雙向拉伸光學(xué)薄膜生產(chǎn)線工藝設(shè)備分析

方 青，程志輝，王寧威

FANG Qing1,CHENG Zhi-hui2,WANG Ning-wei1

（1. 北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120；2. 安徽銅峰電子股份有限公司，安徽 244000）

0 引言

隨著近幾年電子設(shè)備的飛速發(fā)展，從手機(jī)、電腦、電視的液晶顯示再到LED、激光器等，它充斥我們生活的方方面面，并使我們的生活更加豐富多彩。

光學(xué)薄膜的主要原材料是聚酯（PET）和根據(jù)不同用途的光學(xué)薄膜增加不同的添加劑，圖1所述的薄膜基膜均為PET薄膜。基膜的生產(chǎn)通過(guò)雙向拉伸設(shè)備將聚酯(PET)進(jìn)行干燥預(yù)結(jié)晶、擠出熔融、鑄片、拉伸、牽引、收卷等工序形成。

光學(xué)薄膜常用有高反射膜、減反射膜、濾光膜、濾色膜、增透膜、聚光膜、擴(kuò)散膜、偏光膜等，任何一種膜它都是光通過(guò)介質(zhì)膜層光的反射、透射和偏振等特性以達(dá)到想要的在某一或多個(gè)波段范圍內(nèi)光的全部反射或全部透射或光的偏振分離等各種特殊形態(tài)的光。

光學(xué)薄膜作為一種介質(zhì)，它要求介質(zhì)內(nèi)部一致，不能有色差、斑點(diǎn)等，使每一束光的路徑達(dá)到理想的效果。所以對(duì)基膜要求高，對(duì)其表面要求更高，給生產(chǎn)帶來(lái)很大難度，以下是針對(duì)光學(xué)薄膜和雙向拉伸設(shè)備各部分之間進(jìn)行生產(chǎn)工藝分析。

1 干燥系統(tǒng)

圖1 光學(xué)薄膜示意圖

光學(xué)薄膜主要原材料聚酯（PET）具有高吸濕性，暴露在空氣中將吸收空氣中的水份，聚酯（PET）在熔融擠出、鑄片之前需要充分除去其中的水份，避免形成的鑄片中產(chǎn)生氣泡，同時(shí)在干燥過(guò)程中升至合適的溫度使材料預(yù)結(jié)晶，增加鑄片的強(qiáng)度，有利于縱向、橫向的拉伸，干燥過(guò)程中還需要保證原材料的干燥時(shí)間，溫度均勻性一致，使所有聚酯材料濕度在40PPM以下，如時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，易使聚酯材料軟化架橋現(xiàn)象，所以干燥時(shí)采用壓縮空氣、羅茨風(fēng)機(jī)鼓吹暖風(fēng)，通過(guò)震蕩篩、干燥塔，保證所有聚酯切片受溫、受熱一致。

2 擠出系統(tǒng)

擠出系統(tǒng)包括擠出機(jī)、熔體計(jì)量泵、熔體過(guò)濾器、熔體管線、靜態(tài)混合器等，經(jīng)過(guò)預(yù)結(jié)晶和干燥處理后的聚酯切片經(jīng)過(guò)單螺桿擠出機(jī)或雙螺桿擠出機(jī)加熱熔融、塑化，擠出后通過(guò)高精度熔體計(jì)量泵提供穩(wěn)定的壓力，再通過(guò)過(guò)濾器去除熔體中可能存在的雜質(zhì)，凝膠粒子、魚(yú)眼等異物。熔體管線起擠出機(jī)、計(jì)量泵、過(guò)濾器、模頭之間的連接作用，光學(xué)薄膜要求高，擠出系統(tǒng)對(duì)制造光學(xué)薄膜很關(guān)鍵，一般擠出機(jī)采用單螺桿擠出機(jī)，對(duì)于光學(xué)薄膜生產(chǎn)線現(xiàn)都采用雙螺桿擠出機(jī)，塑化效果好，減少剪切力，同時(shí)雙螺桿擠出機(jī)有一套抽真空系統(tǒng)，具有很好的排氣、除濕功能，可以將干燥不徹底的聚酯切片中的水份抽走，還能抽走部分低聚物，計(jì)量泵選高精度計(jì)量泵使壓力更加穩(wěn)定，以克服熔體通過(guò)過(guò)濾器的阻力，壓力越穩(wěn)，薄膜的縱向厚薄均勻性越好，選擇過(guò)濾器濾網(wǎng)時(shí)，要求濾網(wǎng)密度高，網(wǎng)孔一般都選用15—20um，有利于更好去除熔體中雜質(zhì)，過(guò)濾器過(guò)濾面積的大小設(shè)計(jì)的合理性對(duì)光學(xué)薄膜生產(chǎn)也十分重要，要保證熔體經(jīng)過(guò)過(guò)濾器的合理時(shí)間，同時(shí)不能出現(xiàn)死角或不同路徑出現(xiàn)流過(guò)時(shí)間不一致，造成熔體溫度不均勻，熔體管線僅起連接作用，一般越短越好，以免熔體停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)產(chǎn)生降解，同時(shí)熔體流過(guò)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，產(chǎn)生熔體管內(nèi)芯部和管壁熔體溫度不一致，使薄膜形成色差。

