CN1089671C - 双轴向延伸聚丙烯珠光合成纸及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双轴向延伸聚丙烯珠光合成纸及其制造方法，该合成纸具有三层结构：纸面层或树脂层/发泡中间层/纸面层或树脂层，通过双螺杆挤出机挤压并汇流经同一T模头共挤压而成，其中，对聚丙烯树脂及无机物组合物分别由一台双螺杆主挤出机及二台双螺杆副挤出机挤压，挤压物汇流经同一T型模头而成为纸面层或树脂层/发泡中间层/纸面层或树脂层之三层板片，再经冷却成型、双轴向延伸、电晕处理，经卷取而成本发明合成纸。
Description
本发明涉及一种双轴向延伸聚丙烯珠光合成纸及其制造方法，尤指一种以三层共挤压方式制作的双轴向延伸聚丙烯珠光合成纸及其制造方法。
目前以聚烯烃合成纸在材质特性上取代天然纸浆抄造纸的工艺，是以聚丙烯的双轴向延伸薄膜为基材层(中间层)，并于其背表面上贴合含有8～65％(重量％)的无机物微细粉末的聚丙烯单向延伸薄膜作为纸面层的合成纸，该方法已被提出有专利申请且已实用化，如日本王子油化合成纸公司的日本特公昭46-40794号，另有日本特开昭56-141339号，日本特开昭56-118437号，日本特开平3-87255号也是就此技术方案提出的专利申请。
此等制法是在基材层于纵向延伸装置及横向延伸装置间利用二台挤出机作上、下增层淋膜完成纸面层，仅能对纸面层作横向、单轴向延伸，其纸面强度较低，而纸面层为增加印刷性所添加的无机物粉末易在印刷加工制程中脱粉，造成印刷机需时常清除纸粉的困扰；另因纸面层是单向延伸而得，与基材层的双向延伸制程的总延伸倍率有差异，因此当纸张受热时，纸面层与基材层的收缩率有差异，纸张易产生波浪变形；再有，为求制程及产品品质之稳定以二台挤出机作上、下增层淋膜完成的纸面层制程，其产速上受到很大限制，故延伸后的成品宽度最大只达6M，及单一纸面层厚度必须大于10μm(通常是30μm)，故产品厚度常在60μm以上，否则会因产品厚度分布不均一而影响印刷加工。就整体而言，由于制程技术难度较高，产品生产成本亦较高，故在产品销售量上受限，不易大量推广于各种用途的使用。
本发明的目的在于提供一种双轴向延伸聚丙烯珠光合成纸及其制造方法，针对上述技术缺陷研究出三层结构的合成纸，各层间具有相同的延伸倍率，提高了纸张的强度，并具有较宽的厚度选择范围。
本发明提供三层结构的合成纸，三层结构为：纸面层或树脂层/发泡中间层/纸面层或树脂层，先通过双螺杆挤出机挤压并汇流后经同一T模头共挤压而成。
其中发泡中间层的聚丙烯树脂组合物是由一台具侧供料装置的双螺杆主挤出机挤压，而纸面层或树脂层的树脂组合物，则由二台具侧供料的双螺杆副挤出机挤压，上述挤压物汇流于同一T型模头再施以共挤压而成三层结构，再经冷却、双向延伸、电晕处理、卷取而成，可得25～250μm的双、单面纸面及双面超亮面的珠光合成纸。
所述发泡中间层由包含下列原料组成的聚丙烯树脂组合物制成：39～95份(重量份)含顺式结构97％以上的结晶性聚丙烯树脂、0～40份碳酸钙粉末、0～20份二氧化钛、1～5份抗静电剂；所述纸面层则由包含下列组成的树脂组合物制成：聚丙烯22～99.5份(重量份)、聚乙烯树脂0～12份、二氧化钛粉末0～20份、碳酸钙粉末0～40份、抗静电剂0～3份、抗粘剂0.5～3份、紫外线吸收剂0～2份；上述两种组合物分别由一台具侧供料装置的双螺杆主挤出机及二台具侧供料装置的双螺杆副挤出机在180～280℃下予以挤压，并汇流经同一T模头挤压出，成为珠光合成纸板片，该板片经15～60℃的冷却轮冷却成型，然后施以双轴向延伸，包括预热、延伸和回火处理：先作3～6倍的纵向延伸，预热温度115～150℃，再作5～12倍的横向延伸，温度140～195℃，经上述延伸处理的板片再经20～120KW功率下的高频(高周波)电晕处理，最后以卷取机卷取成厚度25～250μm的三层共挤压聚丙烯珠光合成纸制品及作为涂布级合成纸的涂布底纸。
