（一）扁丝基本制造方法

1.薄膜切割扁丝法的制造原理

由挤出塑料薄膜（通常是聚丙烯、聚乙烯塑料），经纵向分切、单轴向拉伸（5～11倍）后，高聚物长链分子沿拉伸方向取向，使纵向强度大大提高，而横向（垂直于拉伸方向）强度明显下降，再经热定型制成各向异性的扁丝。

这种扁丝还可以再施加各种外力（如：摩擦、针刺、压纹等），使其沿纵向开裂制成均匀网状的裂膜丝。

2.扁丝的基本制造方法

扁丝制造工艺过程由下列工序组成：

①薄膜挤出（成膜）；

②薄膜切割（成丝）；

③扁丝单轴向拉伸（拉丝）；

④扁丝热定型（定型）；

⑤扁丝裂化（用于制造裂膜丝）；

⑥扁丝冷却（冷却）；

⑦扁丝卷绕成锭（卷绕）。

从薄膜挤出、扁丝单轴向拉伸及扁丝卷绕三个大工序，由于采用不同的方法，而形成了扁丝制造方法的不同类别，如表2-1-1所示。

表2-1-1 扁丝制造方法的不同类别^[4]

薄膜挤出方法大多采用平膜法。扁丝单轴向拉伸工序多采用干法、热风循环式的热烘道法和旋转式热辊法。扁丝卷绕工序多采用单轴传动的交叉卷绕方式。薄膜挤出工序的管膜法与平膜法，各有优缺点，就扁丝编织土工布来讲一般采用平膜法。

管膜法产量较高，膜泡在吹胀时有横向拉伸，因此薄膜的冲击强度稍高，不易撕裂，手感也比较柔软。制成的扁丝宜于织造精细织物。其缺点是薄膜厚度不容易达到均匀，因而制成的扁丝厚度也不很均匀，影响织造生产和织物质量。尤其是上吹空气冷却时，冷却速度较慢，薄膜的结晶度提高，不利于高倍率拉伸。同时，为了便于使双层膜管分离，常需加入一定量的防黏剂（俗称开口剂），因而影响扁丝性能。此外，管膜法对原料树脂的质量要求较高，改质剂（填充母料）用量及回料用量有一定限制。

平膜法对原料树脂的质量要求不如管膜法严格，成膜操作比较简便，薄膜厚度也容易控制，因而薄膜厚度较均匀。由于采用直接水冷，冷却速度较快，有利于高倍率拉伸（通常为6～10倍），能制得线密度较均匀的扁丝。缺点是扁丝手感较差，抗冲性不佳。由于平膜法能制得线密度较高的扁丝，这种扁丝多用于织造粗织物。

上述两种制造方法的对比，如表2-1-2所示。

表2-1-2 扁丝制造工艺中成膜法的对比^[4]

（二）扁丝制造设备及工艺

1.扁丝的制造设备

扁丝的制造设备，通常称为扁丝（拉丝）机组，一般构成如下：

①成膜装置（包括供料装置、挤出机、过滤装置、模头、冷却装置）；

②薄膜切割装置；

③扁丝单轴向拉伸装置；

④扁丝热定型装置；

⑤扁丝裂化装置（用于制造裂膜丝）；

⑥扁丝卷绕装置；

⑦电器控制系统。

现代化的扁丝机组，除上述装置外，还装有计量挤出装置、薄膜测厚装置以及计算机自动控制系统等。

典型管膜法扁丝机组如图2-1-2所示，典型平膜法扁丝机组如图2-1-3所示。

图2-1-3 典型平膜法扁丝机组^[5]

