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高阻隔镀铝型双向拉伸聚丙烯薄膜的开发与工艺要求
时间:2013-05-08   来源: 包装前沿   阅读:3884次

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目前我国双向拉伸聚丙烯薄膜行业产能已高达331万吨,产量只有251万吨,开工明显不足。其品种也是以普通薄膜为主,同质化严重,行业竞争惨烈。而另一方面高端品种如高阻隔镀铝型双向拉伸聚丙烯薄膜技术开发能力则严重不足,几乎全部依赖进口。因此开发和生产高端BOPP产品不仅可以成为塑料包装企业的一个新的利润增长点,替代进口产品,还可以出口创汇,同时可以提高我国聚丙烯薄膜行业的技术水平,经济效益和社会效益显著。本文介绍了我们几年来进行高阻隔镀铝型双向拉伸聚丙烯薄膜的研发及生产的工作经验。

一、高阻隔镀铝型双向拉伸聚丙烯薄膜性能与标准
高阻隔镀铝型双向拉伸聚丙烯薄膜目前在国内外使用的厂家较多,但能够批量生产的较少,仅有埃克森美孚、澳大利亚Shorko等少数几家公司。以埃克森美孚公司为例,其生产的牌号有Metallyte MM348和Metallyte MM483,性能指标如表1所示。
表1 埃克森美孚公司镀铝型BOPP薄膜性能指标
性能 测试条件 单位 MM348 MM483
厚度   μm 18 18
摩擦系数 密封面/密封面 ASTM D1894-e   0.8  
尺寸稳定性 纵向 Mobil % -4 -4
横向 135℃,7 minutes -4 -4
弹性模量 纵向 ASTM D882 N/mm2 2000 2000
横向 3700 3700
断裂伸长率 纵向 ASTM D882 % 205 205
横向 55 55
密封强度 140℃-1.5bar/0.5sec
Crimp seal
g/25mm 450 450
拉伸强度 纵向 ASTM D882 N/mm2 140 140
横向 290 290
热封温度范围 OTTO BRUGGER 55 55
水蒸气透过率 ASTM F1249  38℃ 90%RH g/m2/24h 0.5 0.2
氧气透过率 ASTM D3985  23℃ 0%RH cm3/m2/24h 60 26
光密度 Mac Beth Type TD932   2.3 2.5
我国2004年国家发改委发布包装用镀铝薄膜行业标准BB/T 0030-2004,其中对BOPP镀铝膜性能指标做出了相应规定,其标准中部分指标明显低于国外同类产品性能,特别是关键的阻隔性能,差距较为明显;另外,国内标准对薄膜的热封性能、摩擦系数也没有明确要求。因此国内所产的很多所谓BOPP“镀铝膜”,阻隔性和镀铝牢度不高,基本用于要求不高的花卉包装、低档金银纸等用途,用于高阻隔包装应用则明显性能不足。

二、高阻隔镀铝型双向拉伸聚丙烯薄膜产品的一般要求
我们所研制的优质高阻隔镀铝型双向拉伸聚丙烯薄膜产品的一般要求包括:
(1)产品应当具有优异的阻隔性能、良好的铝层附着牢度。为此,生产该产品使用的所有原料均应使用镀铝级原料,镀铝表层原料应该具有较强极性或经过表面处理后极性较强,与铝层产生较强结合力;镀铝的工艺条件要保证铝层均匀致密。最终产品要求在38℃、90%相对湿度情况下,水蒸气透过率≤0.2g/m2/24h。
(2)产品应当具有低起封温度、高热封强度,要求热封强度达到3N/15mm,起封温度低于118℃。
(3)产品的尺寸稳定性要好,非镀铝面的摩擦系数应较小,以保证制成包装袋后的外观和开口性。
(4)通过镀铝和后加工工艺的优化,产品应在镀层厚度、均匀性、牢度、收卷质量等方面保持高质量和稳定性。
(5)开发出的产品应通过原材料的选择、配方及加工工艺的优化,能够满足客户对浅网印刷适应性和复合工艺的特殊要求,印刷、复合后阻隔性基本不衰减。