本发明方法以三层共挤压方式，对各层挤压物汇流后共挤压并经双向延伸而得的合成纸与习用技术仅对经双向延伸的中间层贴合以经单向延伸的纸面层而得的合成纸，在结构、制法上均不相同，同时，本发明亦可在副挤出机原料中选择使用无机填充剂即二氧化钛和碳酸钙的纸面层或不添加无机填充剂的树脂层，制成纸面层/发泡中间层/纸面层的双面纸面珠光合成纸、纸面层/发泡中间层/树脂层的单面纸面珠光合成纸及树脂层/发泡中间层/树脂层的双面超亮面珠光合成纸及作为涂布级合成纸的涂布底纸。
本发明方法制得的合成纸，由于制程上及使用原料配方上与习用技术采用的对纸面层作纵单向延伸后，横向延伸前的增层淋膜而成的单轴延伸层技术有极大的差异，故更能推广于以材质特性取代天然纸张的用途，其优点可列举如下：
1、纸面层原料是以聚丙烯、聚乙烯、二氧化钛、无机粉末为主，其雾面效果佳且色度白，遮蔽率亦超越传统纸张。
2、双向延伸的纸面层强度佳，无机粉末定著性良好，印刷加工过程不会产生脱粉。
3、纸面层及树脂层与发泡中间层具有相同的延伸倍率，纸张收缩均一，不易因纸面受热产生波浪状变形，而相同延伸倍率的纸面层与发泡中间层通常不易分层。
4、纸面层及树脂层的厚度范围可以是1μm～30μm，由副挤出机的挤出量控制而得。(视产品厚度需求及用途需求，予以变化)
5、制程产速大，最大可达3.5吨/小时，生产最大宽幅可达8M，产品厚度范围广，可达25～250μm。
6、纸面层树脂层及发泡中间层于具侧供料的双螺杆挤出机挤压而成，原料混练均一性佳，故产品厚度差范围可控制在±2％内；而本发明可使用粉状无机物粉末于侧供料装置送入挤出机，并非只使用无机物粉末的复合粒(Master Batch)，故而可大大降低原料使用成本；此外，亦可使用无机粉末的复合粒于单螺杆挤出机生产，但必须有效提高挤出机螺杆的L/D(长度/直径)比，来达到原料混练均一的效果。
7、产品生产成本低，较具市场竞争能力。
以下就聚丙烯树脂组成物、制作过程(包括挤压、三层共挤压、冷却、双轴延伸、电晕处理、卷取)等方面分别说明如下：
本发明的双向延伸聚丙烯珠光合成纸为三层结构，其发泡中间层由一台具侧供料装置的双螺杆主挤出机对含有顺式结构97％以上的高结晶性聚丙烯和抗静电剂由主机前端的入料口均匀搅拌进入主挤出机，另用无机物如碳酸钙粉末、二氧化钛粉末，由一个或二个侧供料装置，经计量后进入主挤出机，经由主挤出机双螺杆混练均匀后将树脂与无机物粉末的组合物挤入T型模头的中间流道中；另外，纸面层由具侧供料装置的双螺杆副挤出机二台对含有聚丙烯、聚乙烯、抗静电剂，抗粘剂，紫外线吸收剂的树脂组合物由副机前端的入料口(HOPPER)均匀搅拌后进入副挤出机，另将碳酸钙粉末、 二氧化钛粉末由一个或二个侧供料装置，经由计量后送入副挤出机，经由副挤出机双螺杆混练均匀后将树脂与无机粉末的组合物挤入T型模头内的两侧流道。上述三台挤出机挤压物汇流经同一T型模头挤压出，形成树脂层或纸面层/发泡中间层/树脂层或纸面层的三层结构板片，并经双轴向延伸、电晕处理、卷取而成25～250μm的双、单面纸面的珠光合成纸。
本发明方法为制出适于文化用纸，乃采用高结晶度聚丙烯为主要原料。本发明所用的聚丙烯树脂选用熔融指数(以下简称MFI)0.5～8(230℃/2.16kgASTM D1238)，大多为顺式结构(ISOTACTIC)的均一聚合物。此种高分子构形允许一个分子链间的整齐排列，即可由选择原料的分子量大小及分布状况，控制珠光合成纸的机械强度及品质均匀性。
