专利名称：拉伸聚合物薄膜的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及拉伸聚合物薄膜的方法和设备，以及由该方法和设备获得的薄膜。本发明还涉及使用可调节或定域的拉伸区拉伸聚合物薄膜的方法和设备。
背景技术：
拉伸聚合物薄膜有许多目的。拉伸能强化或产生要求的机械，光学和其他薄膜性质。比如，聚合物薄膜被拉伸后，会在光学性质中产生要求程度的单轴或近乎单轴的取向。总的来说，双折射聚合物的完美单轴取向导致薄膜(或薄膜层)中三个正交方向中两个方向上的折射率相同(如附图4所示薄膜宽度(W)和厚度(T)方向)。第三方向(比如沿着薄膜长度(L)方向)的折射率与另两个方向中的折射率不同。通常，不需要完美的单轴取向，可以根据包括聚合物薄膜最终应用的各种因素允许与最佳条件有一定程度的偏差。
在光学应用中，单轴取向薄膜能提供有用的光学性质，比如在各个不同视角上更均匀的性能。其他应用也可能得益于聚合物薄膜的单轴或近乎单轴的取向。比如，单轴取向薄膜更容易被原纤化或者沿着取向方向被撕开。
发明概述本发明总地涉及拉伸聚合物薄膜的方法和设备。一个实施方式是拉伸薄膜的装置。该装置包括大量固定薄膜相对末端的夹紧元件、大量夹紧元件沿着其运动的相对轨道、和至少一个轨道形状控制器。相对轨道确定主拉伸区，主拉伸区中的轨道通常是散开的，以拉伸被夹紧元件固定的薄膜。主拉伸区中的每个相对轨道包括至少一个沿轨道长度延伸通过主拉伸区的连续横杆。轨道形状控制器(一个或多个)与主拉伸区中的至少一个连续横杆相连，能够对连续横杆施加作用力，以改变主拉伸区中的轨道形状。
另一个实施方式是使用该装置拉伸薄膜的方法。在该方法中，激活至少一个轨道形状控制器，对至少一个连续横杆施加作用力，以改变至少一个轨道的形状。用夹紧元件固定薄膜的相对末端。沿着相对轨道将薄膜传送至主拉伸区。然后在主拉伸区内拉伸薄膜。
另一个实施方式是采用该装置拉伸薄膜的方法。在该方法中，至少一个轨道形状控制器被激活，以向至少一个连续横杆施加力，以改变至少一个轨道的形状。采用夹紧元件夹紧薄膜的相对边。沿着相对轨道将薄膜运送到主拉伸区。然后，薄膜在主拉伸区中被拉伸。
另一个实施方式是拉伸薄膜的装置。该装置包括大量固定薄膜相对末端的夹紧元件和大量夹紧元件沿着其运动的相对轨道。相对轨道确定主拉伸区，主拉伸区中的轨道通常是散开的，拉伸被夹紧元件固定的薄膜。主拉伸区包括(i)初始拉伸区，其外形调整和布置成使基于轨道的纵向拉伸比(MDDR)和横向拉伸比(TDDR)具有以下关系MDDR＜(TDDR)-1/2而且TDDR至少增加0.5；(ii)后拉伸区，其外形调整和布置成使MDDR约等于(TDDR)-1/2，而且TDDR至少增加0.5。另一个实施方式是使用该装置拉伸薄膜的方法。
本发明另一个实施方式是拉伸薄膜的方法。该方法包括传送薄膜至拉伸区中。然后沿着通常散开的路径传送薄膜的相对边，来拉伸薄膜至其横向尺寸增加4倍以上。通常散开的路径的外形调整和布置成使拉伸时基于路径的纵向拉伸比(MDDR)和横向拉伸比(TDDR)具有以下关系MDDR＜(TDDR)-1/2如果需要，路径可以是共平面的。
本发明另一个实施方式是拉伸薄膜的方法。该方法包括传送薄膜至拉伸区中。然后沿着通常散开和共平面的路径传送薄膜的相对边，来拉伸薄膜至其横向尺寸至少增加2.5倍。通常散开的路径的外形调整和布置成使拉伸时基于路径的纵向拉伸比(MDDR)和横向拉伸比(TDDR)具有以下关系MDDR＜(TDDR)-1/21/(MDDR×TDDR1/2)＜2。
本发明另一个实施方式是拉伸薄膜的方法。该方法包括传送薄膜至拉伸区中。然后沿着通常散开和共平面的路径传送薄膜的相对边，来拉伸薄膜至其横向尺寸至少增加4.6倍。通常散开的路径的外形调整和布置成使拉伸时基于路径的纵向拉伸比(MDDR)和横向拉伸比(TDDR)具有以下关系
0.9×MDDR＜(TDDR)-1/21/(MDDR×TDDR1/2)＜2。
本发明的一个实施方式是拉伸薄膜的方法。该方法包括传送薄膜至拉伸区只。然后沿着通常散开的路径传送薄膜的相对边，来拉伸薄膜。通常散开的路径的外形调整和布置中包括(i)初始拉伸区，其中通常散开的路径具有以下函数式±(x)/(x1)＝(1/4)(x1/x0)(y/x1)2+1和(ii)后拉伸区，其中通常散开的路径具有以下函数式±(x)/(x2)＝(1/4)(x2/x0)(y-A)/x2)2+1，其中x2和x1是不同的，A是y轴补偿。
本发明的以上简述并非试图描述每个公开的实施方式或本发明的每种实施方式。下述附图和详细说明将更具体地说明这些实施方式。
附图简要说明通过以下对本发明各实施方式的详细说明以及附图，能更全面地理解本发明，其中附
图1是用于拉伸薄膜的现有技术拉幅装置的顶视图；附图2是附图1所示现有技术方法中，拉伸过程之前和之后部分薄膜的透视图；附图3所示是本发明一个实施方式中各步骤的框图；附图4是单轴拉伸方法中，拉伸过程之前和之后部分薄膜的透视图；附图5是本发明一种拉伸方法实施方式和拉伸装置实施方式的示意图；附图6是本发明拉伸装置的部分顶视图；附图7是附图6装置的端视图；附图8是本发明拉伸装置部分轨道的示意图，表示出一种预先调节区；附图9是用于本发明拉伸装置主拉伸区的一种可调节轨道；附图10所示是用于本发明拉伸装置的一种引出系统；附图11所示是用于本发明拉伸装置的另一种引出系统；附图12所示是用于本发明拉伸装置的第三种引出系统；附图13所示是用于本发明拉伸装置的第四种引出系统；附图14所示是用于本发明拉伸装置的第五种引出系统；
附图15所示是本发明拉伸装置主拉伸区中的另一种轨道；附图16所示是用于本发明拉伸装置的一种轨道和轨道形状控制单元的剖面视图；附图17所示是本发明一种引出系统，用于附图1所示的传统拉伸装置中；附图18所示是本发明拉伸装置主拉伸区的适用边界轨迹；附图19所示是本发明拉伸装置主拉伸区的适用边界轨迹，说明具有不同抛物线形状拉伸区的用途；附图20所示是本发明拉伸装置主拉伸区的适用边界轨迹，其中的边界轨迹是适用抛物线或基本抛物线边界轨迹的线性近似；附图21所示是附图16实施方式中的部分轨道和轨道形状控制单元；和附图22所示是附图16实施方式中的另一部分轨道和轨道形状控制单元。
虽然可以对本发明进行各种改进和替换，但是其特征如附图中所示，下文将作详细说明。应当理解本发明并未被限制在所述特定实施方式范围内。相反，本发明覆盖其原理和范围内的所有改进，等同和替换。
优选实施方式详细说明相信本发明能被应用于拉伸聚合物薄膜的方法和设备以及使用这些方法和设备制得的薄膜。另外，本发明涉及拉伸聚合物薄膜的方法和设备，其中包括可调节或定域的拉伸区。使用这些方法和设备，能在需要时将聚合物薄膜拉伸至获得单轴或近乎单轴的取向。也可以使用这些方法和设备获得其他取向条件。
本发明一般能被应用于各种不同聚合物薄膜，材料和过程。相信本发明特别适合于制造聚合光学薄膜。需要时可以用这些方法和设备制造具有一种或多种以下性质的光学薄膜或其他薄膜，比如提高的光学性能，提高的光学性质，以受控方式或在受控方向上发生断裂或撕扯的倾向提高，加强的形体稳定性，更好的可加工性，更容易制造，和与按照传统方法和设备制造的光学薄膜相比更低的成本。
按照本发明的方法可以拉伸或拉延多种光学薄膜。这些薄膜可以是单层或多层薄膜。适用薄膜公开在比如美国专利5699188；5825543；5882574；5965247和6096375；和PCT专利申请公开WO95/17303；WO96/19347；WO99/36812和WO99/36248中(这些文件都以其整体内容作为参考文献)。这里所述的设备和方法包括对美国专利申请10/156347和10/156348以及美国在先专利申请60/294490中所述设备与方法的改进，添加或变化，这些文件也属于参考文献。
