用于在固态中纵向拉伸薄膜的方法和实现该方法的装置的制造方法
【专利说明】用于在固态中纵向拉伸薄膜的方法和实现该方法的装置
[0001]本申请是名称为“用于在固态中纵向拉伸薄膜的方法和实现该方法的装置”、国际申请日为2010年5月6日、国际申请号为PCT/EP2010/056220、国家申请号为201080019726.X的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及用于热塑性薄膜材料的纵向定向的方法和装置，具体是涉及已被在相对低温下单轴拉伸的薄膜的交错积层的制造。
【背景技术】
[0003]已知在交错积层中的最佳全方位强度性能是通过如下的定向步骤来获得:首先在由挤出模下抽时进行强烈的几乎单轴熔化定向，或更好是当该聚合材料半熔化时进行几乎单轴的定向，然后在更低的温度下进行进一步定向。“全方位强度性能”这里是指抗拉强度、屈服点、抗破裂延伸性和抗刺穿性的组合。很难给出满意的说明为何这些定向步骤的组合是优选的，但可以简要地说，当在这些步骤中进行定向时，分子链将会展现不同定向程度的宽光谱，且那些相对较低定向的在该薄膜受到撕裂或刺穿力时将会帮助其重新定向而不是裂开。
[0004]但是，在低温拉伸会造成重大问题，例如在主要由高密度聚乙烯(HDPE)或等规或间规的聚丙烯(PP)所构成的薄膜中。这个问题的一个方面是，当薄膜被纵向拉伸时，其具有很高的倾向会在横向收缩，同时其厚度会减少。此倾向在温度低时最高，例如在10-40°c之间，考虑到所实现的性质，这是HDPE和PP的最佳拉伸温度。该问题的另一方面是，在这些低温度下，该材料将会“缩幅”，而不是在合理的长区域中逐渐地形成定向。这意味着拉伸必须在紧密间隔的拉伸辊或拉伸杆之间发生，而除非采取特殊的预防措施，这将会阻止该薄膜在横向进行所需的收缩。
[0005]在公开于大约40年前的US 3233029 (Rasmussen)中，提出了解决该问题的建议，即通过在拉伸之前在一个或更多个短拉伸区域中纵向打褶，来“预期”薄膜会横向收缩的大部分，这在本发明的权利要求1的前序部分中更精确地表述出。
[0006]在US 3233029中，所述的打褶机构由两组盘组成，它们相间隔开地安装在轴上，一组在要被打褶的薄膜上方且另一组在薄膜下方，使得一组中的盘咬合在另一组中的盘之间。由此薄膜会被迫来形成皱褶或褶皱。该专利还公开了薄膜优选通过一冠状辊，该冠状辊适于使这些边缘上的应力等同于薄膜的中间的应力。冠状意指该辊在其中间具有最大的直径，该直径会朝其两端逐渐地减小。最后该专利公开了薄膜优选在该拉伸区域中被冷却，这可通过以毛毡覆盖拉伸杆并保持该毛毡湿润来方便地实现。水分也由于其润滑作用来协助使得薄膜横向收缩，这将会消除该皱褶。没有皱褶会保留在最终产品中。
[0007]本发明人成功地将盖旧发明应用于柔性化的HDPE和PP，但仅在相对窄的宽度中，不足以用于例如交错积层的工业用袋或交错积层的保护层的工业生产。当尝试将该发明应用于较硬薄膜，譬如由平HDPE或PP制成的薄膜，或尝试将其应用于更大宽度(例如Im宽)的薄膜上时，薄膜所施加的横向力总会造成薄膜的以纵向延伸线形式的横向拉伸。似乎应用纵向打褶以容许薄膜在纵向拉伸时横向收缩的原理迄今为止只能在某些条件下被工业性地实施，这些条件还会造成横向拉伸并沿细窄的纵向线变薄。
[0008]也公开于大约40年前的GB 1062936 (Rasmussen)由另一角度解决有关HDPE或等规PP薄膜的低温拉伸问题。这包括通过使得薄膜在张力下经过沿薄膜的移动方向起皱褶的表面上方，而使该薄膜在均匀间隔的纵向区域中受到初始拉伸，情况是薄膜在经过在薄膜与皱褶的隆起部分相接触的区域中的表面时开始定向，而在中间的区域中基本上不会。
[0009]该专利作出以下解释，这产生呈“横跨薄膜的整个宽度的剪切线或微观颈缩区域的基本规则的图案”形式的定向，这“有利于用以产生强定向的后续拉伸程序”。
[0010]该专利在
【发明内容】
和权利要求中陈述，该起皱褶表面可为凹槽杆，或交叉沟纹辊。但是，具体实施例部分只描述了使用凹槽杆，该专利并未包含可应用的凹槽辊的尺寸和实际构造的任何指示。在【具体实施方式】部分中，该凹槽杆安装成紧邻于输送薄膜的辊。
[0011]其例子涉及拉伸Im宽的添加10%聚异丁烯的HDPE薄膜。此例子现在被重复，使用以吹胀率1:1挤出的管状膜，而该旧专利的所声称的优点被再次证实。但是，若使用类似的薄膜但以吹胀率1.4:1来挤出，则定向会变得不规则。当进一步改变来吹出由平HDPE制成的薄膜时，该工艺会对薄膜造成损害。值得注意的是，吹胀率1:1并非在挤出薄膜时通常使用的，部分是因为该挤出模的所需尺寸，且部分是由于该薄膜的厚度的较差控制。
[0012]另一缺点应被提出，即当拉伸以工业速度在固定杆上进行时，会发生摩擦热的无限发展。