本发明方法制得的珠光合成纸的构造为三层结构，如图1所示，为使纸面层能达仿纸化之效果乃配合聚乙烯、无机粉末，由用量比例的调整控制纸张面的光泽度、书写流畅感及印刷适合性效果。聚乙烯选用熔融指数(MFI)0.1～7的等级，并可用MFI等级不同的聚乙烯控制纸面的强度。
本发明方法所用的无机粉末，其主要作用除降低发泡中间层的密度外(利用延伸制程的微细孔隙产生)，更可使纸面层产生优于一般塑胶纸的书写流畅性及印刷适合性。无机粉末可选自碳酸钙、硅藻土、粘土、氧化钙、硫酸钡、二氧化钛等而成的群体之一种或掺合多种使用，其粒径0.1～10μm，其用量视产品物性需求而决定。
本发明使用具侧供料装置的双螺杆挤出机制造，其无机粉末可经侧供料装置送入挤出机，利用双螺杆挤出机达最佳混练分散效果；此外亦可使用无机粉末与树脂先经捏练制成之复合粒于最前端的入料口与各种树脂混合后再进入挤出机。本发明另外所使用的二氧化钛粉末，其主要作用为调整产品的不透明性及白度、抗紫外线性。
本发明方法所使用的抗静电剂可采现行一般双轴延伸聚丙烯(BOPP)所用的抗静电剂，其主要为三级胺类，可由三级胺类的电荷移行性消除因加工磨擦生成的静电效应。
本发明方法在生产中，为防止卷取合成纸时的纸面间相互粘结，另需加入抗粘剂，可使用现行一般双轴延伸聚丙烯所用的，例如二氧化硅(SILICA)，粘土(CLAY)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，玻璃珠(GLASS BEAD)等的任一种。
本发明方法制得的聚丙烯珠光合成纸制品的比重范围在0.75以下，此可由组成物配方改变而予调整，较日本特开平3-87255号案的比重0.79为低，使消费者可在相同单位重量下，有较多的使用面积，在使用上更加经济。
本发明方法制得的双向延伸聚丙烯珠光合成纸采纸面层/发泡中间层/纸面层或树脂层的三层结构，其产品物性、产能与使用配方、设备、操作亦有密不可分之关系。一般聚丙烯膜的双向延伸制品，大多为无填充剂添加的透明制品，但本发明仿纸化的生产制程，需添加大量的无机填充剂，使双向延伸制程的生产性、产能及产品品质安定性备受极大考验。以下就本发明方法制得的聚丙烯珠光合成纸25～250μm单、双面纸面制品所采用的制程配合附图的装置、步骤，加以说明如下：
图1为本发明三层共挤压双轴向延伸聚丙烯(BOPP)珠光合成纸的三种三层结构示意图。
图2为本发明的制造流程及装置示意图。
请参照图1所示，其中：
a显示纸面层/发泡中间层/纸面层的双面纸面的珠光合成纸结构。
b显示纸面层/发泡中间层/树脂层的单面纸面的珠光合成纸结构。
c显示树脂层/发泡中间层/树脂层的双面纸面的珠光合成纸结构。
参照图2所示：
1、挤出机装置1包括一台具侧供料装置的双螺杆主挤出机及二台具侧供料装置的双螺杆副挤出机，其温度设定条件受树脂组合物的原料配比、MFI、结晶度、粘度及生产线速、产品厚度的不同而异，但通常设定在180～280℃范围内。温度低于180℃时树脂胶化性差、无法顺利被挤出T型模头，而温度高于280℃时会有树脂过胶化及裂解现象而无法生产。
本发明方法是对三层(纸面层或树脂层/发泡中间层/纸面层或树脂层)利用三层共挤压方式达成，此乃利用T型模头的流道设计，经汇流由T型模头被三层共挤压出。
2、冷却成型轮装置2采用水冷式或气冷式冷却装置，对经180～280℃高温三层共挤压出的熔融挤压物实施冷却定型。此制程的冷却温度控制是否得当，与其后制程步骤的顺利与否有甚大关连性。冷却温度通常为15～60℃，视合成纸板片的厚度及生产线速而定，可在此范围内适度调整。
