PLA薄膜三种双向拉伸方法对比，平膜法真的优于管膜法吗？

生物降解材料研究院 2022-04-24

聚乳酸的加工性与 PET 相似，都可以通过挤出加工，目前工业生产聚乳酸薄膜的工艺主要包括挤出流延工艺和双向拉伸工艺。其中双向拉伸工艺能够使PLA 的取向度发生了变化，其结晶度也有所增加，有利于提高薄膜的力学性能和耐热性。

双向拉伸薄膜的生产工艺可以分为管膜（吹塑薄膜）法双向拉伸和平膜法双向拉伸。其中，平膜法双拉工艺按拉伸步骤来分，可以分成分步法（一般是纵拉完成后再进入横拉机进行横拉）和同步法。

管膜法双向拉伸

管膜法

管膜法是在吹塑泡管的同时，将薄膜进行纵、横双向拉伸。

其原理是先从环形模头挤出厚壁管状物，用空气进行吹胀，为薄膜提供横向拉伸取向，同时，控制管辊拉动速度为薄膜提供一个纵向上的取向。由于横向、纵向拉伸速率被控制在相近水平，因而制得的薄膜较为均衡，在横纵向的力学性能相当。

典型的管膜拉伸工艺如图1所示，在加工过程中一般通过调节充气压力来获取不同拉伸或取向比。压力越高，获得的拉伸比越大。

应用现状

平膜法双向拉伸 PLA 薄膜在国内薄膜生产商中至今尚未产业化，在国内的 PLA 薄膜以管膜法PLA薄膜为主，但该种薄膜存在均匀性较差、透明性较低，生产率低，生产规格固定等缺点，故 PLA 必须与别的可生物降解高分子聚合物（如 PBAT，PBS，淀粉基等）混合使用。

平膜法双向拉伸

由于平膜法的生产效率远远高于管膜法，而且，平膜法生产出的薄膜的宽幅也比管膜法来得大，因而商业化生产中双向拉伸薄膜大多采用平膜拉伸法。

双向拉伸薄膜一般是由聚合物树脂经过挤出成为片材后，再经过纵、横两个方向同时或逐次拉伸而得。常见的双向拉伸品种是BOPLA，根据用途不同，所得基膜可以是多层膜也可以是单层膜。

下图给出了分步法双向拉伸法制备 BOPLA 薄膜的过程。PLA树脂由单台挤出机或多台挤出机共挤后由一字形口模挤出成为一定尺寸的单层或多层片材，经过急冷后，再由多组具有较低恒定温度的冷却辊牵引，在热烘道内于 55～85 ℃温度下依次进行纵向固相拉伸和横向固相拉伸，最终得到具有一定拉伸比和厚度的 BOPLA薄膜。

分步法

平膜法分步双向拉伸生产工艺流程见图所示，即包括原料→计量→挤出→冷却铸片→纵向拉伸→横向拉伸→牵引(电晕处理) →收卷→时效处理→分切→成品这些工序。

双向拉伸工艺是先进行纵向拉伸再进行横向拉伸，其他工序与同步法双向拉伸工艺基本相同，两步法双向拉伸技术有一个最大的缺点：弓形效应大。由于BOPLA对角线热收缩率不一致，采用这种基膜生产出的复合包装可能会产生变形或翘角现象。

该工艺可以使薄膜的纵向及横向力学性能均匀平衡，同时也可以根据需求生产出纵向和横向性能不同的薄膜。对纵向与横向拉伸比的调整操作两者是不同的，纵向拉伸比通过改变拉伸的辊运行速度进行调整，而横向拉伸比靠移动导轨的位置来实现。

同步法

双向拉伸工艺过程为：原料干燥→熔融挤出→冷却铸片→铸片测厚→同时双向拉伸→热定型→薄膜测厚→牵引、切边→收卷→分切→包装入库。

平膜法同步拉伸机如图3所示。同步拉伸和分步拉伸生产的薄膜之间存在一些明显差别，其制得的薄膜在透明度、模量和强度方面不及分步拉伸薄膜。薄膜第一方向上拉伸的同时，在另一个方向上被拉伸过程中会部分地放松，这种材料弛豫过程会导致性能降低。因此，为了在同步拉伸中使薄膜获得相同的性质，第一拉伸比要设置高一些，且拉伸后降低温度以补偿并使松弛最小化。