按照本发明方法制造的薄膜适合于多种产品，包括比如起偏器、反射起偏器、二色起偏器、校准反射/二色起偏器、吸收起偏器和缓阻器(包括Z-轴缓阻器)。聚合物薄膜可以是一体或多层聚合物薄膜。聚合物薄膜中还可以包括不混溶物料层，产生扩散器或扩散反射偏光器的光学作用，如美国专利5783120；5825543；5867316；6057961；6111696；和6179948以及美国专利申请09/871130和09/686460中所述，这些文件都属于参考文献。这些聚合物薄膜可以包括涂层或附加层，在拉延之前或之后形成。这些适用涂层和附加层的实例如参考文献美国专利6368699中所述。在一些实施方式中，聚合物薄膜包括附加偏振单元，比如可熔融挤出的定向染料，线栅起偏单元，和类似单元。一种适用结构实例是具有一层聚乙烯醇(PVA)的薄膜，聚乙烯醇层形成于该薄膜上，比如在拉伸薄膜之前或之后被涂布在薄膜上。可以对PVA进行后处理，形成二色起偏层，比如通过碘染，酸脱水或染料包埋方法。基片本身可以是具有或不具有光学反射能力的一体薄膜或多层结构。适用于该结构的PVA薄膜实例可以在参考文献美国专利6113811中找到。
本发明特定薄膜的一种应用是作为前、后投影系统起偏分光器中的部件或作为显示器(比如液晶显示器)或微型显示器的增亮薄膜。要注意本发明的下述展幅机可以与长度定向器一起使用，制造镜子。
总体而言，过程中对薄膜的拉伸可以从纵向(MD)，横向(TD)和垂直方向(ND)三个互相正交的轴来描述。这些轴对应于薄膜宽度，长度和厚度，如附图4中所示。拉伸过程将薄膜的20区从初始形状24拉伸至最终形状26。纵向大体是薄膜移动通过拉伸设备的总体方向，比如附图5中所示装置。横向是该薄膜平面内的第二根轴，正交于纵向。垂直方向正交于MD和TD，通常对应于聚合物薄膜的厚度。
附图3是本发明过程的框图。在步骤30中，传送薄膜至拉伸装置。过程中可选包括预先调节步骤32。在步骤34中拉伸薄膜。可选在步骤36中对薄膜进行后调节处理。在步骤38中从拉伸装置中取出薄膜。
附图5所示是本发明一种拉伸装置和方法的实施方式。发现除了拉伸装置(至少进行附图3中的步骤34)之外，附图3所示过程可以由一个或多个附加装置实现。这些一个或多个附加装置实现附图3中所述以及附图5所示由拉伸装置实现的一个或多个非拉伸功能(比如，由步骤30、32、36和38代表的功能)。
在附图5所示实施方式中，该装置包括将薄膜40送入拉伸装置的30区。可以采用任何理想的方法提供薄膜。比如可以将薄膜制成卷材或其他形式，然后送入拉伸装置中。另一个实例是，使拉伸装置的结构能从挤压机(比如通过挤压方法产生薄膜，然后进行拉伸)或涂布机(比如通过涂布方法产生薄膜，在接受一个或多个涂布层之后进行拉伸)或层压机(比如通过层压方法产生薄膜，在接受一个或多个层的层压之后进行拉伸)接受薄膜。
通常，30区中薄膜40的相对边缘被一个或多个夹紧元件固定，沿着定义预定路径的相对轨道64传送薄膜。夹紧元件70(参见附图7)通常固定薄膜边缘或边缘附近区域。被夹紧元件固定的薄膜部分在拉伸之后通常是不适于使用的，所以通常要选择合适的夹紧元件位置，对薄膜提供允许拉伸的足够固定，同时控制该过程的废料量。
一种适用夹紧元件的实例包括一系列夹片，在相对表面之间按顺序夹紧薄膜，然后沿轨道移动。夹紧元件可以嵌入或跨骑在沿着轨道的凹槽或沟道中。另一个实施例是将薄膜固定在相对的带或一系列传送带或履带之间的传送带系统，引导薄膜沿着轨道移动。如果需要的话，传送带和履带能提供柔软而连续的，或者半连续的薄膜传送机制。美国专利5517737或欧洲专利申请公开0236171A1(每份文件都以其整体内容作为参考文献)中描述了多种相对的多重传送带方法。传送带的张力可选是能够调节的，能获得理想程度的夹紧。
传送带或夹片可以由任何材料制造。比如，传送带可以具有复合结构。一种适用的传送带实例包括金属质内层，比如钢，以支持高张力，和弹性体外层，以提供很好的夹紧效果。还可以使用其他传送带。在某些实施例中，传送带包括不连续的履带，提供很好的夹紧效果。
采用展幅机夹紧和传送薄膜的其他方法是已知的，可以使用这些方法。在一些实施例中，拉伸装置的不同部分可以使用不同种类的夹紧元件。
夹片等夹紧元件可以沿着轨道排列，比如辊62沿着轨道转动链条，夹紧元件与链条相连。辊与驱动器件相连，控制将薄膜传送通过拉伸装置的速度和方向。还可以用辊转动和控制带状夹紧元件的速度。可选传送带和辊中包括连锁齿，减轻或避免传送带和辊之间发生的打滑现象。
附图6和7所示是一种夹紧元件和轨道的实施例。该实施例的夹紧元件70是一系列展幅夹片。这些夹片可以通过分段而提供整体适应性。分立夹片通常是密集排列的，与链条等柔软结构相连。该柔软结构沿着轨道64或分布于沟道中。有意识排列的凸轮和凸轮面在要求点处打开和关闭展幅夹片。夹片和链条组合可选跨骑在齿轮或轴承或类似物上。在一个实例中，夹紧元件是被固定在顶部与底部轴承上的展幅夹片，顶部和底部轴承在两对内杆和外杆之间滚动。这些横杆至少部分构成轨道。
夹紧元件的边缘为被拉伸的薄膜部分确定了边缘。沿轨道夹紧元件的动作提供边界轨迹，至少部分响应该动作并拉延薄膜。其他因素(比如下层织物张力和引出设备)成为其他部分的动作和拉延。通常更容易从夹紧元件沿着运动的轨道或横杆分辨出边界轨迹。比如，展幅夹片等夹紧元件中部的有效边界可以是对准的，形成与轨道或横杆相同的路径。这个表面与边界轨迹重合。在实践中，夹紧元件的有效边界因为薄膜的轻微打滑而是模糊的，但是这些偏差很小。
另外，对于展幅夹片等夹紧元件而言，边缘界面的长度会影响实际边缘轨迹。夹片较小，通常会提供对边缘轨迹更好的近似和较小的拉伸波动。至少在一些实施例中，夹片边缘界面的长度不超过相对边界轨迹或轨道之间总初始距离的一半，可以不超过四分之一。
这两根相对轨道可选位于两个分离或可分离的平台上，或者其结构使相对轨道之间的距离是可以调节的。在用该装置拉伸不同尺寸的薄膜时，或者要求在主拉伸区改变拉伸结构时，这种设计是特别适用的，将在下文讨论。可以手动和/或利用机械方式实现相对轨道之间的分离或变化(比如使用计算机或其他器件控制驱动器，改变轨道之间的距离)。
由于薄膜被相对轨道上的两组相对夹紧元件固定，所以有两根相对的边缘轨迹。至少在一些实施例中，这些轨迹相对拉延薄膜的MD中心线成镜像。在其他实施例中，相对轨迹不是成镜像的。这种非镜像排列可以使薄膜上一种或多种光学或物理性质发生变化(比如主轴的倾斜或旋转)。
参见附图5，装置中可选包括预先调节区32，通常位于烘箱54或其他装置或设备中，加热薄膜做拉伸准备。预先调节区域中可以包括预先加热区42，和/或均热区44。至少在一些实施例中，可以对薄膜进行轻微拉伸，使夹紧元件与薄膜接触，如附图8中边界轨迹所示。至少在一些情况下，事实上可能没有发生拉伸，但是相对轨道之间距离的增加至少在一定程度上会使薄膜在加热时发生热膨胀。
附图8所示是预先调节区32′和主拉伸区34′之后的供料区30′。预先调节区32′(或可选在供料区30′)中具有夹紧元件组区31′，其中的轨道略微散开，使夹紧元件(比如展幅夹片)固定在薄膜上。可选在该区中加热薄膜。初始TD拉伸通常不超过最终TD拉伸的5％，通常小于最终TD拉伸的2％，通常小于最终TD拉伸的1％。在一些实施例中，初始拉伸区位于33′区之后，其中的轨道是基本平行的，将薄膜加热或保持在升高的温度下。
参见附图5，在主拉伸区34中拉伸薄膜。通常，主拉伸区34中的薄膜被加热或保持在高于薄膜聚合物玻璃化转变温度的加热环境中。对于聚酯，温度范围通常在80和160℃之间。适用加热单元的实例包括对流和辐射加热单元，但是也可以使用其他加热单元。在一些实施例中，用于加热薄膜的加热单元可以是单独控制的，或者构成一个系列，提供可变的热量。可以通过各种方法实现这种控制，包括加热单元温度的变化，或者控制从加热单元导向薄膜的空气方向或速度。需要时可以用加热单元控制薄膜不同区域的温度，增加或改变薄膜的拉伸均匀性。比如，在相同加热条件下其拉伸程度不如其他区域的薄膜部分需要进一步加热，以便进行拉伸。
在主拉伸区34中，夹紧元件在散开轨道之后对聚合物薄膜进行要求程度的拉伸。主拉伸区和装置其他区域中的轨道可以由各种结构和材料构成。在主拉伸区之外，轨道通常是基本线性的。相对的线性轨迹可以是平行的，或者是会聚或散开的。在主拉伸区中，轨迹通常是散开的和曲线形状的，说明如下。