3 鑄片系統(tǒng)

鑄片系統(tǒng)由模頭、急冷輥（冷鼓）、靜電吸附裝置、背風(fēng)等設(shè)備組成，鑄片系統(tǒng)是光學(xué)薄膜片材生產(chǎn)最關(guān)鍵部分，模頭是流延鑄片關(guān)鍵模具，直接決定鑄片的外形和厚度均勻性，聚酯拉伸線常采用衣架型模頭，模頭開(kāi)度通過(guò)若干個(gè)帶有加熱線圈的推拉式差動(dòng)螺栓初調(diào)，生產(chǎn)線生產(chǎn)時(shí)基本穩(wěn)定后再通過(guò)測(cè)厚儀自動(dòng)測(cè)厚，反饋給模頭加熱螺栓，調(diào)整加熱功率，控制螺栓的伸長(zhǎng)進(jìn)行唇口開(kāi)度的微調(diào)，保證薄膜橫向的均勻性，光學(xué)薄膜的表面和厚薄均勻性要求高，對(duì)模頭唇口的光潔度、唇口柔刃度和螺栓熱膨脹系數(shù)的合理性以及每一螺栓控制的寬度有嚴(yán)格的要求。靜電吸附裝置是將從模頭流出呈粘流態(tài)的聚酯熔體使其很好的不轉(zhuǎn)入空氣貼服在勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的急冷輥上，被快速、均勻地冷卻至玻璃化溫度以下，形成厚度均勻的玻璃態(tài)鑄片。靜電吸附裝置是由靜電吸附絲、電極、高壓發(fā)生器、電極絲收放卷裝置和伺服定位裝置構(gòu)成。其原理是：利用高壓15KV的直流電壓通過(guò)靜電吸附絲（正極），在電極絲與急冷輥（負(fù)極）之間產(chǎn)生高壓靜電場(chǎng)，因聚酯是極性分子，聚酯厚片在此靜電場(chǎng)中朝著相反的方向受力，在靜電的作用下聚酯厚片緊緊與急冷輥相貼，排除空氣使熱傳導(dǎo)效果良好。如果沒(méi)有外力的作用，一方面經(jīng)急冷的鑄片不易貼附在輥筒表面，另一方面，在厚片和急冷輥之間會(huì)夾雜空氣，降低熱傳低效果，嚴(yán)重影響厚片形成的質(zhì)量，會(huì)造成潔凈度高、結(jié)晶不均勻、徑縮大、甚至有水波紋等缺陷，對(duì)后續(xù)的縱向拉伸和橫向拉伸產(chǎn)生嚴(yán)重影響以致薄膜不合格。

靜電吸附力為F=K×V/δ×Ф2

由上公式可知，吸附力與電壓V成正比，與吸附絲和冷輥的距離δ、吸附絲直徑Ф的平方成反比。吸附絲的直徑一般為0.02-0.2之間。

在生產(chǎn)的過(guò)程中，聚酯厚片會(huì)產(chǎn)生低聚物凝聚在吸附絲表面，影響吸附效果，所以吸附絲要通過(guò)收放卷裝置不斷的移動(dòng)，此裝置還需接高壓發(fā)生器，絕緣和纏繞精度是很重要的性能，要平穩(wěn)的卷繞不影響靜電場(chǎng)。因此卷繞的設(shè)計(jì)十分重要，靜電吸附絲的直徑很小，僅能承受20牛左右的拉力，并且還要接上高壓靜電，整套傳動(dòng)機(jī)構(gòu)十分精密。

由于國(guó)內(nèi)沒(méi)有成熟的設(shè)計(jì)，我們只有自己開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)我們的研究和開(kāi)發(fā)，成功完成了靜電吸附裝置的設(shè)計(jì)，并且交付使用，效果良好。

因光學(xué)薄膜較厚，一般都在100um到250um之間，使得鑄片很厚，僅靠冷鼓冷卻到玻璃態(tài)，會(huì)使鑄片冷鼓面和背面溫差大，背風(fēng)裝置主要使鑄片兩面均勻冷卻。

