流延成型技術(shù)研究

      大多數(shù)聚酰亞胺（PI）因加熱無法熔融且不溶于有機(jī)溶劑，通常采用兩步工藝來制造高質(zhì)量的PI薄膜。首先，將聚酰胺酸（PAA）溶液流延在基底上，在較低溫度下蒸發(fā)掉部分溶劑；之后升高溫度經(jīng)化學(xué)或熱亞胺化法將PAA轉(zhuǎn)化為PI。

      在流延成型過程中由于PAA樹脂黏度較高、擠出壓力不穩(wěn)定、計(jì)量泵脈沖波動(dòng)較大等因素，導(dǎo)致其橫向厚度均勻性和膜卷外觀平整性差。

對現(xiàn)有薄膜流延成型工藝進(jìn)行改進(jìn)，可通過在成型過程中增加正負(fù)風(fēng)壓處理、靜電處理、模頭角度調(diào)節(jié)處理等措施，來制備高性能PI薄膜。

1. 正負(fù)壓式

       設(shè)計(jì)基于風(fēng)壓的PAA樹脂溶液貼附唇壁的擠出流延工藝改進(jìn)方法，在擠出模頭后方和前方設(shè)置可以施加正壓或負(fù)壓的吹風(fēng)、吸風(fēng)裝置。PAA樹脂流延開始時(shí)，在模頭唇口溶液流出處施加正壓或負(fù)壓，使擠出溶液貼附于擠出模頭底端的上唇壁或下唇壁，之后再下落流延到鋼帶上，以改進(jìn)PAA薄膜的厚度均勻性和表面平滑性。

      實(shí)驗(yàn)表明，施加風(fēng)壓為0.01～0.1MPa或-0.1～-0.02 MPa，在樹脂溶液流出模頭唇口間隙處施加正壓或負(fù)壓15～60min后，關(guān)閉吹吸風(fēng)裝置，經(jīng)唇口間隙擠出的樹脂溶液在其表面張力、自身重力和擠出離模膨脹效應(yīng)的綜合作用下，仍可貼附于上唇壁或下唇壁再流延到鋼帶上，成型為PAA樹脂液膜。

      正負(fù)壓作用于流出唇口間隙的樹脂溶液時(shí)，可使之貼附于模頭底端唇壁并在表面張力作用下產(chǎn)生界面效應(yīng)，并且保持貼附模頭唇壁時(shí)產(chǎn)生的界面變化，確保流延到鋼帶上成型的PAA液膜表面光滑，并且厚度一致。

    2. 靜電式

       設(shè)計(jì)基于靜電的PAA樹脂溶液貼附唇壁的擠出流延方法，在模頭唇口間隙下開口前方和后方設(shè)置靜電吸附裝置，其中，靜電吸附裝置為由金屬絲或金屬帶構(gòu)成的平行于模頭唇口的絲狀或帶狀電極，且擠出模頭的唇模條和模頭主體之間增加絕緣隔板，模頭和唇模條接地。

       PAA樹脂流延開始時(shí)，在模頭唇口溶液流出處施加靜電場，使擠出溶液在靜電力作用下貼附于擠出模頭底端的上唇壁或下唇壁，之后再流延到鋼帶上，以改進(jìn)PAA薄膜的厚度均勻性和表面平滑性。流涎開始前在擠出模頭底端和與靜電吸附裝置同側(cè)的唇壁上涂布PAA樹脂溶液，以避免電擊現(xiàn)象。

為了使PAA樹脂溶液同時(shí)貼附于上、下唇壁，在唇口間隙下開口的前方和后方均設(shè)置靜電吸附裝置金屬絲或金屬帶，開始流延時(shí)一側(cè)的靜電吸附裝置通6～15kV的直流高壓電，通電時(shí)間為15～60min，使PAA樹脂所受到的靜電吸附作用力為1～32N。

        當(dāng)觀察到樹脂溶液已貼附于該側(cè)唇壁，該側(cè)的靜電吸附裝置斷電，另一側(cè)的靜電吸附裝置立即通電，使樹脂溶液再貼附于另一側(cè)唇壁，此時(shí)樹脂溶液在其表面張力作用下仍在先貼附的那一側(cè)唇壁上有少量貼附，在雙側(cè)靜電吸附裝置均停止通電后，經(jīng)唇口間隙擠出的樹脂溶液在其表面張力、自身重力和擠出離模膨脹效應(yīng)的綜合作用下，離開唇口間隙后仍向兩側(cè)的上、下唇壁擴(kuò)張，樹脂溶液同時(shí)貼附上、下唇壁后在唇口間隙下方匯合流延至鋼帶。

        靜電作用于流出唇口間隙的樹脂溶液，使之貼附于模頭底端唇壁，樹脂溶液在與唇壁結(jié)合過程中，在表面張力作用下產(chǎn)生界面效應(yīng)，并且保持貼附模頭唇壁時(shí)產(chǎn)生的界面變化，確保流延到鋼帶上成型的PAA液膜表面光滑，并且厚度均勻一致。

3. 角度調(diào)節(jié)式

        設(shè)計(jì)基于模頭角度調(diào)節(jié)的PAA樹脂溶液貼附唇壁的擠出流延工藝改進(jìn)方法，在PAA樹脂溶液流延開始時(shí)，改變模頭角度，使模頭角度遠(yuǎn)大于或遠(yuǎn)小于設(shè)定模頭角度，再逐步恢復(fù)到設(shè)定值。當(dāng)模頭角度與設(shè)定值相差較大時(shí)，從唇口間隙擠出的樹脂溶液流到處于唇口間隙下方的唇壁上貼附，之后再下落流涎到鋼帶上，以改進(jìn)PAA薄膜的厚度均勻性和表面平滑性。