在拉伸装置的所有区域中，轨道可以由一系列线性或曲线片段构成，可选是成对组合的。构成轨道的片段中可以有两个或多个(或甚至全部)独立区域是分开的(比如，用于保持或构建)。或者在特定区域或区域组中，轨道可以是单一的连续结构。轨道中可以包括横跨展幅机一个或多个相邻区域的连续结构。轨道可以是连续结构与独立片段的任意组合。
至少在一些实施例中，主拉伸区中的轨道是成对的，但是可以与后续区域的轨道分开。后续后调节或分离区域中的轨道140、141通常是与主拉伸区的轨道分离的，如附图5中所示。
虽然主拉伸区中的轨道是曲线的，但是至少在一些实施例中可以使用线性轨道片段。这些片段是彼此对准的(比如绕轴转动的独立线性片段)，形成对要求曲线轨道结构的线性近似。通常线性片段越短，则曲线近似越好。在一些实施例中，一个或多个，优选是全部线性片段的位置是可以调节的(绕轴旋转)，这样就能在需要时调节轨道形状。调节可以是手动或机械实现的，优选在计算机或与驱动器相连的其他器件的控制下进行。能够理解可以用曲线片段替代线性片段。
还可以在每个区域中使用连续轨道。具体而言，可以在主拉伸区中使用连续的曲线轨道。连续曲线轨道中通常包括至少一根连续横杆，定义夹紧元件沿着运动的轨道。在一个实施例中，曲线轨道中包括两对内杆和外杆，展幅夹片被固定在轴承顶部和底部上，轴承在四根横杆之间滚动。
在一些实施例中，连续轨道是可以调节的。一种制造可调节连续轨道的方法中包括使用一个或多个轨道形状控制单元。这些轨道形状控制单元与部分连续轨道相连，比如连续横杆，其结构能对轨道施加作用力，使其弯曲。附图9所示是这种设备的一个实施例，轨道形状控制单元65与轨道64相连。通常，轨道形状控制单元所能施加的力在一定范围内，不过一些实施例中的控制单元只能开启或关闭。轨道形状控制单元通常能施加朝向薄膜中央的力，或者施加离开薄膜中央的力，优选能施加这两个方向的力。轨道形状控制单元可以与可调节连续轨道上的特定点相连，或者轨道形状控制单元的结构使轨道能沿着控制单元侧向滑动，同时仍然保持轨道和控制单元之间的连接。这种设备有利于更大范围的运动，因为在启动控制单元时能更自由地调节轨道。通常，轨道形状控制单元能使轨道变化成各种形状，比如附图9中的形状67和69。通常轨道形状控制单元和轨道能沿着动作线(或其他几何形状)移动。使用超过一个轨道形状控制单元时，它们可以具有相同或类似的运动线和运动范围或者独立轨道形状控制单元的运动线与范围是不同的。
适用轨道形状控制单元和轨道的一个实例如附图16中所示。该实施例的轨道中包括四根横杆400，在这四根横杆之间滚动的轴承(未示出)上固定有展幅夹片(未示出)。轨道形状控制单元包括与驱动器(未示出)相连的基座402，顶部和底部内侧接触单元404，以及顶部和底部外侧接触单元406。内侧和外侧接触单元404，406与基座402相连，移动基座就能使接触单元向横杆的内表面与外表面分别施加力。优选内侧和外侧接触单元具有一定的形状，从上方或下方观察，在内侧接触单元406和横杆400之间的接触面很小，如附图21中所示(只表示出横杆400和内侧接触单元406)。这些形状可以是圆形和卵形的，也可以是菱形，六边形，或其他类似形状的，使内侧接触单元406与横杆之间的接触位于这些形状的顶点处。外侧接触单元404可以是类似的，从上方或下方观察外侧接触单元部分时，能观察到与横杆400接触的一个点，如附图22中所示(只表示出横杆400和接触横杆的外侧接触单元404部分)。使用这些形状能使轨道形状控制单元在需要时施加力，改变轨道形状，同时使轨道侧向滑过控制单元而不是固定在控制单元上。这种结构还能允许轨道调节其在控制单元中的瞬间斜率。由于这些一个或两个原因，轨道形状具有较大的调节范围。在其他实施例中，具有更少或更多的接触单元，或者可能只有内侧或外侧接触单元。
参见附图9，在一些实施例中，有一个或多个轨道点73是固定的。固定点可以位于沿着轨道的任意位置，包括位于或靠近主拉伸区的起点(如附图9中所示)或终点。固定点73也可以位于沿着附图15中所示轨道的其他点处。
进一步如附图15中所示，轨迹可以构形成使主拉伸区中的81、83、85区具有不同的拉伸特性，或者由不同的数学式描述。在一些实施例中，轨道的形状定义了这些不同的区域。在其他实施例中，可以采用上述轨道形状控制单元调节轨道，提供简单，单功能设备之外的各种形状87、89。这是有好处的，因为它使主拉伸区的不同部分实现要求的功能。比如，初始拉伸区可以具有特定形状(比如，超单轴形状，如下述U＞1和F＞1)，然后是具有不同形状(比如，单轴形状)的一个或多个后续区域。可选具有中间区域，提供从一种形状向另一种形状的过渡。在一些实施例中，独立区域可以是分离的，或者由轨道固定点73所限定。
在一些实施例中，沿着轨道长度具有不均匀的剖面形状，有助于轨道的弯折和成形。比如，轨道中的一根或多根横杆可以具有不同的剖面形状。比如，在上述四根横杆的结构中，每根横杆或次级横杆沿着轨道长度具有变化的剖面。剖面可以是变化的，比如改变轨道(或轨道组成部分，比如一根或多根连续横杆)的高度和/或厚度。比如在一个实施例中，轨道厚度或轨道中一根或多根横杆的厚度在纵向上沿着轨道长度减小或增大。可以利用这些变化来支持特定轨道形状或轨道形状可调节度的变化。如上所述，轨道可以具有若干不同的区域，每个区域都具有不同的轨道形状。轨道或轨道组成部分中剖面的变化可以在每个区域中发生，有助于形成特定横杆形状，也可以在区域之间发生变化。比如，具有较厚剖面形状的区域可以被夹在另两个区域之间，在这两个区域之间提供过渡空间。
作为轨道或横杆剖面中的变量的一个例子，弧长s可以用来表示在轨道或轨道一部分例如横杆的厚度剖面中沿轨道的位置。拉延开始时的弧长s被定义为零，在拉延另一端被定义为L，拉延开始和结束时对应的厚度分别表示为h(0)和h(L)。该特定实施例中，轨道或轨道组成部分(比如横杆)在L′到L″的横梁部分上，在s＝0和s＝L之间递减，位置L′处的厚度h(L′)大于位置L″处的厚度h(L″)。这样，L′或L″可能处于更高的弧长坐标(即，L′＞L″或L′＜L″＝。一种适用的厚度剖面的例子是由以下厚度函数h(s)给出的递减，它是自L′到L″的横杆上的弧长s的函数，由以下等式表示h(s)＝(h(L′)-h(L ″))(1-(s-L′)/(L″-L′))°+h(L″)其中α是递减的正数，导致厚度从L′减小到L″。当L′小于L″时，它导致厚度随着弧长而减小。当L′大于L″时，它导致厚度随着弧长而增加。轨道可以是分段的，每段都具有各自的局部L′、L″和递减率。轨道或轨道组成部分的最大厚度取决于在轨道该点处要求的柔软度。根据横梁理论，对于递减的直梁，三分之一的α值提供这样的直梁它对于一端负载的响应是发生抛物线形弯曲。当横梁以弯曲的平衡结构开始，或者负载有若干个控制点时，采用其他递减可能更有利。变换成各种形状时，最好在给定轨道或轨道组成部分中具有增大或减小的厚度，或者在这些片段中具有数字可计算形式的递减。沿着轨道或轨道组成部分任意点处的最小厚度取决于轨道为了支持拉延力而要求具备的强度。最大厚度可以是要求柔软度的函数。使调节程度处于轨道或轨道组成部分的弹性范围内通常是有利的，比如避免轨道或轨道组成部分发生永久变形并损失重复调节能力。
由相对轨道确定的路径会在MD，TD和ND方向上影响薄膜的拉伸。拉伸(或拉延)变形可以由一组拉延率来描述纵向拉延比(MDDR)，横向拉延比(TDDR)，和垂直方向拉延比(NDDR)。根据薄膜的不同，特定拉延比通常被定义为要求方向(比如TD，MD或ND)上薄膜的当前尺寸(比如长度，宽度或厚度)与相同方向上薄膜初始尺寸(比如长度，宽度或厚度)的比值。虽然这些拉延比可以通过在拉延时观察聚合物薄膜而确定，但是也可以通过其他与用轨道拉伸聚合物薄膜的MDDR，TDDR和NRRD拉延比相关的参数表现。
在拉伸过程的任意指定点中，TDDR对应于边界轨迹当前间距L与拉伸开始时边界轨迹初始间距L0的比值。换言之，TDDR＝L/L0。在某些情况下(如附图2和4所示)，TDDR由符号λ表示。在拉伸过程的任意指定点中，MDDR是散开角θ的余弦，MD和轨道或横杆等边界轨迹瞬间正切之间的正夹角。条件是cot(θ)等于该点处轨道的瞬间斜率(即一阶导数)。确定TDDR和MDDR时，NRRD＝1/(TDDR×MDDR)，条件是聚合物薄膜的密度在拉伸过程中是常数。但是如果薄膜密度随因子ρf变化，ρf＝ρ/ρ0，其中ρ是拉伸过程当前点的密度，ρ0是拉伸开始时的初始密度，则NDDR＝ρf/(TDDR×MDDR)。材料密度的变化来自于若干原因，包括相变，比如结晶或部分结晶，由拉伸或其他加工条件造成。