3、纵向延伸装置3供将经冷却成型的纸板送入，先在115～150℃(视所需制得纸板厚度及生产线速而定)予以预热，使纸板软化，再以二段方式施以低速及高速延伸，赋予合成纸在纵向的机械强度，然后回火定型，通常纵向延伸倍率设定在3～6倍。
4、横向延伸装置4：对经上述纵向延伸处理的较薄纸板先在140～195℃下(视纸板厚度及生产线速而定)予以预热软化，再施以横向延伸，最后回火定型，使珠光合成纸作部份回缩而增加尺寸安定性。通常横向延伸倍率设定在5～12倍，此可依制品之特性要求而定。
5、电晕处理装置5：此处理是为改善聚丙烯珠光合成纸纸面的物理特性，使之能适于印刷、涂布、上胶等不同的加工，电晕处理采用功率为20～120KW的高频(高周波)放电装置(视生产线速予以调整)，使表面的润湿张力达到36～48dyne/cm。
6、卷取装置6是利用一铁管将上述所生产完成的珠光合成纸卷取成8M宽的成品，其后并可依视需要予以分条、切片、包装成25～250μm卷装或片装产品。
本发明方法制得的厚度25～250μm的双向延伸聚丙烯珠光合成纸，其三层厚度比例如下：
其中，纸面层及树脂层厚度可在1～30μm间视产品需求而作调整。
以下结合实施例说明本发明方法所生产书写、印刷、包装用及各类纸张广泛用途的合成纸。但此并非以限定本发明专利实施范畴。
实施例一
将聚丙烯(MFI：2.4)67份(重量份数，以下同)、抗静电剂3份，混合后由入料口进入具侧供料装置的双螺杆主挤出机，并将碳酸钙粉末20份及二氧化钛10份由计量机计量后分别由二个侧供料装置送入双螺杆主挤出机；另将聚丙烯(MFI：5)62份、聚乙烯(MFI：1)12份、抗静电剂2份、抗粘剂3份、紫外线吸收剂1份以混合机混合后，由入料口送入具侧供料装置的双螺杆1#副挤出机，并将碳酸钙粉末10份及二氧化钛10份由计量机计量后分别由二个侧供料装置送入双螺杆2#副挤出机；聚丙烯(MFI：2.4)97份、抗粘剂3份由混合机混合后送入具侧供料的双螺杆2#副挤出机，并在挤出机温度200～280℃下，以三层共挤出方式经T型模头挤出，经冷却轮在15～60℃温度范围下，将聚丙烯珠光合成纸板冷却成型，成型后的纸板进入纵向延伸装置，在温度设定为120～150℃下，先予以预热，再作5倍纵向延伸，延伸后再予以回火冷却，冷却后再送入横向延伸装置，在温度150～185℃下，先予以预热，再作9倍横向延伸，延伸后再予以回火冷却，以控制合成纸之回缩率，上述纸板出横向延伸装置后，再经电晕处理，使合成纸有良好的印刷加工性，最后再以卷取机卷取。以上述过程可制得250μm以下的单面纸面珠光合成纸，可广泛用于书写、印刷、包装及各类纸张用途。
以本实施例制得的厚度60μm、100μm、120μm之单面纸面珠光合成纸结构如图1中b所示，其物性如下表所示：
实施例二
将聚丙烯树脂(MFI：2.4)68份(重量份数，以下同)、抗静电剂2份混合后，由入料口送入具侧供料装置的双螺杆主挤出机，并将碳酸钙粉末15份及二氧化钛15份由计量后分别由二个侧供料装置送入双螺杆主挤出机；另将聚丙烯(MFI：5)58份、聚乙烯(MFI：1)12份、抗静电剂2份、抗粘剂3份、紫外线吸收剂1份以混合机混合后，由入料口分别送入1#、2#具侧供料装置的2台双螺杆副挤出机，并将碳酸钙粉末12份及二氧化钛12份由计量机计量后，分别通过二个侧供料装置各自送入1#、2#双螺杆副挤出机，并在挤出机温度200～280℃下，以三层共挤出方式经T型模头挤出，经冷却轮在25～60℃温度下，将聚丙烯珠光合成纸板冷却成型，成型后的纸板送入纵向延伸装置，在120～150℃下先予预热，再作4.5倍纵向延伸，延伸后回火冷却，冷却后再送入横向延伸装置，在155～190℃下预热，再作8.5倍横向延伸，延伸回火冷却，以控制合成纸的回缩率；出横向延伸装置后，再经电晕处理，使合成纸有良好的印刷加工性，最后再以卷取机卷取。以上述方式可制得250μm以下双面纸面珠光合成纸，可广泛用于书写、印刷、包装及各类纸张用途。