4 拉伸系統(tǒng)

光學(xué)薄膜采用的都是雙向拉伸設(shè)備，其中分為兩步拉伸和同步拉伸，兩步拉伸是現(xiàn)在最常見(jiàn)的拉伸設(shè)備，分為縱向拉伸和橫向拉伸，縱拉是將來(lái)自鑄片機(jī)的厚片在縱向拉伸機(jī)組中加熱到高彈態(tài)下進(jìn)行一定倍數(shù)的縱向拉伸?？v向拉伸機(jī)由預(yù)熱輥、拉伸輥、冷卻輥、張力輥和橡膠壓輥、紅外加熱管、加熱機(jī)組以及驅(qū)動(dòng)裝置等組成?？v向拉伸通常為單點(diǎn)拉伸，也有多點(diǎn)拉伸，如兩點(diǎn)或三點(diǎn)拉伸。縱拉比是通過(guò)慢拉輥與快拉輥之間的速度差而產(chǎn)生的，一般為3～4倍。因?yàn)槔爝^(guò)程中經(jīng)過(guò)的輥比較多，很容易使薄膜表面產(chǎn)生劃痕，又因聚酯鑄片厚、拉伸過(guò)程中輥面溫度低，拉力很大，所以輥的質(zhì)量要求表面光潔度高，同時(shí)表面硬度大，特別是拉伸輥。橫向拉伸機(jī)是雙向拉伸生產(chǎn)線的最為重要的一個(gè)機(jī)組，它由：鏈夾、導(dǎo)軌、導(dǎo)軌支撐、條幅機(jī)構(gòu)、外圍框架、保溫板等構(gòu)成，其中最為關(guān)鍵的就是鏈夾。鏈夾的加工工藝復(fù)雜，精度要求高，要在溫度達(dá)到250攝氏度的環(huán)境中長(zhǎng)期運(yùn)行，同時(shí)要求整體質(zhì)量穩(wěn)定，一致性互換性好。同步拉伸是縱向和橫向同時(shí)拉伸，設(shè)備成本較高，還在提高階段，已經(jīng)被應(yīng)用在生產(chǎn)高端薄膜上，這些薄膜包括光學(xué)級(jí)薄膜、超薄薄膜以及許多其他具有極高穩(wěn)定物理性能的薄膜。因?yàn)樵诶旃に囘^(guò)程中，薄膜不會(huì)接觸到任何輥筒，所以與傳統(tǒng)的兩步拉伸工藝相比，同步拉伸薄膜的光學(xué)性能及表面性能有了質(zhì)的飛躍。

薄膜通過(guò)同步拉伸或兩步法拉伸后進(jìn)入牽引機(jī)組電暈、切邊，再進(jìn)入收卷機(jī)組進(jìn)行卷曲形成成品膜卷。

整個(gè)光學(xué)膜雙向拉伸或同步拉伸生產(chǎn)線是一個(gè)系統(tǒng)工程，每一套設(shè)備只有認(rèn)真分析設(shè)計(jì)才能達(dá)到要求。在實(shí)際中，還有許多問(wèn)題需要引起重視，如：

1）擠出機(jī)的壓力如何穩(wěn)定？這與擠出機(jī)的螺桿設(shè)計(jì)、上料系統(tǒng)及控制系統(tǒng)均有很大關(guān)系；

2）薄膜出現(xiàn)晶點(diǎn)，氣泡現(xiàn)象；

3）薄膜出現(xiàn)橫向波紋，等等。

這些問(wèn)題的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，比較難分析，看似和工藝關(guān)系密切，實(shí)際在設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)考慮到如何避免上述問(wèn)題的發(fā)生。

除了對(duì)光學(xué)薄膜內(nèi)在的要求分析，光學(xué)薄膜對(duì)表面的要求也十分高，輥筒表面的光潔度要求高，對(duì)軸承、輥筒的動(dòng)平衡都有要求，今后在此方面要更深入的研究，只有內(nèi)部和外部工藝都十分成熟才能生產(chǎn)出高質(zhì)量光學(xué)薄膜。

[1] Toshitaka kanai; Gregory A Campbell 塑料薄膜加工技術(shù),2003.

[2] 楊始堃. 雙向拉伸聚酯薄膜(BOPET)生產(chǎn)工藝技術(shù)(7).橫向拉伸工藝 [J]. 聚酯工業(yè),2006(04).

[3] 雙向拉伸聚酯薄膜縱向拉伸方式及預(yù)熱技術(shù) [J]. 合成技術(shù)及應(yīng)用,2008(2).