜電，物理的靜電消除器會消除一部分靜電，但是大膜卷內(nèi)還會不斷累積靜電?？轨o電劑是將薄膜表面的多余電荷導出去的一種添加劑。如果薄膜的表面靜電累積太多，會影響生產(chǎn)的安全，靜電也會吸附空氣中的雜質(zhì)，影響薄膜的品質(zhì)?？轨o電劑至少有一個親水基團和一個親油基團，親水基團吸附空氣中的水分子，形成導電的回路，親油基團和聚丙烯結(jié)合和纏繞，保持抗靜電分子不脫落。抗靜電劑可分為離子型、非離子型、高分子導電型和復合型，現(xiàn)在的BOPP薄膜的抗靜電劑多為非離子型，如單甘脂、乙氧基氨等。
抗靜電劑基本在芯層和聚丙烯共混使用，加工過程中抗靜電分子會從內(nèi)部緩慢的遷移到表面。遷移時間受抗靜電劑種類、添加量及電暈等影響?？轨o電劑的抗靜電效果還和車間的濕度有影響，夏天空氣的濕度大，抗靜電劑可適當減少；冬天濕度小，適當提高用量。抗靜電劑添加過多，薄膜容易發(fā)粘和發(fā)紅，添加量少，達不到抗靜電效果。
2.2.3 爽滑料[15]
有些薄膜（煙膜）在下游加工時速度非?？欤砸蟊∧さ哪Σ料禂?shù)低，因此需要在薄膜里面添加一定量的爽滑料。爽滑料一般添加在芯層，薄膜成型后，爽滑料從薄膜內(nèi)遷移到表面，聚積成均勻的薄涂層，使得薄膜表面光滑，極大地降低了摩擦系數(shù)。
爽滑料一般是二酰胺類爽滑劑和無遷移型爽滑劑，爽滑母料用量要適宜，用量過多也會造成薄膜發(fā)粘。對摩擦系數(shù)要求低的產(chǎn)品，必須添加爽滑母料。
2.2.4 熱封料[16]
為了使薄膜具有熱封效果，必須在薄膜的表面添加一定量的熱封料。BOPP的熱封料一般是乙烯、丙烯二元共聚物或乙烯、丙烯、丁烯三元共聚物。薄膜經(jīng)過加熱時，熱封料由于熔點低、鏈段短、支鏈多，會首先熔融和流動，再經(jīng)過一定的壓力后，薄膜的表面熱封料分子鏈會相互糾纏，形成熱封狀態(tài)。只有一面使用熱封料的為單面熱封膜，兩面都使用熱封料的為雙面熱封膜。
熱封膜的啟封溫度和熱封強度與薄膜的表層厚度、防黏劑的用量、共聚物的配比、支鏈化程度、分子量、分子鏈長度、灰分含量等都有關系。熱封膜啟封溫度并不是越低越好，需要根據(jù)客戶的需求來定制，一般啟封溫度在85～110℃，但是客戶都希望熱封膜的熱封強度越高越好，最少要達到2N/15mm。通過提高加工時的溫度、壓力、熱封時間能在一定程度提高薄膜的熱封強度，但是超過薄膜的耐用性，整個薄膜可能會變形而無法使用。
2.2.5 消光料[17]
為了提高薄膜的霧度，使薄膜外觀更加細膩，需要在薄膜的表層添加一定量的消光料?，F(xiàn)在的消光料是由聚丙烯和聚乙烯按照一定比例，同時添加少量的增塑劑和抗氧劑共混造粒制得。消光料的霧度與聚丙烯和聚乙烯的比例有關，兩者的比例在1：1時，霧度一般能達到70%以上，聚乙烯的用量越少，薄膜的霧度越低。消光料使用的聚丙烯熔指一般在6～10g/10min，聚乙烯選用高密度聚乙烯，熔指在0.2～0.4g/10min。兩者混合的越均勻，生產(chǎn)出的膜面就越細膩。消光料之所以有消光效果，是因為薄膜在雙向拉伸時，由于聚乙烯結(jié)晶速度非常快，會率先形成較大的晶體顆粒，使得薄膜表面粗糙，對照射的光線起到了散射作用，形成消光效果。只有一面使用消光料的為單面消光膜，兩面都使用消光料的為雙面消光膜。
很早之前的科研人員[17]為了使薄膜的表面具有消光料效果，有的通過在原料內(nèi)部添加大量的無機粒子，如二氧化硅和碳酸鈣，有的對薄膜表面進行化學腐蝕，也有物理處理，這些方法雖然都能起到一定消光的效果，但是對薄膜的性能、生產(chǎn)的工藝以及薄膜的安全性都有非常大的影響。相比單純消光膜霧度的指標，現(xiàn)在客戶越來越受關注膜面分散效果，膜面越細膩、霧度越均勻，產(chǎn)品的價格也越高。要想實現(xiàn)較好的膜面分散效果，需要對消光料的原材料篩選和加工的工藝進行優(yōu)化，很多的母料公司都在大力研發(fā)性能優(yōu)異、生產(chǎn)周期長的消光料，也取得了一定的效果，市場上德冠和金田等企業(yè)生產(chǎn)的消光料效果較好，購買的企業(yè)較多。
2.2.6 防霧料[19]