①成膜装置 ②薄膜切割装置 ③扁丝单轴向拉伸装置 ④扁丝热定型装置⑤扁丝单轴向拉伸装置 ⑥扁丝卷绕装置 ⑦废丝回收管道/废丝集箱

现在国内外公司大多数采用塑料挤出平膜扁丝机组，如图2-1-4所示。下面就以平膜法扁丝机组的装置作用分别加以介绍。

图2-1-4 塑料挤出平膜扁丝机组外观图（常州市恒力机械有限公司，2018年^[5]）

（1）成膜装置

平膜扁丝机组的成膜装置包括供料装置、挤出机、过滤装置、模头、冷却装置等。

供料装置的作用是保证挤出机精确的供料。供料有粉状及粒状树脂、填充剂（如碳酸钙母料）、防老化母料、色母料等。因此，供料装置通常包括混合/定量加料器与真空输料器两个部分，其操作完全自动化。

混合/定量加料器，通常将各组分物料定量混合均匀。常用形式有三组分至五组分混合/定量加料器，也有具备干燥功能的混合/定量加料器。

真空输料器是利用真空原理，将混合均匀的物料从混合/定量加料器或料槽中吸入挤出机料斗，保证挤出机精确地供料。

挤出机的作用是高效率而稳定地为模头提供塑化均匀、无气泡、无脉动的适合于扁丝生产工艺要求的定量熔融物料（即树脂熔体）。

挤出机的关键部件机筒及螺杆一般有两种形式，即：

①平滑进料段衬套式机筒及螺杆，其进料段镶嵌的衬套内表面平滑，配有普通螺杆，如图2-1-5中（a）所示；

②开槽进料段村套式机筒及螺杆，其进料段镶嵌的村套内表面开有沟槽，配有高效螺杆，如图2-1-5中（b）所示。

图2-1-5 两种不同挤出机筒及螺杆示意图^[4]

（a）配有平滑衬套（普通螺杆1）（b）配有带槽衬套（高效螺杆2）

两种螺杆的不同特征：。

螺杆1压缩比1∶3.5，螺杆2压缩比1∶1.15。

开槽进料段衬套式挤出机通常称为高效率挤出机。其衬套有利于粒料输送，也起压缩物料的作用，因而所采用高效螺杆的压缩比（常为1∶1～1∶1.5）小于传统的平精进料衬套式挤出机的普通螺杆压缩比（常为1∶2.5～1∶4）。这两种挤出机的两种螺杆产生的压力变化对比如图2-1-6所示，两种螺杆挤出量与转速的关系如图2-1-7所示。从图2-1-7可以看出，要达到相同的挤出量，普通螺杆的转速应高于高效螺杆的1倍以上，因而剪切速率也高1倍。

图2-1-6 两种螺杆产生的压力变化比^[4]

1—普通螺杆 2—高效螺杆 a—混合区 b—减压区 c—压缩区 d—入料区 e—第1计量区 f—第2计量区

图2-1-7 两种螺杆挤出量与转速的关系^[4]

1—普通螺杆 2—高效螺杆

在高剪切速率下，如果仅用一种普通螺杆形状加聚丙烯、高密度聚乙烯和线性低密度聚乙烯这三种加工温度差距较大的树脂，则摩擦力和熔体温度相差很大，不利于工艺操作和扁丝质量。通常，传统式挤出机需用两根螺杆，即一根浅螺槽杆用于聚丙烯，另一根深螺杆用于高密度聚乙烯和线性低密度聚乙烯，以防止摩擦力和熔体温度过高。但选用高效开槽进料段衬套式挤出机时，仅需用一根高效螺杆就能高挤出量地加工三种树脂，并且大幅度降低剪切速率。

过滤装置的作用是过滤掉物料熔体中的杂质。防止杂质堵塞模口间隙及扁丝拉伸时的断头。

通常，熔体过滤大都通过挤出机的多孔板前所安装的滤网组。最粗的滤网一般紧贴在多孔板上，依次再安放较细的滤网。滤网常用不锈钢丝网、铜丝网、铁丝网等。典型的滤网组合为100目/60目/30目各一片的网叠，30目滤网紧贴多孔板。由于滤网定期需要更换，所以过滤装置分为停机换网装置和不停机换网装置。前者有一般滤网和长效滤网器；后者有滑板式换网器和带式自动换网器等。现在大都采用不停机换网装置。

