淺析高分子材料基本加工工藝—TPU薄膜流延成型技術

彭勝春

摘 要：材料是人類用于制造物品、器件、構件、機器或其他產品的那些物質，是人類賴以生存和發展的基礎。材料分為傳統材料（也叫基礎材料）和新型材料（也叫先進材料），進入21世紀新型材料得到迅猛發展，高分子材料就是其中的一種。TPU屬于高分子材料的一種，是一種新型的環保材料。它有多重加工成型方式，其中擠出成型是重要的成型方法之一，與其他成型方法相比，擠出成型有下述特點：生產過程是連續的，因而產品都是連續的，生產效率高；應用范圍廣；投資少，收效快；操作簡單。流延法成型方式易于大型化、高速化和自動化，生產出來的薄膜透明度比吹塑薄膜好，厚薄精度高，薄膜均勻性好，強度也高20%-30%，可用于自動包裝。

關鍵詞：高分子材料，加工工藝，TPU，流延機

現在文明和未來的進步由“能源工程”、“信息工程”、“生物工程”和“材料工程”四大支柱支撐著。因此，材料的發展直接影響到人類生活和科學技術的狀況。人們通常將材料分為“金屬材料”、“無機非金屬材料”和“有機材料”。有機材料又分為“有機低分子材料”和“有機高分子材料”（簡稱高分子材料）。高分子材料原料豐富、性能優良，在材料領域中所占的位置日益重要。

高分子材料工業共包含“原材料生產”（即樹脂、生膠，還包括半成品的生產）和“制品生產”兩個系統。制品的生產（即加工工業）包含很多種類，如：TPU、PVC、PP、PC、ABS等。其中TPU是一種新型的環保材料，相比較其他材料有其獨特的性能。被稱為“第三代橡膠”其獨特的性能，決定了加工方法與其他材料略有不同。本文根據傳統材料的加工方法，結合自己的實踐經驗。總結了適應TPU的加工方法。

1、加工成型用的原料及其配制

1.1 加工成型用的原料

原料的選用一般選用擠出級TPU樹脂，MFR在20—60g/10min。樹脂的牌號和類型根據薄膜的用途選定：如，需耐水解，做水上產品用的薄膜，應選用聚醚型的TPU樹脂，國產的山東萬華的WHT8085；進口的路博潤的58219等。

1.2 原料的配制

1.2.1 配料

將（TPU）樹脂為主要原料和其他的輔助材料按配方的要求，按一定的質量比計量后，混合均勻稱為配料。

1.2.2 原料的混合

原料的混合是把以TPU樹脂為主要原料和其他一些輔助材料（制品成型用料配方中的材料），按配方要求計量后，在混合機中攪拌混合均勻；然后再按原料成型工藝要求，直接投入到擠出機內擠出成型。

1.2.3 物料的輸送

在TPU配混料的配制過程中，要解決樹脂的輸送與計量，目前多數采用氣動輸送系統。物料的氣動輸送一般以空氣為動力源，速率較高，且具備機械輸送的多數優點，但受物料大小的限制。大塊、團塊、餅狀物料不能采用。

TPU樹脂的氣動輸送系統由負壓動力機組操作。它把TPU樹脂從大貯料倉中抽吸出來，物料被抽提到過濾收集器，在這里與氣流分開。從過濾收集器出來的物料，由于重力而落入儲料筒，通過氣流送入主機。

1.2.4 物料的干燥

干燥是指利用加熱、熱風、真空等動力源，在物料的配制或成型之前，除去原材料（合成樹脂和各種添加劑）中水分及其揮發物的工藝過程。

1.2.5 TPU分散體

TPU分散體所含組分有樹脂、分散劑、稀釋劑、膠凝劑、穩定劑、填充劑、著色劑、表面活性劑以及為特殊目的而加入的其他助劑等，關于分散體的具體配方，在以后的論文中會有詳細的介紹。

2、塑料薄膜擠出機

2.1 擠出機成型生產應用

擠出機是塑料成型加工的重要成型方法之一，大部分熱塑性塑料都能用此法進行加工。與其他成型方法相比，擠出成型有下述特點：生產過程是連續的，因而產品都是連續的，生產效率高；應用范圍廣；投資少，收效快。

