[科普中國]-雙軸拉伸

雙軸拉伸（biaxial drawing）

在制造薄膜或板材時沿著其平面的縱橫兩個方向的拉伸。經(jīng)雙軸拉伸后，高分子鏈傾向于與薄膜平面平行的方向排列，而在平面內(nèi)分子鏈的方向是無規(guī)則的。這樣在膜面的各方面上強度均勻，并比未拉伸前強度大大提高，不易破裂。

簡介雙軸拉伸（biaxial drawing），又稱雙軸取向拉伸，是拉幅塑料薄膜的生產(chǎn)方法之一。物體受到兩個軸向外力的作用的一種拉伸形式。這兩個軸向通常是相互垂直的。兩個軸向上的拉伸可以是同時的也可以是先后進行的。

塑料薄膜按縱橫兩個不同方向進行平而內(nèi)的互相垂直拉伸。此時材料分子沿縱、橫兩個方向取向。雙軸拉伸可分逐次拉伸和雙向同時拉伸.雙軸拉伸薄膜縱向和橫向的強度差別小。一般在材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上和熔點以下進行。1

雙軸拉伸薄膜雙軸拉伸薄膜是指聚合物薄片（中間產(chǎn)品）經(jīng)縱橫兩向拉伸的薄膜。雙軸拉伸薄膜生產(chǎn)的方法有管狀吹塑法和乎片拉幅法。管狀吹塑法是將擠出的管膜，在縱橫方向上同時吹脹拉伸，吹脹方式分靜壓和動壓兩種。靜壓操作是指管內(nèi)壓力由靜止的空氣形成，只要維持管膜內(nèi)一定的空氣量，就能保證管膜的穩(wěn)定，達到穩(wěn)定的縱橫向拉伸。動壓操作是指內(nèi)部芯軸與管膜間的流動氣體壓力差使管膜達到拉伸的。嚴片拉幅法主要有片材制造和其拉伸兩個工序，因?qū)嵤┑墓に囃緩讲煌?，可分為縱橫向同時拉仲和先縱向后橫向及先橫向后縱向拉伸等方式。兩種雙軸拉伸薄膜生產(chǎn)方法的比較見下表。

|| || 雙軸拉伸薄膜生產(chǎn)方法比較

經(jīng)雙軸拉伸的薄膜，由于分子的定向，物理力學性能得到顯著改善，例如PA-6，未拉伸的和經(jīng)雙軸拉伸的薄膜在性能上就有很大的差異。

隨著高分子成型工藝技術(shù)的發(fā)展，雙軸拉伸薄膜的生產(chǎn)正向高速、寬幅、厚度薄型化方向迅速發(fā)展。以聚酯和聚丙烯拉伸薄膜生產(chǎn)為例：聚酯膜的最大寬度已達3.5m以上，厚度已低至1.5μm；厚度3.5～254μm，幅寬高達6.6m的聚丙烯薄膜生產(chǎn)線，最高車速已達325m/min。2

雙軸拉伸成型工藝（1）工藝流程 平片法拉伸薄膜生產(chǎn)工藝流程如圖所示。

（2）平片雙軸拉伸原理 對于非結(jié)晶高聚物：聚合物在擠出機中融熔成粘流態(tài)，經(jīng)扁平口模擠出制片，薄片冷卻至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）以上并保溫，隨即進行拉伸、拉幅與冷卻，即制得雙軸定向的薄膜（例如拉幅法聚苯乙烯雙軸定向薄膜）。對于結(jié)晶高聚物，聚合物在擠出機中熔融，塑化，經(jīng)扁平口模擠成薄片并迅速冷卻，如可能應冷至材料的（Tg）下，以確保片材具有最低的結(jié)晶度，將這種近似無定型的薄片再次加熱至Tg以上預熱，拉伸、拉幅、熱定型、冷卻（不熱定型即制得可收縮薄膜）。熱定型可使拉伸薄膜的內(nèi)應力均勻釋放，并增大結(jié)晶度，這就是薄膜在高于Tg下使用時不發(fā)生明顯收縮，尺寸穩(wěn)定性好，使用溫度范圍擴大的原因。熱定型溫度的選擇通常總是高于拉伸溫度而低于結(jié)晶聚合物的熔點（Tm）。當定型溫度太低時，由于大分子結(jié)晶生長太慢，應力釋放不好（松弛不好），使最終產(chǎn)品收縮性變大，尺寸穩(wěn)定性較差。定型溫度過高，又因晶核形成太慢，大分子解定向嚴重，薄膜變脆、性能下降。此外，熱定型溫度的選擇還與制品厚度、拉幅設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工藝操作等有關(guān)。通?？偸且赃x擇在高聚物的最大結(jié)晶速率溫度或稍高為宜，并視對最終產(chǎn)品的結(jié)晶度與性能要求而定。2

高聚物拉伸定向的一般規(guī)律可歸結(jié)如下：

1）拉伸速度與拉伸倍數(shù)一定時，拉伸溫度超過材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）越低，定向作用越大。

2）拉伸溫度與拉伸速度一定時，拉伸倍數(shù)越大，定向作用越大。

3）拉伸溫度與拉伸倍數(shù)一定時，拉伸速度越大，定向作用越大。

4）任何拉伸條件下，冷卻速度越快，定向度越大。2

雙軸拉伸測定為了測定帶原始裂紋的試樣在雙軸拉伸時的強度，采用球冠形試樣。這種試樣是用平面坯料通過深沖而成。在球冠的極上制一穿透的裂縫（寬為0.3毫米，長度通常為球冠的0.1），裂縫的方向一般沿著纖維方向。沿裂縫的端頭用內(nèi)壓反復加載的方法開一個2毫米長的裂紋。在試驗過程中，記錄加到試樣上的壓力值（p）和試樣曲率的變化（Δh），帶裂紋試樣的強度σ可按下式確定：3

σ=pR/2t0

式中 p——加到試樣上的最大壓力；

R一一一球冠的半徑；

t0——球冠的極的原始厚度（試驗前）。3

雙軸拉伸的重要因素高分子薄膜雙軸拉伸的重要因素，首先是化學結(jié)構(gòu)、分子量、分子量分布、支鏈情況、立體規(guī)整性、取向性，結(jié)晶性等分子特性，此外，各種脂樹固有的熱性質(zhì)、動態(tài)粘彈性行為、結(jié)晶速率、分子間力以及伴隨雙軸拉伸的分子取向、結(jié)晶取向行為等也是重要因素。特別是從熔融態(tài)冷卻固化時生成的球晶，其大小以及與之相關(guān)的變形特性和破壞機理均為重要因素。作為雙軸拉伸條件，拉伸溫度和拉伸速度的設(shè)計是重要的。拉伸溫度范圍的設(shè)計應該是，在拉伸過程中保持適當?shù)姆肿娱g力，而且使分子鏈節(jié)的微布朗運動盡可能充分，使折疊分子鏈解纏?；蛘弋a(chǎn)生滑動伸展。拉伸速度的設(shè)計應考慮到，在拉伸過程中相應韻分子取向、加熱影響的應力松弛速率和結(jié)晶速率等時間性因素，以及在高速拉伸時產(chǎn)生的內(nèi)部摩擦熱等。以上即為雙軸拉伸條件的基本考察要點。它們對于無定形高分子在延伸過程中，抗拉力和收縮力的平衡，對于結(jié)晶形高分子的結(jié)晶，結(jié)晶部分溶解的行為、結(jié)晶逆轉(zhuǎn)和破壞等現(xiàn)象的對應關(guān)系是重要的。4

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

耿彩芳 - 副教授 - 中國礦業(yè)大學