平膜同步拉伸机的价格较贵，成本较高，在实际生产中应用很少。

三种双向拉伸方法的对比

从表1中可以看出，平膜法拉伸工艺生产出来的薄膜质量和生产效率均优于管膜法拉伸工艺。一般而言，对于高弹态的结晶速度快、结晶度高的聚合物，适用同步双向拉伸；而对于结晶度低、结晶速率较慢的聚合物适用于分步双向拉伸。对于结晶速率高的聚合物来说，如果先进行纵向拉伸时，聚合物会受到应力诱导结晶使结晶速率再提高，出现大量结晶，薄膜的结晶部分是很难再次拉伸，容易造成横向拉伸时破膜几率增大，因此结晶速率高的聚合物更适合同步法双向拉伸。

表1 三种双向拉伸工艺的比较

对于 PLA 来说，尽管 PLA 在应力作用下可以提高其结晶速率，但是提高的程度有限，PLA 经过纵向拉伸后结晶度也不会很大，所以它更适合分步法双向拉伸工艺。

与PP、PS和PET类似，通过双向拉伸工艺对PLA进行双向拉伸取向，可以赋予PLA薄膜更好的机械强度，同时薄膜的挺度、光泽度、透光度以及阻隔等性能会显著提高。因此，BOPLA能够在高档包装薄膜领域得到规模化应用，如食品包装和香烟包装等。为包装物提供良好的隔水、隔氧环境，并为商品提供满意的外观效果。

双向拉伸聚乳酸薄膜（BOPLA）的特性及其应用

双向拉伸的生产技术使聚合物分子链在纵/横两个方向上进行取向，极大地提高了材料性能，包括拉伸强度、透明性、韧性等。双向拉伸聚乳酸薄膜（BOPLA）除了具有PLA 的一般特征外，还具有安全卫生，可折叠、缠绕性等特性。此外，BOPLA 薄膜是目前唯一透明的可生物降解聚合物薄膜，在国外已经应用于各种透明包装容器、包装膜以及日用品等。其产品特点主要包括：

(1) 高的光泽度和透明度，可作为需要展示包装内容物的外包装透明材料，如信封窗口膜。

(2) 高耐热、高模量、良好的印刷性、热封性，可用于家电领域以及快消品市场，如家用电器包装、电子材料外包装等。

(3) 易折叠性及较好的缠结力，作为扭结膜使用时，性能可媲美玻璃纸，可广泛使用于食品及糖果外包装。

(4) 热收缩性，通过调整拉伸参数可使 PLA 薄膜收缩率＞50%，可作为收缩膜用于标签或收缩包装。

(5) 对水汽、氧气的透过性能好，可用于保鲜包装，有研究发现 PLA 薄膜可有效延长金针菇等食品贮存期；如英国 Amcor 成功开发出在新鲜食品作为外包装使用的 PLA 薄膜。

(6) 保香性，研究发现 PLA 薄膜对诸如柠檬油精类的香味阻隔能力优异，可作为咖啡、茶叶、芳香剂、香水等保香包装。

(7) 耐油溶性，研究发现 PLA 对脂肪族分子（如油和萜烃）具有高抗油溶性，可用于耐油包装。

参考：

[1]图书《通用级聚乳酸的改性和加工成型》徐鼐编著:158-160

[2]曾碧榕,陈国荣,王荣贵,朱继红,张秀华,罗伟昂,罗宇峰,许一婷,戴李宗.双向拉伸多层共挤复合薄膜的生产制备和进展[J].高分子材料科学与工程,2017,33(05):184-190.

[3]罗焯欣,董月平.双向拉伸聚乳酸薄膜的制备[J].合成树脂及塑料,2017,34(01):36-40.

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