2.2 擠出機的分類

擠出機的分類方法如下：按螺桿數目的多少可分為單螺桿擠出機、雙螺桿擠出機和多螺桿擠出機；按可否排氣分為排氣擠出機和非排氣擠出機；按螺桿的有無可分為螺桿擠出機和無螺桿擠出機；按螺桿在空間的位置可分為臥式擠出機和立式擠出機 。

2.3 塑料薄膜擠出機的結構

塑料薄膜生產線上最常采用的是非排氣臥式單螺桿擠出機，其次是排氣臥式單螺桿擠出機和雙螺桿擠出機。

在塑料流延薄膜生產線上，擠出機稱為主機，由螺桿、機筒、料斗、加熱冷卻系統、傳動系統、機架、電氣控制系統和過濾網等組成，它是塑料擠出流延成型薄膜生產線的核心單元設備。

而其后續設備，如模頭、流延機、測厚儀、電暈處理機、擺幅機構、收卷機等統稱為塑料流延薄膜生產線輔機。

3、流延TPU薄膜的加工工藝及其參數

3.1 流延TPU薄膜的加工工藝

流延薄膜加工工藝是樹脂經擠出機熔融塑化，從機頭通過狹縫型模口擠出，使熔料緊貼在冷卻輥筒上，然后再經過拉伸、分切、卷取。流延法成型方式易于大型化、高速化和自動化，生產出來的薄膜透明度比吹塑薄膜好，厚薄精度高，薄膜均勻性好，強度也高20%～30%，可用于自動包裝，但所需設備投資較大 。

3.1.1 擠出流延薄膜工藝流程和生產線主要裝置

（1）擠出機擠出機的規格決定薄膜的產量，規格較大時也可用？200mm的擠出機。由于流延薄膜的高速化生產，因此，擠出機的規格至少選擇？65mm以上。螺桿結構多采用混煉結構，結構應能滿足邊角料回收的要求。螺桿的長徑比為25～33，螺桿壓縮比為4。

（2）機頭生產流延薄膜的機頭為扁平機頭，模口形狀為狹縫式。這種機頭設計的關鍵是要使物料在整個機頭寬度上的流速相等，這樣才能獲得厚度均勻、表面平整的薄膜。這種機頭對于擠出薄膜或片材同樣適用。

（3）流延生產線中的冷卻裝置主要由冷卻輥、剝離輥、制冷系統及氣刀、輔助裝置組成。

①冷卻輥冷卻輥是流延薄膜中的關鍵部件，其直徑約400～500mm，長度約比口模寬度稍大。冷卻輥表面應鍍硬鉻，拋光至鏡面光潔度。

②氣刀氣刀是吹壓縮空氣的窄縫噴嘴，是配合冷卻輥來對薄膜進行冷卻定型的裝置，其寬度與冷卻輥的長度相同。刀唇表面光潔，制造精度高。

③測厚裝置在高速連續生產過程中，薄膜測厚必須實現非接觸式跟蹤自動檢測。

④張力的測控與振動在流延薄膜生產過程中，由于傳送和卷取，傳動系統應能提供恒定的扭矩，使用可控硅整流直流電機可以實現這一要求。

⑤縱切裝置擠出薄膜由于產生“瘦頸”（薄膜寬度小于機頭寬度）現象，會使薄膜邊部偏厚，故需切除薄膜邊部，才能保證膜卷端部整齊、表面平整。

⑥電暈處理裝置薄膜經過電暈處理，可以提高薄膜表面張力，改善薄膜的印刷性及與其他材料的黏合力，從而增加薄膜的印刷牢度和復合材料的剝離強度。處理后的薄膜的表面張力要求達到32～58mN/m ，通常在38～44mN/m之間。