挤出模头的作用是将物料熔体分布在流道中，并使其以均匀的速度挤出成膜。

物料熔体的实际分布，取决于物料的流动性、流道的几何形状、通常模头的流率以及模头中的温度分布状况。扁丝的制造大都采用平膜法。平膜法用模头根据流道的几何形状，可分为三种类型：T形模头、鱼尾形模头、衣架形模头，如图2-1-8所示。其中常用的是衣架形模头，这种模头能使物料熔体分配非常均匀，但制造成本较高。

图2-1-8 平膜法模头的三种类型^[4]

（a）T形模头（b）鱼尾形模头（c）衣架形模头

为了改变模头流道的几何形状，通常采用以下几种方法：

第一种采用活动模唇调节，如图2-1-9所示。沿模头宽度的许多螺栓，能在不连续的成型段各点上精密调节挤出薄膜的厚度。如按规定进行调节，薄膜厚度公差应在±3%以内。

第二种是采用调节排，如图2-1-10所示。其操作方式和活动模唇调节类似，通过沿模头宽度的许多螺栓，可使调节排局部变形导致流道高度改变，因而能调节模头中物料熔体分布。

图2-1-9 挤出模头示意图^[4]

图2-1-10 模口调节装置示意图^[4]

1—支管 2—模体 3—阻流区 4—调节排 4′—调节排（局部可调）5—模唇 5′一模唇（可调）5″—柔性模唇（局部可调）6—挤出机

第三种是采用调节模头温度，即模头截面的局部加热或冷却，从而促进或限制物料熔体流动。如果使用刻有条纹的模唇，可以生产出具有纵向条纹的扁丝。

冷却装置的作用是将模头挤出的熔膜，稳定、均匀、骤冷成薄膜。

平膜法薄膜的冷却有水浴冷却和冷辊冷却两种形式。其中大都采用水浴冷却，如图2-1-11所示。水浴冷却的水浴槽通常分隔成两部分。冷却水进入其中一部分，通过循环系统和附有缝隙的两个管式喷嘴，均匀地由两侧向浸入水中的熔膜喷水。水面上的杂质或析出物，从两个溢流槽流入另一隔板的溢流槽。溢流槽和水面的高低均可调节。另一部分底部有三个管接头，其中两个用于排水，另一个则用于排放漂浮于水面的杂质。水浴槽配有水温调节器，并安装在可滚动的基座上，能左右滑动，以便开启挤膜装置、清理模头和拆卸螺杆。

图2-1-11 薄膜水浴冷却槽^[4]

1—模头 2—喷水嘴 3—溢流槽 4—水浴 5—薄膜 6—提升辊 7—吸水嘴 8—溢洗排气管

冷却后的薄膜利用配有驱动装置的双辊，经三个水下导辊从水中提升，并将所带水分挤去，剩余水分通过进入切膜工序之前的吸水嘴吸干。

（2）薄膜切割装置

薄膜切割装置的作用是将经过冷却并除去水分的薄膜切割成规定宽度的坯丝，以便进入拉伸工序。

薄膜切割装置由展幅辊和切割器组成。切割时根据坯丝的规定宽度配置刀片，刀片之间用垫片分隔。刀片垫片的宽度，由坯丝宽度和刀片厚度决定。刀片有单面刀片或双面刀片。刀架有多种形式，装卸便利、操作简单。

（3）扁丝单轴向拉伸装置

扁丝单轴向拉伸装置的作用是将薄膜切割的坯丝，在热和机械外力的作用下，经单轴向拉伸进行分子取向，以提高扁丝的拉伸强度。

扁丝单轴向拉伸装置可分为单点拉伸和多点拉伸。单点拉伸通常在两对拉伸辊中一次拉伸至所需的拉伸倍数；而多点拉伸则需通过多对拉伸辊，经多次拉伸而达到所需的拉伸倍数。通常扁丝的制造采用单点拉伸。而多点拉伸可以获得更高的拉伸倍数，即更高的扁丝强度，但所需设备多，操作也复杂。