本实施例制得的厚度分别为60μm、100μm、150μm之双面纸珠光合成纸，其结构如图1中a所示，物性如下表如示：
实施例三
将聚丙烯(MFI：2.4)62份、抗静电剂13份，以混合机混合后由入料口送入具侧供料装置的双螺杆主挤出机，并将碳酸钙粉末20份及二氧化钛15份由计量机计量后分别由二个侧供料装置送入双螺杆主挤出机，另将聚丙烯(MFI：3.0)96份、抗静电剂2份、抗粘剂2份由混合机混合后，送入具侧供料的双螺杆1#、2#副挤出机中，并在挤出机温度200～280℃下，以三层共挤出方式经T型模头挤出，经冷却轮在15～60℃温度下将聚丙烯珠光合成纸板冷却成型，成型后的纸板在温度120～150℃下，先预热，再作5倍纵向延伸，延伸后再予以回火冷却，冷却后再进入横向延伸装置，温度150～185℃下，先预热，再作9倍横向延伸，延伸后再予以回火冷却，以控制合成纸之回缩率，出横向延伸装置后，经电晕处理，使合成纸有良好的印刷加工性，最后以卷取机卷取。
以上述方式可制得250μm以下双面纸面珠光合成纸，可广泛用於书写、印刷、包装及各类纸张用途。
以本实施例制得的厚度分别为70μm、110μm、140μm之双面超亮面珠光合成纸，其结构如图1中c所示，物性如下表表示。
Claims (2)
1、一种双轴向延伸聚丙烯珠光合成纸的制造方法，其特征在于，所述合成纸具有三层结构：纸面层或树脂层/发泡中间层/纸面层或树脂层，三层的轴向延伸倍率相同，该合成纸的比重在0.75以下，厚度为25-250μm，且纸面层或树脂层厚度为1-30μm，其中，所述发泡中间层由包含下列重量份原料组成的聚丙烯树脂组合物制成，且所述聚丙烯树脂的熔融指数为0.5-8：39-95份含顺式结构97％以上的结晶性聚丙烯树脂、0-40份碳酸钙粉末、0-20份二氧化钛、1-5份抗静电剂；所述纸面层由包含下列重量份组成的树脂组合物制成，其聚乙烯树脂的熔融指数为0.1-7：聚丙烯22-99.5份、聚乙烯树脂0-12份、二氧化钛粉末0-20份、碳酸钙粉末0-40份、抗静电剂0-3份、抗粘剂0.5-3份、紫外线吸收剂0-2份；上述二种组合物中，发泡层原料组合物送入一台具侧供料装置的双螺杆主挤出机，纸面层原料的树脂组合物则分别送入二台具侧供料装置的的双螺杆副挤出机，三台挤出机均在180-280℃下以设定的挤出量挤压物料，并汇流经同一T模头共挤压出，成为纸面层或树脂层厚度为1-30μm珠光合成纸板片，该板片经15-60℃的冷却轮冷却成型，然后施以双轴向延伸，包括预热、延伸和回火处理：先作3～6倍的纵向延伸，预热温度115～150℃，再作5～12倍的横向延伸，设定温度140～195℃，经上述延伸处理的板片再经20～120KW功率下的高频电晕处理，最后以卷取机卷取成厚度25～250μm的三层共挤压聚丙烯珠光合成纸。
2、权利要求1所述的制造方法，其中，所述被送入二台或其中一台双螺杆副挤出机的树脂组合物组成为：聚丙烯22-99.5份、聚乙烯树脂0-12份、抗静电剂0-3份、抗粘剂0.5-3份、紫外线吸收剂0-2份，制成三层结构为：树脂层/中间发泡层/树脂层，或，纸面层/中间发泡层/树脂层，其树脂层的厚度为1-30μm。
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