在横向上增加尺寸的完美单轴拉伸条件，导致分别为λ、(λ)-1/2和(λ)-1/2的TDDR，MDDR和NDDR，如附图2中所示(假设材料密度为常数)。换言之，假设拉延时的密度是均匀的，单轴取向薄膜在拉延过程中具有MDDR＝(TDDR)-1/2。测量单轴性程度的适用参数U定义如下U=1MDDR-1TDDR1/2-1]]>对于完美的单轴拉延，U在整个拉伸过程中是1。当U小于1时，拉延条件被认为是“亚单轴”的。当U大于1时，拉延条件被认为是“超单轴”的。在传统展幅机中，聚合物薄膜沿着轨道2被线性拉伸，如附图1和2所示，将薄膜区4拉伸成为已拉伸区6，散开角较小(比如大约3°或以下)，MDDR大约是1，U大约是零。如果薄膜是双轴拉延的，则MDDR大于1，U变成负数。在某些实施例中，U值可以大于1。U大于1的情况代表各种程度的过度弛豫。这些过度弛豫状态导致从边缘发生MD收缩。如果MD收缩程度在形状和材料韧性方面是充分的，则薄膜会发生翘曲或褶皱。
不出所料，可以根据密度变化校准U，给出下式UfUf=1MDDR-1[TDDRρf]1/2-1]]>优选薄膜在平面中被拉延(即边界轨迹和轨道是共平面的)，如附图5中所示，不过非共平面的拉伸轨迹也是可以接受的。平面内边界轨迹设计是简化的，因为平面内的限制减少了变量数量。完美单轴取向的结果是一对镜面对称平面内的抛物线，从平面内MD的中心线散开。绘制抛物线时，首先确定TD为“x”方向，MD为“y”方向。相对弯曲抛物线之间的MD中心线可以被看作y坐标轴。坐标原点被选在主拉伸区的起点，对应于抛物线轨迹之间中间轨道的初始中点。左右弯曲抛物线选在分别从正负x0开始(y＝0)。对于正值的右侧抛物线轨迹，本实施例为x/x0＝(1/4)(y/x0)2+1左侧弯曲抛物线轨迹是将上述等式的左侧乘-1而获得的。在以下讨论中，描述了确定右侧弯曲轨迹的方法。然后可以使右侧弯曲轨迹对薄膜中心线成镜像，获得左侧弯曲轨迹。
共平面抛物线轨迹能在理想条件下提供单轴取向。但是其他因素也会影响获得单轴取向的能力，包括比如聚合物薄膜的不均匀厚度，聚合物薄膜在拉伸时的不均匀加热，以及从装置的下层织物区域施加附加张力(比如纵向张力)。另外，在许多情况下，不一定必须获得完美的单轴取向。相反，可以确定在整个拉延过程或在拉延的特定阶段中保持的最小U阈值或U平均值。比如，要求或特定应用要求的可以接受的最小/阈值或平均U值是0.7，0.75，0.8，0.85，0.9或0.95。
作为可以接受的近乎单轴应用的实例，液晶显示应用中反射起偏器的倾斜性质受到以TD为主要单轴拉延方向时，MD和ND折射率差别的严重影响。MD和ND的折射率差为0.08时，在某些应用中是可以接受的。在其他应用中，0.04的差别是可以接受的。在更严格的应用中，优选差别是0.02或以下。比如，在许多情况下，单轴性为0.85是足够的，使含有聚邻苯二甲酸乙二醇酯(PEN)或PEN为0.02的共聚物或小于633纳米的聚酯体系的单轴横向拉延薄膜中产生MD和ND方向之间的折射率。对于某些聚酯体系，比如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，更低的U值，比如0.80或甚至0.75是可以接受的，因为未充分单轴拉延薄膜中的折射率固有差别较低。
对于亚单轴拉延，可以用真单轴性质的最终程度根据以下等式来估计在y(MD)和z(ND)方向之间匹配的折射率水平Δnyz＝Δnyz(U＝0)×(1-U)其中Δnyz是某一U值处MD方向(即y方向)和ND方向(即z方向)折射率之间的差，Δnyz(U＝0)是同样拉延薄膜中的折射率，区别在于整个拉延过程中MDDR保持为1。这种关系可以被推广到用于各种光学薄膜的聚酯体系中(包括EN，PET和PEN与PET的共聚物)。在这些聚酯体系中，Δnyz(U＝0)通常是Δnxy(U＝0)的二分之一或以上，后者是MD(y轴)和TD(x轴)两个平面内方向之间的折射率差。633纳米处的典型Δnxy(U＝0)值高达0.26左右。633纳米处的典型Δnyz(U＝0)值高达0.15左右。比如90/10共聚PEN，即含有大约90％PEN类重复单元和10％PET类重复单元的共聚酯，633纳米处高度拉伸条件下的典型值是0.14左右。按照本发明方法制备了含该90/10共聚PEN的薄膜，在633纳米处相应Δnyz为0.02、0.01和0.003时，用实际薄膜拉延比测得U值是0.75、0.88和0.97。
可以按照以下方法确定一组可以接受的近乎或基本单轴性的抛物线轨迹。所述方法直接确定“右侧”边界轨迹，“左侧”边界轨迹是通过镜像获得的。首先，在选定TDDR范围内确定在相对边界轨迹之间测得的TDDR与由这些边界轨迹非负散开角余弦定义的MDDR之间的瞬间函数关系，以次作为条件。接着按照抛物线轨迹对所述确定形状。X1代表边界轨迹之间的初始半间距，比值(x/x1)等于瞬间TDDR，其中x是边界轨迹上一点的当前x位置。然后，将TDDR和MDDR之间的瞬间函数关系转化成TDDR和散开角之间的关系。选择特定U值之后，上述等式提供MDDR和TDDR之间的特定关系，可以用于算式中，确定当U接近1时，以抛物线轨迹未限制条件时的边界轨迹宽度。然后对边界轨迹进行限制，满足以下微分式d(x/x1)/d(y/x1)＝tan(θ)其中tan(θ)是散开角θ的正切，y是对指定x坐标对应的右侧边界轨迹上相对点当前位置的y坐标。然后求解微分式，比如沿着TDDR对1/tan(θ)从1积分到最大指定值，获得右侧边界轨迹的完整坐标对{(x，y)}，是解析或数字的。
在另一个可接受的轨迹实例中，在一组平面内轨迹中，抛物线轨迹具有较小或较大的初始有效织物TD长度。如果x1是主拉伸区入口处两根相对边界轨迹间距的二分之一(即初始薄膜TD尺寸减夹片固定边缘等于相对边界轨迹出事间距的二分之一)，然后用以下等式描述这种轨迹±(x)/(x1)＝(1/4)(x1/x0)(y/x1)2+1其中x1/x0代表比例换算的入口距离。参数x0对应于当上述等式描述一种提供完美单轴拉延的抛物线轨迹时，要求的两根相对轨迹间距的一半。比例换算的入口距离x1/x0是轨迹偏离单轴条件的表现。在一个实施例中，主拉伸区中两根相对轨迹的间距如上所述是可调节的，能够通过操纵轨迹产生不等于1的U值和F值。还可以使用其他形式轨迹的方法，包括用轨迹形状控制单元操纵轨迹形状，或选择具有要求轨迹的固定形状。
对于超单轴拉延，可以用过量进料概念对褶皱程度进行定量。过量进料F可以倍定义为单轴MDDR(等于(TDDR)-1/2)除以实际MDDR。如果实际MDDR小于单轴MDDR，则过量进料F小于1，MDDR是未弛豫的，导致U小于1。如果F大于1，则拉伸是超单轴的，MDDR相对于单轴条件是过弛豫的。至少部分额外弛豫会形成褶皱，因为顺服薄膜的体积压缩阈值通常较低。当F大于1时，过量进料至少大致相当于MD方向褶皱中实际薄膜等高长度与平面内等高长度或距离的比值。
因为密度恒定条件下TDDR与MDDR之间的关系，F可以被看作F＝1/(MDDR×TDDR1/2)通常F是不受设计目的影响的密度。过程中任意时刻F值变大时会导致出现大褶皱，会发生折叠并贴在薄膜其他部分上，造成缺陷。至少在某些实施例中，过量进料F在拉伸时保持为2或以下，避免或减少严重褶皱或折叠现象。在某些实施例中，过量进料在整个拉伸过程中是1.5或以下。对于某些薄膜，整个拉伸过程的F等于1.2或甚至1.1的最大值。
至少对于某些实施例而言，特别是整个拉伸过程中U大于1的实施例，重新安排过量供料的定义为最小MDDR提供了相关关系，给出当前TDDRMDDR＞1/(Fmax×TDDR1/2)其中Fmax可以是任何大于1的值。比如，F可以是2，1.5，1.2或1.1，如上所述。