扁丝单轴向拉伸装置，通常由一个热风烘道箱和两组拉伸辊组成。热风烘道是利用热空气为传热介质的加热装置，其控制温度要求较高，以确保空气温度均匀，保证扁丝的质量。拉伸辊大都采用多辊式，要求动平衡高，以确保平衡旋转，保证扁丝的稳定拉伸。

（4）扁丝热定型装置

扁丝热定型装置的作用是减少拉伸过程中扁丝的残余内应力。即将扁丝再次加热使其收缩，然后进行冷却，最后卷绕成扁丝筒，生产中此工序也称为回缩工序。

扁丝热定型装置由加热和冷却两部分组成，通常采用加热辊与冷却辊组合式，即工艺比较紧凑，使加热、冷却和回缩三项工序融为一体。

（5）扁丝裂化装置(www.daowen.com)

扁丝裂化装置的作用是将扁丝通过针辊机械力使其开纤，形成网状纤维结构物，即裂膜丝。

扁丝裂化装置由牵引辊和针辊组成。针辊中针的间距大小，确定裂膜丝的均匀网格大小。

（6）扁丝卷绕装置

扁丝卷绕装置的作用是将扁丝张力稳定地卷绕在空芯筒管上，供织造使用。

扁丝卷绕装置可以采用双工位卷绕机，如图2-1-12所示。它高速，高效，自动换卷，节省人工，换卷不浪费纱，缠绕比为电子设定，可根据不同纱型设定最优缠绕比，通过变化圈数，可实现恒力放纱。

图2-1-12 双工位卷绕机（常州市恒力机械有限公司，2018年^[5]）

（7）扁丝制造控制系统

扁丝制造控制系统功能有：配方控制、报警控制、运转控制、机械参数显示以及流程图等。

（8）废丝回收系统

扁丝生产线中，大都安装有真空吸丝管，薄膜切割时产生的边丝和未拉伸的断头丝，都直接吸入切断机，再由风送入磨碎机，最后由供料系统的吸料器吸入挤出机加料斗回收利用。拉伸及卷绕过程中的断头丝以及开车时尚未能绕入卷绕机的部分扁丝，通常风送至收集器中，集中回收后再加以利用。

常州市恒力机械有限公司的塑料挤出平膜扁丝机组，采用直驱伺服电机和两次牵伸在扁丝机组中的应用，配合自动调节模头以及在线测厚系统的整合，一方面达到高效节能的目的，另一方面提供了高强度、低线密度丝的生产调节。在线测厚系统的应用，使膜片更加均匀、稳定，节约了原料成本，可视化的自动调节模唇，改变了传统模头的调节方式，更直观、更简便。割丝单元采用六组不停机换刀形式，提高了生产效率。双工位卷绕机的使用，更适用于高速拉丝的需求。电控单元采用欧洲品牌工业计算机，集中全程监控整机组运行，使得操作更加简便，而且提升了机组运行的稳定性。该机组适用于聚丙烯、高密度聚乙烯普通丝、裂膜丝（纤化丝）、折叠丝等各种规格扁丝产品的生产加工。

常州市恒力机械有限公司的塑料挤出平膜扁丝机组技术参数如表2-1-3所示。

表2-1-3 常州市恒力机械有限公司的塑料挤出平膜扁丝机组技术参数^[5]

2.扁丝的制造工艺

从图2-1-2和图2-1-3可以看出，扁丝制造工艺流程的工序并不十分复杂，但影响各工序的因素很多，如表2-1-4所示。在实际生产中，应注意影响因素的产生和消除，确保生产的顺利进行。以下按工序论述扁丝制造工艺条件及其控制。

（1）成膜工序

扁丝制造中，薄膜挤出温度通常根据树脂的黏流温度范围来确定。扁丝用薄膜挤出的最高塑化温度范围如表2-1-5所示，而模头温度则均高于塑化温度，如表2-1-6所示。

表2-1-4 扁丝制造过程中的影响因素^[4]

表2-1-5 扁丝用薄膜挤出最高塑化温度^[4]单位：℃

表2-1-6 扁丝用薄膜挤出模头温度^[4]单位：℃

模头压力通过调整挤出速度加以控制，以保证挤出机安全运转。通常，机头压力达到指定值（300～400Pa）时，挤出机即能自动停止运转。机头压力也是判定更换滤网的指示信号。