普通薄膜在包裝蔬菜、菌菇、冷凍食品時，水蒸氣會慢慢凝結(jié)在薄膜表面，形成大水滴，影響觀感，同時水滴也會滋生細菌，縮短食品的保質(zhì)期。聚丙烯是非極性材料，屬于憎水材料，水分子在表面容易形成大水滴，防霧母料減小了薄膜表面的接觸角，使水分子均勻的貼附在薄膜表面，形成一層水膜，水分子無法在薄膜表面形成較大的水滴，達到防霧的效果。防霧料一般加在芯層，有效成分是甘油酯、中長鏈脂肪酸脂化合物等。防霧分為冷防霧和熱防霧，防霧的等級越高防霧效果越好?！ ?br />
2.2.7 其他輔料
珠光料[20]：一般是以碳酸鈣、二氧化硅、二氧化鈦為主要原料和聚丙烯共混制作而成。珠光料添加在薄膜的芯層，薄膜在經(jīng)過拉伸后，碳酸鈣、二氧化硅大小不會變化，粒子的周圍產(chǎn)生很多空穴，光線穿過薄膜表層，在薄膜內(nèi)部空穴相互反射，使得薄膜具有了珠光的效果。根據(jù)珠光料添加的比例、顆粒大小、材料的種類不同，生產(chǎn)的珠光膜在薄膜的密度、白度、物理性能方面都有差異?！ ?br />
色母料[21]：通過在聚丙烯添加不同色母制作的母料。色母原料分為有機和無機，有機的為酞箐紅、酞箐藍等；無機的為鎘黃、鈦白粉、炭黑。為增加色母料的分散，還會添加一定量的聚乙烯低分子蠟、硬脂酸酯等分散劑。色母料常單獨在次表層使用，BOPP薄膜生產(chǎn)的彩色膜顏色穩(wěn)定性好，不易氧化，同時減少了下游二次加工的工序，節(jié)約了資源。現(xiàn)在幾乎所有的薄膜都要添加多種輔料，才能保證生產(chǎn)出性能穩(wěn)定、客戶滿意的產(chǎn)品，包括普通的光膜至少也需要抗靜電母料和防粘母料，同時多種多樣的母料相互組合，也能生產(chǎn)出多種性能的功能性薄膜，比如將熱封料和消光料結(jié)合，就可以生產(chǎn)出一面熱封，一面消光料的薄膜；或者將防霧料和熱封料結(jié)合，就可以生產(chǎn)防霧熱封膜。當然并不是所有的母料都可以相互結(jié)合，比如消光料和防霧料就不能結(jié)合，因為防霧料的作用是防止包裝物表面凝結(jié)水珠，使得產(chǎn)品有較好的透明度，而消光膜的霧度大，不能透過光線，這兩者之間存在矛盾。
3結(jié)語
BOPP薄膜的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售涉及到的上下游行業(yè)非常廣泛，中國薄膜行業(yè)現(xiàn)在的規(guī)模越來越大，生產(chǎn)的產(chǎn)品也越來越齊全，這既得益于國家的政策支持，也順應了時代的發(fā)展，更離不開每一個參與薄膜開發(fā)的生產(chǎn)者、制造者。想要生產(chǎn)出性能穩(wěn)定，符合客戶要求的薄膜，需要企業(yè)各部門共同的努力和配合，包括原料的裝卸、設備的穩(wěn)定、人員的操作、產(chǎn)品的檢測、銷售的拓展、員工的激勵等多方面，是一項非常復雜的工程，特別是在開發(fā)一些新產(chǎn)品時，需要付出的精力更多，但也正是這樣的磨煉，實現(xiàn)了整個隊伍的成長，減少了未來資源的浪費，促進了薄膜行業(yè)的繁榮。
然而，大部分的生產(chǎn)者也深刻的感受到國外的技術限制，目前中國絕大部分的BOPP生產(chǎn)設備都選用國外的布魯克納、三菱、依梭普等企業(yè)，高端的原料都需要采購三井、陶氏、美孚等企業(yè)產(chǎn)品，他們在技術、規(guī)模、成本、質(zhì)量上都有絕對的優(yōu)勢，價格也遠高于普通產(chǎn)品，交貨的周期也非常長，嚴重影響了中國企業(yè)的生存和發(fā)展。近些年來，中石油、中石化等[9]企業(yè)在突破雙向拉伸聚丙烯原料生產(chǎn)工藝后，也在積極開發(fā)性能優(yōu)異的輔料并取得了一定的成績，但是在設備加工上，國內(nèi)的企業(yè)還只能模仿制造一些要求不高的配件，如輥筒、展平輥等，對精度要求高的激冷輥，擠出機以及電氣設備等，都還需要依靠進口，未來急需突破。
塑料薄膜行業(yè)正在快速發(fā)展，除了傳統(tǒng)的BOPS/BOPET/BOPA等薄膜，現(xiàn)在BOPE[23][24][25]/BOPLA[27]/BOPBAT[28]等薄膜正在中國如火如荼的發(fā)展，相信隨著新技術、新材料的出現(xiàn)，一定會突破國外的技術封鎖，創(chuàng)造出屬于中國的薄膜產(chǎn)品。
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