当过量供料小于1时，沿着MD的平面内空间大于真单轴拉伸所要求的空间，MDDR可以是未弛豫的，导致MD张力。结果是U值小于1。使用U，F，MDDR和TDDR之间的关系，在U和F之间存在相互关系，随着TDDR而发生变化。当临界拉伸比是2时，最小U值对应于大约0.9的最小过量供料。至少对于某些边界轨迹而言，包括整个拉伸过程中U大于1的边界轨迹，可以使MDDR在拉伸的最终阶段保持低于某一特定值，比如MDDR＜1/(Fmin×TDDR1/2)其中拉伸比为2之后拉伸过程最终部分的Fmin是0.9或以上。
比如，整个拉伸过程中轨迹的MDDR＜(TDDR)-1/2(即U＞1)，Fmax是2，薄膜被拉伸到TDDR是4的状态。如果轨迹是共平面的，则薄膜被拉伸到TDDR至少是2.4的状态，通常至少是5.3。如果Fmax是1.5，则薄膜被拉伸到TDDR至少是6.8的状态。如果轨迹是共平面的，则薄膜被拉伸到TDDR至少是2.1的状态，通常至少是4.7。如果Fmax是1.2，则使用共平面轨迹将薄膜拉伸到TDDR至少是1.8的状态，通常至少是4.0。对于共平面或非共平面的边界轨迹，如果对F没有限制，则薄膜被拉伸到TDDR大于4的状态，通常至少是6.8。
在另一个实施例中，所用共平面轨迹在整个拉伸过程中符合(Fmin)×(MDDR)＜(TDDR)-1/2，Fmax是2，Fmin是0.9，薄膜被拉伸到TDDR至少是4.6的状态，通常至少是6.8。如果Fmax是1.5，则薄膜被拉伸到TDDR至少是4.2的状态，通常至少是6.1，如果Fmax是1.2，则薄膜被拉伸到TDDR至少是3.7的状态，通常至少是5.4。如果对F没有限制，则薄膜被拉伸到TDDR至少是8.4的状态。还可以使用在整个拉伸过程中符合(Fmin)×(MDDR)＜(TDDR)-1/2的边界轨迹，Fmax是1.5，Fmin是0.9，薄膜被拉伸到TDDR至少是6.8的状态。
其他适用轨迹可以用Fmax定义。适用轨迹包括其TDDR至少是5，U在达到TDDR为2.5之后在拉伸过程的最终阶段至少是0.85的共平面轨迹，拉伸过程中的Fmax是2。适用轨迹还包括TDDR至少是6，U在达到TDDR为2.5之后在拉伸过程的最终阶段至少是0.7的共平面轨迹，拉伸过程中的Fmax是2。
其他适用的共平面轨迹在拉伸过程的最终阶段符合MDDR＜TDDR-1/2＜(Fmax)×(MDDR)，其中TDDR大于临界值TDDR′。轨迹应当能产生以下最小拉伸比。当TDDR′是2或以下时，则对于Fmax＝2，最小拉伸率是3.5；对于Fmax＝1.5，则最小拉伸比是3.2；对于Fmax＝2，最小拉伸比是2.7。当TDDR′是4或以下时，则对于Fmax＝2，最小拉伸比是5.8；对于Fmax＝1.5，最小拉伸率是5.3；对于Fmax＝1.2，最小拉伸比是4.8。当TDDR′是5或以下时，则对于Fmax＝2，最小拉伸比是7；对于Fmax＝1.5，最小拉伸比是6.4；对于Fmax＝1.2，最小拉伸比是5.8。
总体而言，可以用曲线和直线轨道构成各种可以接受的轨迹，使过量供料在整个拉伸过程中保持低于临界最大水平，防止出现折叠缺陷，同时保持高于临界最小水平，产生要求水平的真单轴性质以及由其产生的性质。
可以适用抛物线形状形成各种亚单轴和超单轴轨迹。附图18所示实施例证明了临界TDDR之后的各种水平最小U值，并证明了高达最终要求TDDR的各种最大过量供料。曲线由相对于x1的坐标x和y表示，x1是轨道初始间距的一半。比例换算过的x坐标，即数量(x/x1)，等于TDDR。曲线300是x1/x为1.0的理想条件。曲线302是x1/x0为0.653的抛物线情况，其中U在拉伸比超过2.5的情况下保持大于0.70。曲线304是x1/x0为0.822的抛物线情况，其中U在拉伸比等于2.5之后保持大于0.85。曲线306，308，和310表示各种水平的过量供料。过量供料，TDDR和比例换算的入口宽度具有以下关系x1/x0＝(F2(TDDR)-1)/(TDDR-1)直接符合这里所述抛物线轨迹TDDR增加时过量供料增加的条件。曲线306是x1/x0为1.52的抛物线情况，其中过量供料在最终拉伸比高达6.5时保持低于1.2。曲线308是x1/x0为2.477的抛物线情况，其中过量供料在最终拉伸比高达6.5时保持低于1.5。曲线310是x1/x0为4.545的抛物线情况，其中过量供料在最终拉伸比高达6.5时保持低于2。过量供料的水平是这些情况下最终拉伸比的函数。比如，x1/x0是4.333而非4.545时，能在拉伸到最终TDDR为10时保持过量供料低于2。
对于抛物线轨迹，以下关系式能对固定比例的入口宽度在任意指定TDDR处直接计算MDDRMDDR＝(TDDR(x1/x0)+(1-x1/x0))-1/2观察到，MDDR和TDDR之间的关系不是y位置的显函数。这样构建起来的混合曲线中包括垂直位移y/x1的抛物线轨迹片段。附图19表示了一种方法。选择曲线320作为拉伸初始阶段的抛物线轨迹，选择曲线322作为拉伸最终阶段的抛物线轨迹。选择初始曲线320，在拉伸比为4.5时提供具有最大过量供料为2.0的超单轴拉伸。曲线320具有4.857的比例换算入口宽度。选择最终曲线322，在拉伸比为4.5时提供最小U值为0.9的亚单轴拉伸。曲线322具有0.868的比例换算入口宽度。实际轨道或横杆形状随着曲线320达到TDDR为4.5的状态，然后继续曲线324，该曲线是曲线322的垂直平移。换言之，轨迹的初始拉伸区域中具有符合以下函数关系的轨道±(x)/(x1)＝(1/4)(x1/x0)(y/x1)2+1后续拉伸区域中的轨道符合以下函数关系±(x)/(x2)＝(1/4)(x2/x0)((y-A)/x2)2+1；其中x1和x2是不同的，A对应于使轨迹偶合的垂直位移。采取这种方式可以组合任意数量的抛物线片段。
可以用抛物线轨迹及其混合引导相关轨迹的构成。一种实施例中包括适用线性片段构建轨迹。这些线性近似构成的抛物线轨迹(或混合)在大于临界拉伸比TDDR*的选定TDDR′处被限制在最大过量供料和最小过量供料(或最小U值)中。选择的TDDR*值与应变引发的结晶开始相关，比如是1.5和2，或者与弹性应变屈服相关，可以是较低值1.2或甚至是1.1。TDDR*的范围通常在1.05和3之间。低于TDDR*的部分横杆或轨道可能对最小过量供料或U没有特别的限制，可以超出抛物线轨迹的限定范围之外。在附图20中，选择曲线340作为给定拉伸比TDDR′处最小过量供料的限制抛物线轨迹，这里的TDDR′是6.5。为了进行说明，选择最小过量供料限制抛物线轨迹作为比例换算入口宽度为1的理想曲线。通过过量供料，TDDR和比例换算入口宽度之间的关系式，确定曲线342作为TDDR值为6.5，最大F值为2.0时的最大过量供料限制抛物线轨迹。垂直平移曲线342，形成曲线344，使两根限制抛物线轨迹相交在选定TDDR′为6.5的位置处。要注意的是，曲线342和344在拉伸性质方面是完全相同的。曲线344仅仅延迟拉伸，直到y/x1的较后空间值为2.489。线性或非抛物线曲线片段的近似存在于这些高于TDDR*的限制轨迹之间。
不同于增加TDDR导致增加散开角的抛物线轨迹，线性轨迹具有固定的散开角。因此，过量供料随着TDDR沿线性片段增加而降低。通过选择具有等于选定TDDR处要求的最小过量供料相等的散开角的直线构建简单的线性近似。线性片段的TDDR可以被向后外推至过量供料等于允许的最大值。后续的线性片段以相似方式开始。通常按照需要或要求重复该过程。随着最大过量供料的降低，近似所需要的片段数量增加。当TDDR降低至TDDR*以下时，可以使用任何数量的方法完成轨道或横杆，只要满足最大过量供料的限制即可。在附图20中，曲线346是受最大过量供料为2限制的线性近似。因为最大过量供料比较大，所以只包括两个线性片段。最终线性片段向后延伸，从选定的TDDR为6.5直到较低的TDDR为1.65。在这种情况下，TDDR*是2。没有对U低于TDDR为2的值的限制，一种完成轨道的方法是在y/x1的零点将第二线性片段从TDDR为1.65回推至TDDR为1。要注意到，这导致第二片段经过较低的限制抛物线，因为该限制在TDDR*之下是无效的。