薄膜冷却方面，管膜法中采用风环冷却，管膜的冷却线应在距吹塑模头表面500mm处为宜。平膜法中采用水浴冷却时，水浴水平面与模唇间距离（又称气隙）可以调节。气隙距离短，则薄膜的缩幅现象减少，提高了薄膜的面积利用率。通常，生产PP薄膜扁丝时，气隙距离为20～30mm；生产HDPE薄膜扁丝时，则为40mm左右。薄膜冷却温度，PP为20～25℃，HDPF及LLDPF则为35～40℃。冷却温度过低，会导致结晶过快，球晶间产生裂纹多，而使薄膜发脆，拉伸时断头率增高；冷却温度过高，球晶过大，拉伸困难，易产生竹节丝。冷却水一般使用自来水，但夏季宜用冷冻水来调节冷却水的温度。薄膜冷却状态与扁丝拉伸强度之间的关系如图2-1-13所示。

图2-1-13 薄膜冷却状态与扁丝拉伸强度的关系^[4]

1—急冷 2—缓冷

成膜过程中常见的工艺缺陷及排除措施如表2-1-7所示。

表2-1-7 成膜工艺缺陷及排障措施^[4]

（2）薄膜切割工序

薄膜切割工序首先要确定坯丝的切割宽度和刀片间距离（即刀片垫片的宽度）。

扁丝的宽度是指经过单轴向拉伸后的宽度。一般扁丝宽度可以由织物密度（即每100mm织物长度的扁丝根数）直接算出。常用织物密度下的扁丝宽度见表2-1-8所示。而坯丝与扁丝宽度和拉伸比之间关系式（2-1）为：

表2-1-8 织物密度与扁丝宽度对照表^[4]

注：以上为常规产品数据对照表，对于孔径和渗透要求特殊的产品，根据具体指标调整织物密度和扁丝宽度的匹配。

式中 b₁——坯丝宽度，mm

b₂——扁丝宽度，mm

R——拉伸比

坯丝宽度与刀片垫片宽度和刀片厚度之间关系式（2-2）如下：

式中 δ——刀片厚度，mm

b_W——刀片垫片宽度，mm

由式（2-1）和式（2-2）可以推出：

或

根据式（2-3）、式（2-4）或按照表2-1-9，可以算出或查出所需刀片垫片宽度，从而也就确定了刀片间距离。

表2-1-9 不同垃伸比及扁丝宽度下的坯丝宽度（b₁）^[4]单位：mm

薄膜切割工序常见的工艺缺陷及排除措施有以下几种：

①切割的坯丝不整齐，其产生的原因是刀片不锋利，薄膜张力不匀或不足。解决措施是更换刀片；调整薄膜张力。

②切割时断头或薄膜破裂，其产生的原因是薄膜冷却温度过高或过低。解决措施是调节薄膜冷却温度。

（3）扁丝拉伸工序

扁丝的拉伸程度通常用拉伸倍数或拉伸率表示。其关系式为：

式中 R——拉伸倍数（比）

T——拉伸率

v_A——输入速度（较低速度），m/min

v_B——输出速度（较高速度），m/min

拉伸倍数表示两个拉伸辊速度的比值。比值等于1时，表示两个辊速度相同，不产生拉伸效应。比值＞1时表示正拉伸，比值＜1时表示负拉伸。

拉伸率表示最高辊速与最低辊速之差对最低辊速的百分比。百分比等于零时，表示两辊速度相同，无拉伸效应，百分比大于零时为正拉伸，百分比小于零时为负拉伸。

拉伸倍数与拉伸率可以相互换算，其关系式（2-7）为：

扁丝的拉伸是扁丝在受热接近熔融状态温度下进行的，属于干热拉伸过程，因而，影响拉伸过程的主要因素为：拉伸温度、拉伸倍数和拉伸速度。

通常，聚烯烃类扁丝的拉伸温度如表2-1-10所示。聚丙烯的拉伸与高密度聚乙烯的拉伸相比，更容易达到理想状态，这主要是聚丙烯的比体积有一较宽的范围，如图2-1-14所示。而高密度聚乙烯的拉伸温度范围较窄，拉伸温度高时易断头，拉伸温度过低时易产生竹节丝。