⑦卷取裝置 薄膜采用主動收卷（有軸中心卷取）形式，為了適應流延薄膜寬度大和生產線速度高的特點，收卷裝置一般都為自動或半自動切割、換卷。以雙工位自動換卷應用較多。

⑧其他輔助裝置 流延成型設備，除去前面所述的裝置以外，還有展平輥、導輥、壓輥等裝置 。

3.2 流延TPU薄膜的加工工藝參數

3.2.1 選定樹脂，以進口的路博潤的58219為例。

3.2.2 溫度機頭寬1.8m用Φ120mm的單螺桿擠出機組成的生產線中，擠出溫度，見表1 。

第1、2段屬于加料段，樹脂在此階段只發生攪拌、破碎和軟化，并不發生物態的轉變，溫度不能太高。該階段產生的推動力是否連續、均勻、穩定，剪切應變率的高低，破碎與攪拌是否均勻都影響著擠出的質量和產量。

第3、4、5段屬于壓縮段，也叫熔融段，在此階段，初步攪拌、破碎和軟化樹脂，受螺桿的推擠作用、較高溫度的熱作用、與機筒和螺桿的摩擦作用、由于螺槽體積變小造成的壓力作用，使樹脂熱交換作用加大，表里達到熱平衡，逐漸由固態轉變為黏流態（可塑態）。此時樹脂的分子結構發生了根本改變，分子間張力極度松弛，除組成中特高分子量外，主體完成了塑化—即初步塑化，并且在壓力作用下，排除了固態物料中所含氣體，實現初步壓實。

第6、7段屬于均化段，也叫計量段，該段螺紋深度最淺、螺槽容積最小，螺桿與機筒間產生的壓力最大，同時物料受到過濾網板的反作用力，在徑向壓力和軸向壓力的高壓作用下，使膠層壓實、致密，該段的溫度也最高，使經過熔融段未能塑化的高分子在此段完成塑化，從而消除“顆粒”，使塑化充分均勻，所以該段稱為“均勻段”。因擠出量的大小由該段的容積決定，所以又叫“計量段”。

熔體經螺桿熔融、均化，此時熔體充分塑化，在高溫、高壓狀態下，進入機頭。為了使產品的厚度均勻、穩定，減小熔體的流動性，需要降低熔體的溫度，使熔體均勻的從模頭流出，產品的橫向厚度均勻。

冷卻輥表面溫度的高低直接影響鑄片結晶度的大小。溫度較低時結晶度小，薄膜透明度好，拉伸強度高；但溫度太低會增加制冷費用，此溫度一般控制在18—20℃。

3.2.3 速度 螺桿轉速為60r/min，牽引速度可達80—90m/min。

3.2.4 氣刀控制氣刀與冷卻輥之間的距離應盡量小，整個機頭寬度內，氣刀與冷卻輥之間的距離應相同，氣刀風壓均勻。

3.2.5 收卷張力收卷張力一般為100N。

3.2.6 電暈處理經過電暈處理的TPU薄膜，其表面張力可達40—120mN/m。

4、結論

由于TPU獨特的性能，具有其獨特的加工特性，不需要硫化這道工序。而硫化對橡膠來說，是非常重要的一環，決定著橡膠的使用性能；TPU屬于熱塑性彈性體，對溫度非常敏感，溫度低或高，都會影響產品性能。傳統高分子材料，如：PE、PP等，加工溫度相對寬一些；TPU的范圍60A～80D，決定了加工溫度170℃～250℃。而傳統高分子材料加工溫度沒有這么大的跨度。所以TPU流延成型技術有其獨特的一面。

本人通過理論學習高分子材料加工工藝，結合自己五年來的工作經驗，總結了TPU薄膜流延成型技術。相比原有的生產工藝，更加全面、詳細的介紹了薄膜流延成型技術，不僅保證了產品質量的穩定性，而且降低了生產成本。

《中國制造2025》是中國版的“工業4.0”規劃。規劃經李克強總理簽批，已由國務院于2015年5月8日公布。規劃里面提到了十大產業，其中第九個就是新材料。TPU作為一種新型的環保材料，就是一種新材料。作為新材料，國家大力扶持的產業，隨著人們環保意識的增強，市場需求量會越來越大，生產的廠家也會越來越多，希望可以給準備進入這一行業的生產廠家一些思路和幫助。

參考文獻：

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