在附图20中，曲线348是对最大过量供料使用更严格的值1.5的结果。这里没有表示出最大过量供料限制抛物线轨迹。需要三个线性片段。第一片段从TDDR为6.5向后延伸至TDDR为2.9。第二片段假设散开角等于TDDR值为2.9的最小过量供料的限制抛物线轨迹，并向后延伸至TDDR为1.3。该第二片段在TDDR*之下结束。最终片段使用不同于曲线346的方法完成曲线348的轨道或横杆形状。这里对最后片段采用与前述片段相同的过程，使具有更高y/x1值的拉伸开始延迟。第三种完成轨道的方法是在初始TDDR为1时使过量供料最大。
总体而言，采用限制抛物线轨迹能够构建符合本发明要求的非线性和非抛物线轨迹。最大过量供料限制抛物线轨迹是最小斜率的曲线，即最大散开角是TDDR的函数。最小过量供料限制抛物线轨迹是最大斜率的曲线，即最小散开角是TDDR的函数。总体而言，曲线可以从选定TDDR′采用限制边界之间的任何函数或斜率被回推。确定这些限制之间斜率函数的一个简单方法是对已知曲线在包迹内进行简单线性组合。附图20中的曲线350描述了这种简单方法。在该实施例中，350是通过线性组合最大过量供料限制抛物线轨迹曲线344及其线性近似曲线346而形成的，线性重量分别是0.7和0.3。总体而言，还可以使用非简单线性组合的函数。
以上描述本发明各种非抛物线轨迹的方法可以被推广到轨道的不同片段，比如，附图20所示实施例中TDDR高达6.5的片段可以与另一个TDDR超过6.5的片段组合，不同的要求在更高的TDDR范围中产生不同的最大和最小限制轨迹。在这种情况下，较低拉伸度情况下前一片段的TDDR′起到TDDR*的作用。总体而言，TDDR′可以在要求的拉伸范围内进行选择。可以使用各种片度说明拉伸过程中的各种现象，比如屈服，应变引发的结晶，凹槽或其他拉伸不均匀现象的出现，发生应变硬化，或者说明薄膜中各种性质的形成。典型的断点包括聚酯中发生应变硬化时TDDR*的范围是3到7，典型的最终拉伸值在4到10或以上。
从选定TDDR′回推至较低TDDR方法中确定本发明边界轨迹的过程可以被用于从选定TDDR″前推值较高TDDR′的类似方法中。同样，形成两根限制轨迹，在最低选定TDDR″处相交。TDDR″的方便值是为1的初始TDDR。在该方法中，最小过量供料或U的限制轨迹位于最大过量供料曲线的上方。附图19实际表示了本发明的一种实例，其中的混合曲线324位于最小过量供料限制曲线322和最大过量供料限制曲线320之间。
在某些实施例中还可以定义另一种边界轨迹，可以用于抑制残留褶皱。因为无剪切情况的单轴条件使主MD应力为零，通过有限应变分析估计主MD应力在这些条件下事实上会变成轻微压缩。通过有限应变分析和Neo-Hookean弹性固体本构方程式，发现可以用以下等式给出避免压缩应力的恰当标准((TDDR)(MDDR))-4+((TDDR)(MDDR))2-(TDDR)-2-(MDDR)-2-sin2(θ)((TDDR)(MDDR))-2＝0
其中MDDR是散开角的余弦。本发明的这种可选方法能够确定这种边界轨迹。
如上所示，可以使用平面外边界轨迹向平面之外拉伸薄膜，所谓平面外轨迹是指并非位于简单欧几理德平面中的边界轨迹。存在无数但特定的符合本发明该优选实施例相关要求的边界轨迹，所以可以使用平面外边界轨迹保持基本单轴拉伸性质。边界可以是对称的，相对中心平面形成镜像，比如包括边界轨迹之间的初始中点，薄膜运动的初始方向和未拉伸薄膜表面的初始法线的平面。在该实施例中，可以在边界轨迹之间沿着圆柱形空间多支管拉伸薄膜，该圆柱形多支管是由两根相对边界轨迹之间最短距离的直线片段排列形成的，薄膜呀这这些边界轨迹从类似的初始位置以同样速率运动，即彼此之间和初始中点共平面。中心平面上的这种理想多支管轨道描绘出进行理想拉伸的薄膜中央路径。沿着该多支管从边界轨迹到中心面上该中心轨道的距离与从边界轨迹起点到初始中点的距离的比值是通过横跨边界轨迹的薄膜的瞬间名义TDDR，即边界轨迹上当前相对点之间的半间距与边界轨迹上相对点初始位置之间半间距的比值。当两个相对点沿着相对边界轨迹以恒定并且相同的速度移动时，沿着轨道弧长测得的中心轨道上对应中点的速度发生变化，所谓中心轨道弧长即曲线MD。特别是，中心轨道的变化正比于边界轨道单位切线在中心轨道单位切线上的投射。
上述轨迹是说明性的，不应理解为是限制性的。本发明范围中包括多种轨迹。如上所示，主拉伸区中可以包括两个或多个具有不同拉伸条件的区域。比如，可以选择第一种轨迹作为初始拉伸区域，选择同一种轨迹或不同轨迹作为后续拉伸区域。
本发明包括所有接近单轴的边界轨迹，具有最低U值大约是0.7，较优选是大约0.75，更优选是大约0.8，更优选是大约0.85。最小U值限制可以被应用于拉伸的最终阶段，受临界TDDR优选是大约2.5的限制，较优选是大约2.0，更优选是大约1.5。在某些实施例种，临界TDDR是4或5。在临界TDDR以上，某些材料，比如某些一体和多层薄膜中包括可定向和双折射的聚酯，会开始损失其弹性或者回弹能力，因为结构中发生应变引发的结晶现象。临界TDDR于各种材料和过程(比如温度和应变率)特定现象相符，比例开始应变引发结晶的临界TDDR。高于该临界TDDR的最小U值可以与最终薄膜的非单轴性质相关。
当拉伸结束阶段时的U是亚单轴时，可以有多种边界轨迹。具体而言，可用的边界轨迹包括共平面轨迹，其TDDR至少是5，U在TDDR达到2.5的最终拉伸阶段中至少是0.7，U在拉伸末尾小于1。其他可用的轨迹包括共平面和非共平面的轨迹，其TDDR至少是7，U在达到TDDR为2.5之后的拉伸最终阶段至少是0.7，U在拉伸末尾小于1。可用的轨迹还包括共平面与非共平面的轨迹，其TDDR至少是6.5，U在TDDR达到2.5之后的拉伸最终阶段至少是0.8，U在拉伸末尾小于1。可用轨迹包括共平面和非共平面轨迹，其TDDR至少是6，U在TDDR达到2.5之后的最终拉伸阶段是至少0.9，U在拉伸末尾小于1。
可用轨迹还包括共平面与非共平面的轨迹，其TDDR至少是7，U在TDDR达到2.5之后拉伸最终阶段至少是0.85。
在某些实施例中，向拉伸过程中引入少量MD张力，抑制褶皱。通常这种MD张力随着U的下降而增加，但这并非是必须的。
在某些实施例中，可以随着拉伸过程的进行增加张力。比如，拉伸早期U值较小时，会使最终薄膜具有更强的非单轴性质。因此，在混合轨迹中组合各种轨迹是有利的。比如，单轴抛物线轨迹在拉伸的早期阶段是优选的，而拉伸的末期阶段可能集中在不同的轨迹上。在另一种排列方式中，U可以作为TDDR的非递增函数。在另一种排列方式中，在临界拉伸比达到1.5，2或2.5之后，过量供料F可以作为TDDR的非递增函数。
单轴抛物线轨迹假设薄膜的均匀空间拉伸。使用许多聚合体系，小心控制初始未拉伸薄膜的交合织物和下层织物的卡钳(厚度)分布，并小心控制拉伸开始时和拉伸过程中温度的分布，能够使薄膜获得很好的空间均匀性。比如，在拉伸具有初始均匀厚度的薄膜初期以及拉伸过程之中，在大多数情况下应当满足薄膜上温度均匀分布的要求。许多聚合体系对不均匀性是非常敏感的，如果厚度和温度均匀性不充分时能以非均匀方式进行拉伸。比如，聚丙烯在单轴拉伸条件下倾向于发生“线性拉伸”。某些聚酯，特别是聚邻苯二甲酸乙二醇酯，也是非常敏感的。
发生不均匀薄膜拉伸的各种原因包括，比如不均匀的薄膜厚度或其他性质，不均匀加热等。在许多这些情况下，靠近夹紧元件的部分薄膜的拉伸比中央部分快。这在薄膜中产生MD张力，限制了获得最终均匀MDDR的能力。对这个问题的补偿是改进抛物线或其他单轴轨迹，产生更低的MDDR。换言之，对于部分或全部拉伸，使MDDR＜(TDDR)-1/2。
在一个实施例中，对全部拉伸阶段选择MDDR＜(TDDR)-1/2的改进抛物线或其他单轴轨迹，对应于更大的散开角。至少在部分情况下，这个条件可以放松，因为小于1的U值对应用而言是可以接受的。在这些情况下，选择(0.9)MDDR＜(TDDR)-1/2的改进抛物线或其他单轴轨迹。
在另一个实施例中，对TDDR增加到至少0.5或1的初始拉伸区域选择MDDR＜(TDDR)-1/2的改进抛物线或其他单轴轨迹。然后对拉伸剩余阶段采用不同的轨迹。比如，后续拉伸区域(在拉伸区域34中)可以采用MDDR等于或约等于(在±5％之内，优选在±3％之内)(TDDR)-1/2的抛物线或其他单轴轨迹。比如，初始拉伸区域可以实现高达要求值的TDDR。该要求值通常不超过4或5。然后剩余拉伸区域使TDDR从初始拉伸区域的要求值(或者在具有插入拉伸区域的情况下，从更高的值)进一步提高。通常，选择的后续拉伸区域使TDDR值提高0.5或1或以上。