表2-1-10 聚烯烃类扁丝拉伸参考温度^[4]单位：℃

图2-1-14 高密度聚乙烯（HDPE）及聚丙烯（PP）的比体积—温度曲线^[4]

（a）HDPE（b）PP

拉伸温度也影响拉伸倍数。通常，在一定范围内，拉伸温度高则拉伸倍数也可提高，如图2-1-15所示。

图2-1-15 拉伸温度与拉伸倍数的关系^[4]

（熔体流动速率：PE-1＜PE-2＜PE-3）1—PE-1 2—PE-2 3—PE-3

通常，扁丝的拉伸倍数受拉伸温度、扁丝的线密度、扁丝的厚度以及树脂的熔体流动速率影响。拉伸倍数提高，拉伸强度相应增大。但存在临界点，超过此点拉伸强度则有所下降，甚至断丝，如图2-1-16所示。拉伸倍数低时，断裂伸长提高；拉伸倍数高时，断裂伸长率下降。当伸长率低于15%时，虽然拉伸强度较高，但织造时断头率增加，甚至影响织造的正常进行。提高扁丝的线密度时，拉伸倍数也相应增大。如不改变拉伸倍数，则扁丝的拉伸强度不能达到预定要求。增加扁丝厚度时，拉伸倍数和拉伸温度也都相应增高，如图2-1-17所示，其断裂伸长率也相应增大。

图2-1-16 聚丙烯的拉伸倍数与拉伸强度及断裂伸长率的关系^[4]

1—扁丝 2—高模量扁丝（PP/LDPE共混料）3—绳索用扁丝 □—断裂伸长率 〇—断裂强度

图2-1-17 扁丝厚度与拉伸倍数及拉伸强度的关系^[4]

扁丝厚度：1—0.05mm 2—0.06mm 3—0.07mm

扁丝拉伸工艺条件与扁丝性能的关系，如表2-1-11所示。

表2-1-11 扁丝拉伸工艺条件与扁丝性能的关系^[3，4，6]

常见的拉伸工艺缺陷及排除措施，综述如表2-1-12所示。

表2-1-12 常见拉伸工艺缺陷及排除措施^[3，4，6]

续表

（4）扁丝热定型工艺

一般热定型牵引辊速度比拉伸辊速度慢3%～10%。

所谓定型比（或回缩比）为回缩长度占扁丝原总长度的比率，其关系为式（2-8）：

式中 S——回缩比，%

v_t——拉伸辊速度，m/min

v_s——定型（回缩）辊速度，m/min

热定型中的牵引速度低于拉伸速度，对聚丙烯扁丝回缩比通常控制在4%～6%之间，对高密度聚乙烯扁丝控制在6%～10%之间。

回缩温度过高，则回缩张力增大，易产生断头；回缩温度过低，则扁丝张力松弛，易造成卷绕不良。一般而言，回缩温度可以稍高，但以不产生扁丝断头为限。

（5）扁丝卷绕工艺

扁丝卷绕是扁丝制造过程的最后一道工序，其工艺重点是卷绕张力的控制，它直接影响扁丝筒管的质量。张力过大，易使扁丝筒管成波浪形，易造成扁丝发脆、起毛、有压痕，影响扁丝强度，也使金属管收缩变形。同时，在织造过程中产生较大的回缩，使织物回缩率增大，不能保证织物应有的尺寸。若张力过小，易使收卷筒管成网丝或包边丝，此类扁丝筒管不能用作纬丝，只能作经丝用。一般适中扁丝张力为800～1500mN。

扁丝卷绕工艺缺陷及排除措施，综述如表2-1-13所示。

表2-1-13 扁丝卷绕工艺缺陷及排除措施^[4，6]