二軸延伸フィルム：優れた性能を持つ新たな人気素材(1)
広大な材料科学分野において、二軸延伸フィルムはその独特な特性と幅広い用途により、多くの産業で注目を集めています。特殊なプロセスで製造されるこのタイプのフィルムは、機械特性、バリア特性、光学特性などにおいて顕著な利点を示し、現代産業の発展を力強く支えています。
二軸延伸：原理と利点
二軸延伸技術は、プラスチックフィルムの成形方法の中でも特に優れた技術であり、その基本原理は以下のとおりです。高分子原料を押出機で加熱溶融し、厚いシート状に押し出します。次に、ガラス転移温度以上、融点以下の適切な温度範囲（高弾性状態）において、縦延伸機と横延伸機を用いて、縦方向と横方向に順次外力を加え、一定倍数で延伸します。この工程により、フィルム面と平行方向の分子鎖または結晶面の配向と整列が促進されます。その後、直ちに張力をかけたまま熱固定処理を行い、配向した高分子構造を固定します。最後に、冷却などの後続加工を経て、二軸配向フィルムが製造されます。
二軸延伸フィルムは、未延伸フィルムと比較して、機械特性が大幅に向上し、引張強度は未延伸フィルムの3～5倍に達します。同時に、バリア性も向上し、ガスや水蒸気の透過性を低減します。光学特性も最適化され、透明性と表面光沢が大幅に向上します。耐熱性・耐寒性も向上し、寸法安定性も良好です。厚みの均一性も向上し、厚み偏差も小さくなります。また、高度な自動化・高速生産にも対応可能です。
生産プロセス：複雑かつ精密な流れ
二軸延伸フィルムの生産ラインは精密な工業用ドラゴンのようなもので、主に乾燥塔、押出機、鋳造機、縦延伸機、横延伸機、牽引巻き取り機など、連続生産ラインを形成するさまざまな設備で構成されています。
ポリエステルフィルムの製造を例に挙げると、最初の工程は原料の調合と混合です。一定量のシリコン含有マスターバッチチップとブライトチップを併用し、計量ミキサーで混合した後、次の工程に投入します。シリコン含有マスターバッチチップ中のシリカ粒子はフィルム中に分散しており、フィルム表面の微細な粗さを増加させ、巻き取り時にフィルム間に微量の空気を保持することで、フィルムの接着を効果的に防止します。
PET、PA、PCなどの吸湿性ポリマーの場合、二軸延伸前に予備結晶化および乾燥処理が必須です。PETは通常、エアコンプレッサー、モレキュラーシーブ除湿器、ヒーターなどの乾燥空気調製装置を備えた結晶化床を備えた充填塔で処理されます。予備結晶化および乾燥は150～170℃で約3.5～4時間行われ、乾燥後のPETチップの水分含有量が30～50ppmに制御されます。この工程により、ポリマーの軟化点が上昇し、乾燥および溶融押出中に樹脂粒子が固着したり凝集したりするのを防ぐとともに、溶融押出中に水分を除去することでエステル系ポリマーの加水分解や気泡形成を防止します。
結晶化・乾燥処理を経たPETチップは単軸押出機に入り、スクリューの独特な構造の作用により加熱・溶融・可塑化されます。可塑化品質と押出溶融圧力の安定性を確保するため、押出機には真空ポンプシステムに接続された2つの排気ポートが装備されており、材料から水分とオリゴマーを効果的に除去できるため、複雑な予備結晶化・乾燥システムが不要になり、投資コストと運用コストを削減できます。高精度ギアポンプによって溶融物の計量が行われ、ダイに安定した圧力が供給され、溶融物がフィルターを通過する際の抵抗を克服し、均一なフィルム厚さを確保します。溶融パイプは押出機、計量ポンプ、フィルター、ダイを接続し、溶融物がスムーズに流れるようにします。ダイに接続された溶融パイプの先端には、複数組のスタティックミキサーが設置されています。溶融金属が流通する際に、自動的に分割-混合-分割-混合の混合効果を生み出し、溶融金属の温度均一化を実現します。
ダイから排出された粘弾性PET溶融物は、均一に回転する冷却ロール上でガラス転移温度以下に急速に冷却され、均一な厚さのガラス質キャストシートを形成します。その原理は、高電圧発生器を用いて数千ボルトの直流電圧を発生させ、電極線と冷却ロールをそれぞれ負極と正極（冷却ロールは接地）として作用させることです。高電圧静電場において、キャストシートは静電誘導により冷却ロールの極性とは反対の静電荷を獲得します。この逆電荷間の引力により、シートは冷却ロール表面にしっかりと密着し、空気を効果的に排出し、効率的な熱伝達を可能にします。
鋳造機で製造された厚板は、高弾性状態で縦延伸装置に送られます。縦延伸装置は、予熱ローラー、延伸ローラー、冷却ローラー、テンションローラー、ゴム製加圧ローラー、赤外線加熱管、加熱装置、駆動装置で構成されています。縦延伸には様々なモードがあり、一般的には1点延伸に加え、2点延伸や3点延伸などの多点延伸があります。
縦延伸後のフィルムは横延伸機に入り、予熱、テンターフレーム、熱固定、冷却の順に行われ、横延伸が完了します。
最後に、二軸延伸フィルムはトラクションワインディングおよびスリット工程に入ります。この工程は、複数のトラクションガイドローラー、冷却ローラー、平坦化ローラー、テンションローラー、トラッキングローラー、エッジトリミング装置、厚さ計、コロナ処理機で構成されています。エッジトリミング、厚さ測定、コロナ処理を経て、フィルムは巻き取られ、スリットされ、検査に合格すると完成品となります。