同样，至少在某些情况下，MDDR和TDDR的关系可以是放松的，因为小于1的U值对应用而言是可以接受的。在这些情况下，可以选择(0.9)MDDR＜(TDDR)-1/2的改进抛物线或其他单轴轨迹作为初始拉伸区域。
参见附图5所示装置，通常包括后调节区域36。比如，薄膜可以在区域48中定型，在区域50中淬火。在某些实施例中，淬火是在拉伸装置之外进行的。通常，当薄膜的至少一个组成部分，比如多层薄膜中的一个层，达到低于玻璃化转变的温度时，薄膜发生定型。当薄膜的所有组成部分都达到低于其玻璃化转变的温度时，薄膜发生淬火。在附图5所示的实施例中，使用引出系统从主拉伸区34中取出薄膜。在所述实施例中，该引出系统独立于(即不直接连接)将薄膜传送通过主拉伸区的轨道。该引出系统可以使用任何薄膜传送结构，比如具有相对排列的皮带或展幅夹片的夹紧元件的轨道140，141。
在附图10中所示的某些实施例中，可以通过成夹角的轨道140′，141′(与用于可用引出系统其他实施例中的平行轨道140，141相比)实现TD收缩控制。比如，引出系统的轨道位置能沿着缓慢散开的路径(θ角不超过约5°)通过至少部分后调节区域，使薄膜在冷却时发生TD收缩。该结构中的轨道能控制TD收缩，提高收缩时的均匀性。在其他实施例中，两根相对轨道的散开角通常不超过约3°，但是在某些实施例中可以使用更宽的角度。这样可以提高薄膜在主拉伸区中的MD张力，比如降低性质不均匀性，比如薄膜上折射率主轴的变化。
在某些实施例中，引出系统的位置是可以调节的，能够改变引出系统沿着拉伸装置夹紧薄膜的位置，如附图11中所示。这种可调节性提供了一种控制拉伸薄膜程度的方法。在拉伸早期(如附图11中虚线所示)由引出系统的轨道140′，141′接受的薄膜通常具有小于在拉伸末尾(如附图11总实线所示)的引出系统轨道140，141接受的薄膜的TDDR。可选引出系统的结构能调节其中相对轨道的间距。另外，引出系统的结构还可以调节其长度。
可用引出系统的另一个实例包括至少两个不同的区域，具有分立轨道140、141、142、143。可以用附图12中所示相对轨道的两个分立装置140、141和142、143形成这些区域。在附图12中所示的实施例中，第一区域中包括轨道140、141，形成会聚角，控制TD收缩，第二区域中的轨道142、143可以是平行的。在其他实施例中，两个不同区域的相对轨道可以形成两个不同的会聚角，控制TD收缩，如上所述，或者第一区域可以具有平行轨道，第二区域具有形成会聚角的轨道，能够控制TD收缩。或者，两根不同的轨道可以具有不同的引出速度，使主拉伸区与施加张力消除褶皱的引出区域不关联。
在附图12中所示引出系统实施例中，在接受薄膜之前，轨道142′、143被嵌在相对轨道140、141之内。当相对轨道140、141开始接受薄膜时，轨道142、143移动至如附图12所示的位置。在其他实施例中，相对轨道140、141、142、143在没有薄膜时的位置如附图12所示(即未被嵌入)。
引出系统的另一个实施例如附图13中所示。在该实施例中，将薄膜传送通过主拉伸区的轨道64时。引出系统的轨道140，141相对薄膜中心线成一定夹角。两个相对传送装置的角度可以都等于β，或者是不同的，一根轨道是β+ε，另一根轨道是β-ε。ε角相对于上述会聚或散开角，能控制TD收缩。在某些实施例中，主拉伸区中的轨道64可以成φ角，如附图13所示，轨道140，141成φ+β+ε，和φ+β-ε的夹角。成夹角的引出系统和/或主拉伸区适用于提供薄膜主轴或性质轴，比如折射率轴或撕扯轴与薄膜成夹角的薄膜。在某些实施例中，引出系统与主拉伸区形成的夹角是可以手动调节或用计算机控制的驱动装置和/或其他控制装置进行机械调节的。
在某些使用成夹角的引出系统实施例中，两根相对轨道的位置能接受具有相同或基本类似的TDDR的薄膜(虚线表示薄膜具有相同TDDR)，如附图13中所示。在其他实施例中，两根相对轨道140，141的位置能够接受薄膜，所示两根相对轨道的TDDR是不同的(附图14的虚线表示相同TDDR的薄膜)，如附图14中所示。后一结构能够提供性质随着薄膜TD尺寸变化的薄膜。
通常，被主拉伸区中的夹紧元件固定的部分薄膜被除去。为了在基本上整个拉伸过程中保持基本单轴的拉伸方式(如附图5中所示)，在横向拉伸末尾，优选快速散开的边缘部分56在切点58被从已拉伸薄膜48中切开。可以在58位置处设置一个切刀，可以切掉毛边或无法利用的部分56。
从连续夹紧装置中松开织边可以是连续进行的；但是，优选从展幅夹片等分立夹紧装置中松开织边，使任意指定夹片下的材料能立刻松开。分立放松装置能使拉伸织物上游感受到更大的应力颠倒。为了帮助隔离引出设备，优选使在该设备中使用连续的织边分离装置，比如从经过加热拉伸的薄膜中央部分中“热”剪切织边。
优选剪切位置足够靠近“压线”，比如首先与引出系统夹紧元件有效接触的隔离引出点，最小化或降低该点的应力颠倒上游。如果薄膜在被进出系统夹紧之前被分割，则可能导致不稳定的切割，比如沿着TD发生薄膜“回弹”。因此优选在压线上或其下游切割薄膜。切割是短裂过程，通常在空间位置上具有小而自然的偏差。因此可能优选在压线略微下游处进行切割，避免在压线上游发生任何暂时的切割偏差。如果在压线相当下游处切割薄膜，则引出装置和边界轨迹之间的薄膜会持续沿着TD拉伸。因为现在只有这部分薄膜正在拉伸，所以这时的拉伸比大于边界轨迹，造成更大的应力颠倒，向上游传播，比如，向上游传播不利的纵向张力。
优选切口是可以移动和重新定位的，能够按照需要随着引出位置的变化而变化，配合变化的最终横向拉伸方向比或对引出系统位置的调节。这种切割系统的优点是，能够调节拉伸比，同时通过移动引出切割点58保持拉伸程序。
可以使用各种切割技术，包括热刀、热线、激光、强IR辐射的聚焦束或热空气聚焦射流。使用热空气射流时，射流中的空气热到足以在薄膜中吹出一个孔洞，比如在射流作用下发生热软化，熔融和受控断裂。或者，热射流可以仅仅软化薄膜的聚焦部位，仍然散开的边界轨迹实现局部进一步拉伸，在持续薄膜拉伸的作用下，最终导致沿着加热线在下游发生断裂。在某些情况下可能优选聚焦射流方法，特别是在能迅速清楚废气的情况下，比如采用真空排气，以受控方式进行，避免偏离的高温流干扰拉伸过程的均匀性。比如，可以在射流喷嘴周围使用同心排气圈。或者，可以在射流下方进行排气，比如在薄膜的另一侧面。可以进一步在下游补偿或补充排气，进一步减少上游偏离到拉伸区域中的射流。
引出系统的另一个功能是控制速度和/或MD张力，能以与输出速度相匹配的方式移动薄膜。引出系统还能拉出薄膜中的所有残余褶皱。可以临时增加引出速度使其大于已拉伸薄膜最终释放部分的输出速度，能够在开始步骤中拉出褶皱，或者在持续操作中使用高于输出薄膜MD速度的恒定速度拉出褶皱，比如最终拉伸阶段的超单轴拉伸的情况下。还可以使引出速度大于薄膜沿压线边缘轨迹的MD速率。这样就可以改变薄膜的性质。增加引出速度还能降低U的最终值，从这方面考虑必须考虑该薄膜的最终用途而加以限制。
该过程还包括区域38中的移动部分。可选使用辊65向前推送薄膜，但也可以取消这个步骤。优选不使用辊65，因为它会使经过拉伸的薄膜52中产生伴随势能，损坏拉伸薄膜。可以形成另一个切口60，除去未使用部分61。离开引出系统的薄膜通常被绕成卷材，供以后使用。或者，可以在引出之后直接进行转换。
上述控制MD和TD收缩的原理还能被推广到其他拉伸设备中，包括附图1中所示的传统展幅机构。附图17所示实施例中，来自于主拉伸区的轨道64(比如附图1中所示的线性散开轨道)继续进入或通过部分后调节区域。然后可选根据要求用分立的引出系统140、141承接薄膜。可以利用轨道64的持续冷却薄膜，使其收缩。在某些实施例中，连续轨道164沿着缓慢会聚的路径(形成不超过大约5°的θ角)通过至少部分后调节区域，使薄膜冷却时发生TD收缩。该结构中的轨道能控制TD收缩，提高收缩时的均匀性。在某些实施例中，轨道264沿着会聚趋势更大的路径(形成至少15°的φ角，通常在20到30°范围内)通过至少部分后调节区域，控制薄膜冷却时的MD收缩。在附图17所示的某些实施例中，后调节区域包括缓慢会聚的轨道164和会聚趋势更大的轨道264。在其他实施例中，只使用一套轨道164和轨道264。