         為了達(dá)到更好的貼附效果，模頭角度調(diào)節(jié)式擠出流延工藝改進(jìn)方法在流延開始時(shí)，設(shè)置初始模頭擠出速率大于設(shè)定模頭擠出速率Q，逐步減小模頭擠出速率，直到達(dá)到設(shè)定模頭擠出速率Q。

        開始流涎時(shí)，設(shè)置模頭的初始擠出速率為1.2Q～3.5Q；在8～30min內(nèi)分3～5次逐漸減小模頭擠出速率，直至達(dá)到設(shè)定模頭擠出速率Q。每一次減少模頭擠出速率后保持該模頭擠出速率2～10min。模頭擠出速率調(diào)節(jié)完成后，模頭角度的調(diào)節(jié)也將完成。同時(shí)，該成型方法在流延開始時(shí)選擇初始唇口間隙小于設(shè)定唇口間隙δ，逐步增大唇口間隙，直至達(dá)到設(shè)定唇口間隙δ。

        開始流涎時(shí)，設(shè)置初始唇口間隙為0.10δ～0.125δ，在8～30min 內(nèi)分3～5次逐步增大唇口間隙，直至達(dá)到設(shè)定唇口間隙δ。每一次增大唇口間隙后，保持該唇口間隙2～10min。模頭唇口間隙的調(diào)節(jié)與模頭擠出速率的調(diào)節(jié)同步進(jìn)行。

        基于模頭角度的改變，再加上擠出速率、唇口間隙的調(diào)節(jié)作用，流出唇口間隙的樹脂溶液貼附于模頭底端唇壁，樹脂溶液在與唇壁結(jié)合過程中，在表面張力作用下產(chǎn)生界面效應(yīng)，并且保持貼附模頭唇壁時(shí)產(chǎn)生的界面變化，確保流涎到鋼帶上成型的PAA液膜表面光滑。同時(shí)，經(jīng)過貼附唇壁的樹脂液膜內(nèi)應(yīng)力減小，液膜表面薄弱界面層的均一性提高，可以消除黏度較高的樹脂流延成型制備的薄膜表面縱向條紋缺陷。

    采用正負(fù)壓式、靜電式、模頭角度調(diào)節(jié)式3種流延工藝改進(jìn)方法改進(jìn)后的流延工藝與現(xiàn)有常規(guī)PAA樹脂流延工藝經(jīng)相同的雙向拉伸成型工藝制得相同厚度的PI薄膜。PAA樹脂液膜的表面經(jīng)過有效的唇壁貼附處理后在界面效應(yīng)的影響下其質(zhì)量得到了優(yōu)化。

上下表面質(zhì)量研究

        用兩步法制備的PI薄膜往往呈現(xiàn)出兩個(gè)不同的表面，其中一側(cè)是面向基板，稱為流延面；另一側(cè)是面向空氣，稱為空氣面。復(fù)雜的工序會導(dǎo)致薄膜的兩面的性質(zhì)不同，包括表面形態(tài)、粗糙度、亞胺化程度等，這可能會影響薄膜的實(shí)際應(yīng)用。

(air side of 2-mm films from Manufacturer A, B, C, D)

(cast side of 2-mm films from Manufacturer A, B, C, D.)

       研究人員選取四家薄膜制造商生產(chǎn)的八種類型PI薄膜（厚度分別為1mm和2mm），采用原子力顯微鏡（AFM）在納米尺度上分析了不同薄膜的表面形貌、粗糙度、模量和粘附力，利用紅外光譜儀考察了薄膜的相對亞胺化程度，對比分析了PI薄膜兩面之間以及不同制造商薄膜之間的差異。

air side of 1-mm films from Manufacturer A, B, C, D.）

(cast side of 1-mm films from Manufacturer A, B, C, D.)

        統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的t-test分析結(jié)果表明，同一PI薄膜的兩面在粗糙度、DMT模量和相對亞胺化程度方面均存在顯著差異（p<0.05）。所有樣品的空氣面明顯更為光滑，其粗糙度始終小于流延面的粗糙度；對于2mm厚度薄膜，空氣面具有較高的亞胺化程度。

(Relative imidization degree (A1370/A1496))

       研究發(fā)現(xiàn)，相對亞胺化度與DMT模量（r=0.7330）、附著力（r=0.6689）呈正相關(guān)，而薄膜的納米結(jié)構(gòu)和納米力學(xué)性能會影響其表面質(zhì)量。

采用方差分析比較了不同制造商所提供PI薄膜的差異。制造商B的薄膜具有最高DMT模量和亞胺化度，以及最光滑的表面。制造商D的2mm厚度薄膜，在其流延面發(fā)現(xiàn)了條紋狀形貌及黏連，這損害了薄膜在垂直于條帶方向上的強(qiáng)度。

結(jié)果表明，不同制造商的PI薄膜在表面形貌和納米力學(xué)性能上可能有很大差異，同一薄膜的流延面和空氣面會表現(xiàn)出不同的形態(tài)特征。采用AFM在納米尺度上研究薄膜的形貌和力學(xué)性能，有助于表征薄膜質(zhì)量并選擇出表面質(zhì)量更高的薄膜。

        文章出處：【中國塑協(xié)流延薄膜專委會】公眾號，轉(zhuǎn)載至【國際薄膜與膠帶展】公眾號，本文章版權(quán)歸原作者及原出處所有，內(nèi)容為作者個(gè)人觀點(diǎn)， 并不代表本網(wǎng)站贊同其觀點(diǎn)和對其真實(shí)性負(fù)責(zé)。如涉及侵權(quán)或?qū)Π鏅?quán)有所疑問，請郵件聯(lián)系bangguhuaxue@126.com。我們會盡快處理，感謝。