[0013]在W02009/056601 (Rasmussen等人)中，其在本案申请时尚未被公开，上述的第一个发明已被进一步发展。其改良的特征是在于，宽度的减少在减小区域内逐渐地发生，该减小区域不短于原始薄膜宽度的一半，该区域被上游辊组件及以不同的转轴方向安装的下游辊或辊组件所限制，此方向在该薄膜中央会与该机器方向形成90°的角度，且在该减小区域内会朝其边缘逐渐地改变从而以收敛方式递送薄膜。优选该宽度减小区域形成于两同心设置的“香蕉”辊之间，且优选有多对互相啮合的凹槽式香蕉辊引导薄膜通过此区域。所有的这些凹槽式香蕉辊都与在该宽度减小区域的上游和下游端的这些香蕉辊同心。
[0014]W02009/056601还具有这样的特征，即打褶可在多个步骤中通过多组凹槽式辊来实施，其中各组中的凹槽的节距可互相不同从而由较粗的打褶发展至较细的打褶。
[0015]在薄膜表面不会太摩擦性且该薄膜不会太厚的情况下，在W02009/056601中记载的方法通常将足以实现完全令人满意的拉伸结果，即使当平HDPE或PP薄膜在大约室温被拉伸时。但是，为了迭层目的，薄膜可具有低熔点且因而较具摩擦性的表面层。这可能会阻抗这些皱褶的消除，其应在该薄膜变成纵向定向时会因横向收缩而发生。该拉伸主要在薄膜被拉曳通过在该拉伸区域的上游端中的辊时来发生，因此在薄膜与该辊间的高摩擦力会是有害的。为克服此问题这些皱褶在这种情况下必须在实际中尽可能地细微。
【发明内容】
[0016]本发明的、通过在固态中拉伸来为热塑性聚合物薄膜提供纵向定向的改进方法包含以下已知的特征:该方法的至少一个拉伸操作在薄膜于一个或更多个短区域中前进时发生，所述短区域在两个或更多个拉伸辊上及/或之间，其中由边缘至边缘沿直线测得的宽度在该拉伸之前呈纵向延伸的皱褶图案的形式而减少。
[0017]在使用凹槽辊的情况下，至少部分形成这些皱褶，凹槽辊即具有呈圆形顶部和凹槽的图案的波纹状表面的辊。
[0018]本发明的特征在于:在所述拉伸操作中，皱褶的形成在至少两个步骤中产生，最后的步骤通过使前进的薄膜在纵向张力下卷绕凹槽式小辊来执行，该凹槽式小辊安装在光滑拉伸辊上游并紧邻该光滑拉伸辊，该小辊由以下测量值来限定:
[0019]a)从一凹槽的中央测至相邻凹槽的中央(或一顶部的中央至相邻顶部的中央)的凹槽的节距为20mm或更小；
[0020]b)从一顶部的中央至各相邻顶部的中央、沿波纹状辊表面所测的周长，在图1的实施例中为(S1+S2+2XS3)，除以凹槽的节距在1.10至1.80之间的范围内；和
[0021]c)在波纹的顶部所测的该辊的直径最高为凹槽节距的4倍。
[0022]以此方式，皱褶将被制成比迄今所可能的更细及/或更均匀，因此克服拉伸时的不规则。
[0023]适于实施本发明的该方面的装置在权利要求15中限定。
[0024]使用具有这种深波纹廓形和这种小直径(该两者皆相关于该圆形表面波纹的节距)的凹槽辊，将会有令人惊讶的效果。从图1中可知尺寸的这些与众不同的关系。被拉紧的薄膜在被卷绕在小辊上时，将具有被朝向这些凹槽的底部拖曳的高度倾向，因而形成特别细且均匀的皱褶。如前所述的情况是，薄膜在接近小辊时已被预先打褶，但这些皱褶可能是较粗且较不均匀，因为细度和均度此后会由小辊来调整。该预打褶优选是利用一对或更多对交互啮合的凹槽辊来实施，如在前述的US3233029和W02009/056601中所述的。
[0025]由该预打褶所造成的宽度(该宽度直接由边缘测至边缘)减小不应显著低于当薄膜离开小辊时所测得的宽度减小(即与薄膜离开前面打褶装置时的宽度之差)，否则小辊将会引起横向定向，通常表现为纵向延伸的“细线”。由该预打褶造成的宽度减小可以较低一些，但不可能规定关于此的任何百分比，因为其取决于多个参数，例如在初始薄膜中的状态定向。然而，准则是必须避免形成“细线”。
[0026]至于薄膜卷绕小辊，这也取决于多个参数，但针对小辊的给定应用实际上较容易建立。一般而言，对于大部分应用，在顶部上测量，卷绕应不小于20°，优选不小于45°，且最优选不小于60°。在本说明书中，卷绕意指薄膜遵循围绕小辊的一部分的路径。
[0027]在该小辊表面上的波纹的切线优选不应在任何位置相对于该辊的轴线形成比60°更陡的角度。在大部分情况下，在该波纹形图案的各节距内，表面的大部分优选相对于轴线形成30° -50°之间的角度(在切线与轴线之间测量，在图1中的α为45° )，而底部且尤其是顶部优选应为平坦或圆曲的。对此请参见图1。优选在顶部与凹槽之间的至少一部分表面为截头锥形，即轴向截面具有直的(直线)部分。
[0028]上文已经说过，由一顶部的中央至一相邻顶部的中央的周长除以凹槽的直接节距在1.10至1.80的范围内。但是，通常该比率优选限制在1.20至1