不应当认为本发明受限于上述特定实施例，而应当认为包括权利要求陈述的本发明所有方面。可以被本发明进行的各种改进，等同过程，以及各种结构，对说明书中所回顾领域的技术人员而言都是显而易见。
权利要求
1.一种拉伸薄膜的装置，它包括大量夹紧元件，它们固定薄膜的相对末端；相对轨道，大量夹紧元件沿它们运动，该相对轨道确定主拉伸区，在主拉伸区中所述轨道通常是散开的，以便拉伸被夹紧元件固定的薄膜，其中主拉伸区中的每个相对轨道都包括至少一根连续横杆，沿着轨道长度方向延伸通过主拉伸区；和至少一个轨道形状控制器，它与主拉伸区中的至少一根连续横杆相连，其中所述的轨道形状控制器能够对连续横杆施加作用力，以改变主拉伸区中的轨道形状。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于至少一个轨道形状控制器与至少一个相对轨道的每个连续横杆相连。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于大量轨道形状控制器与每个连续横杆相连。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于至少一个轨道包括一个固定的控制点，该点在轨道形状控制器施加作用力以改变轨道形状时不会发生移动。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于固定控制点在轨道上的位置是相对于薄膜通过装置的流向，处于与轨道相连的任何轨道形状控制器之前。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于固定控制点在轨道上的位置是相对于薄膜通过装置的流向，处于至少一个与轨道相连的轨道形状控制器之后。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于连续横杆具有沿着轨道长度变化的剖面面积。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于连续横杆沿着轨道长度发生单调递减。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于连续横杆的剖面面积沿着轨道长度缩小。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于连续横杆的平衡形状对应于这样的形状其中没有轨道形状控制器施加作用力以改变连续横杆，而且连续横杆的平衡形状是抛物线的。
11.一种拉伸薄膜的方法，它包括提供一个拉伸机，该拉伸机包括大量夹紧元件，相对轨道，大量夹紧元件沿着该相对轨道运动，该相对轨道确定主拉伸区，主拉伸区中的轨道通常是散开的，以拉伸被夹紧元件固定的薄膜，其中主拉伸区中的每个相对轨道都包括至少一个连续横杆，沿着轨道长度延伸通过主拉伸区；和至少一个轨道形状控制器，与主拉伸区中的至少一个连续横杆相连；激活至少一个轨道形状控制器，向至少一个连续横杆施加作用力，以改变至少一个轨道的形状；用夹紧元件夹住薄膜的相对末端；沿着相对轨道将薄膜传送到主拉伸区；和在主拉伸区内拉伸薄膜。
12.一种拉伸薄膜的装置，它包括大量固定薄膜相对末端的夹紧元件；相对轨道，大量夹紧元件沿着该相对轨道运动，该相对轨道确定主拉伸区，主拉伸区中的轨道通常是散开的，以拉伸被夹紧元件固定的薄膜，其中主拉伸区包括(i)初始拉伸区域，其外形调整和布置成使基于轨道的纵向拉伸比(MDDR)和横向拉伸比(TDDR)具有以下关系MDDR＜(TDDR)-1/2而且TDDR至少增加0.5；和(ii)后续拉伸区域，其外形调整和布置成使MDDR约等于(TDDR)-1/2，而且TDDR至少增加0.5。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于初始拉伸区域的外形调整和布置成使TDDR至少增加1。
14.如权利要求12所述的装置，其特征在于后续拉伸区域的外形调整和布置成使TDDR至少增加1。
15.如权利要求12所述的装置，其特征在于初始拉伸区域的外形调整和布置成使TDDR达到至少4。
16.如权利要求12所述的装置，它还包括位于初始拉伸区域和后续拉伸区域之间的中间区域。
17.一种拉伸薄膜的方法，它包括将薄膜传送至拉伸区域中；沿着通常散开的路径传送薄膜的相对边来拉伸薄膜，其中通常散开的路径的外形调整和布置成包括(i)初始拉伸区域，其外形调整和布置成使基于路径的纵向拉伸比(MDDR)和横向拉伸比(TDDR)具有以下关系MDDR＜(TDDR)-1/2而且TDDR至少增加0.5；和(ii)后续拉伸区域，其外形调整和布置成使MDDR＝(TDDR)-1/2而且TDDR至少增加0.5。
18.一种拉伸薄膜的方法，包括将薄膜传送至拉伸区域中；沿着通常散开的路径传送薄膜的相对边，来拉伸薄膜至使薄膜的横向尺寸增加4倍以上，其中所述通常散开的路径的外形调整和布置成使拉伸过程中基于路径的纵向拉伸比(MDDR)和横向拉伸比(TDDR)具有以下关系MDDR＜(TDDR)-1/2
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于散开的路径是基本抛物线的。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于散开的路径是基本抛物线路径的线性近似。
21.如权利要求18所述的方法，其中拉伸薄膜包括拉伸薄膜至使薄膜的横向尺寸增加6.8倍以上。
22.如权利要求18所述的方法，其特征在于散开的路径是共平面的。
23.一种拉伸薄膜的方法，它包括将薄膜传送至拉伸区域中；沿着通常散开的共平面路径传送薄膜的相对边，来拉伸薄膜至使薄膜的横向尺寸增加至少2.5倍，其中所述通常散开的路径的外形调整和布置成使拉伸过程中基于路径的纵向拉伸比(MDDR)和横向拉伸比(TDDR)具有以下关系MDDR＜(TDDR)-1/21/(MDDR×TDDR1/2)＜2
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于拉伸薄膜包括拉伸薄膜至其横向尺寸增加5.3倍以上。
25.一种拉伸薄膜的方法，它包括将薄膜传送至拉伸区域中；沿着通常散开的共平面路径传送薄膜的相对边，来拉伸薄膜至其横向尺寸增加至少4.6倍，其中所述通常散开的路径的外形调整和布置成使拉伸过程中基于路径的纵向拉伸比(MDDR)和横向拉伸比(TDDR)具有以下关系0.9×MDDR＜(TDDR)-1/21/(MDDR×TDDR1/2)＜2
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于拉伸薄膜包括拉伸至薄膜的横向尺寸增加6.8倍以上。
27.一种拉伸薄膜的方法，包括将薄膜传送至拉伸区域中；沿着通常散开的路径传送薄膜的相对边，来拉伸薄膜，其中所述通常散开的路径外形调整和布置成包括(i)初始拉伸区域，其中所述通常散开的路径具有以下函数式±(x)/(x1)＝(1/4)(x1/x0)(y/x1)2+1，和(ii)后续拉伸区域，其特征在于通常散开的路径具有以下函数式±(x)/(x2)＝(1/4)(x2/x0)((y-A)/x2)2+1，其中x2和x1是不同的，A是y轴补偿。
全文摘要
本发明涉及经过拉伸的聚合物薄膜，它可以被用于各种应用中，包括光学应用。拉伸条件和拉伸装置中拉伸轨道的形状会决定或影响薄膜性质。拉伸方法和装置中包括可调节或定域的拉伸区。
文档编号B29C55/16GK1713978SQ200380103900
公开日2005年12月28日 申请日期2003年10月21日 优先权日2002年11月27日
发明者W·W·梅丽尔, J·N·杰克逊, A·T·拉芬, D·L·汤普森, J·A·维特利, J·D·阿蒙松, C·A·哈维 申请人:3M创新有限公司