三、高阻隔镀铝型BOPP基材原材料的选择
高阻隔镀铝型双向拉伸聚丙烯薄膜的性能主要取决于其PP基材的选择,我们所研制的高阻隔镀铝型双向拉伸聚丙烯薄膜为三层结构,依次为镀铝表层、芯层、热封表层,各层的作用不同,必须分别选择适宜的原料。
1. 镀铝表层共聚聚丙烯原料的选择
高阻隔镀铝型BOPP薄膜的镀铝附着力的高低及阻隔性的好坏关键在于表层原料的选择。首先为使蒸镀上的铝层具有较高的附着力,必须使用镀铝级PP,这种PP应该含有尽可能少的低分子析出物,不含爽滑剂、抗静电剂和硬脂酸钙,以防止这些物质析出到薄膜表面,在铝层和基膜之间产生薄弱界面层,从而降低铝层的附着力。其次,该PP还必须具备较强的极性或经电晕处理后具有较高的润湿张力,从而与金属铝原子产生较强的结合力。根据电晕处理的经验,共聚PP比均聚PP在相同处理功率时可以达到更高的润湿张力,因此镀铝表层原料的选择范围限定在共聚聚丙烯中。第三,为保证镀铝后薄膜的高阻隔性,这种PP形成的表面要尽量平整,以利于真空蒸镀时形成平整致密的铝层。因此这种原料中如果含有抗粘连剂,分散一定要均匀;不能含有大粒径无机硅石类抗粘连剂,其尖锐的棱角会刺穿铝层,降低薄膜的阻隔性。另外,平整的表面也对高阻隔镀铝薄膜的后续印刷加工有利,对浅网版的印刷适性增强。第四,这种材料还要具有良好的双向拉伸制膜加工性。

2.热封表层共聚聚丙烯原料的选择
表层热封料选择是否合适直接决定了高阻隔镀铝型双向拉伸聚丙烯薄膜的热封性能。我们认为选择范围可确定为热封温度较低的共聚PP。原料中仍然不能含有大粒径无机硅石类抗粘连剂,因为其尖锐的棱角在真空镀铝后收卷时会刺穿铝层,降低薄膜的阻隔性;光学性能优良,基材薄膜的光泽度要大,雾度要较小,以保证镀铝后薄膜的光亮度;制膜加工性要好,使热封层在整个幅宽上分布均匀;摩擦系数适中,以适应下游客户的使用。我们以此要求为基础,选择多种原料进行对比试验,从中选择了热封强度较高、综合性能优良的共聚PP表层热封料。

3.芯层均聚聚丙烯原料的选择
双向拉伸聚丙烯薄膜是在高温、高热的环境中,于较高剪切应力下高速度、长时间拉伸加工成薄膜的,对聚丙烯要求较高,须采用双向拉伸级聚丙烯。因共聚聚丙烯价格较高,强度低,故主体材料需采用均聚聚丙烯。芯层均聚聚丙烯是决定我们所研制的三层镀铝膜物理机械性能的主要因素,其等规度、结晶度、添加剂、分子量及分子量分布等因素对薄膜的加工性、产品的阻隔性及镀铝附着力都具有一定影响。高阻隔镀铝型双向拉伸聚丙烯基材薄膜芯层所使用的均聚聚丙烯也必须为镀铝级原料,这种原料应该含有尽可能少的低分子析出物,不含爽滑剂、抗静电剂和硬脂酸钙,以防止这些物质析出到薄膜表面,降低铝层的附着力;机械强度高,拉伸变形小,尽量减少薄膜在真空镀铝和后期复卷中的张力变形,以免蒸镀铝层因薄膜拉伸而降低附着牢度;透明度高,光学性能好,以使镀完铝的薄膜具有光亮的外观;制膜加工性良好,横拉破膜次数少,成品率高。
另外,三层结构的原料中,应分别加入所需要的助剂,如增挺剂抗粘连剂等。

四、高阻隔镀铝型双向拉伸聚丙烯薄膜生产流程及要求
高阻隔镀铝型双向拉伸聚丙烯基材薄膜的生产流程如下:
原料处理及加料→熔融塑化→挤出→冷却铸片→纵向拉伸→横向拉伸→电晕处理→牵引收卷→时效处理→分切→镀铝基膜

(1)原料处理及加料:
BOPP薄膜生产对原料纯度的要求是非常严格的。原料处理系统对聚丙烯粒料、切边回收料进行除尘、干燥处理,这是非常必要的,因为任何杂质的混入都会造成冷却铸片时形成结晶缺陷,在横向拉伸时会沿此缺陷发生撕裂破膜。同时加料系统还按产品配方把各种原料按比例混合,输送到挤出机。

(2)熔融塑化
塑料在整个挤出过程中发生的变化是相当复杂和重要的,并直接影响产品的产量和质量。聚丙烯树脂在挤出机内虽然只停留几分钟,但却经历了高分子三态(玻璃态、高弹态、粘流态)的物态转换过程,还产生了压力、能量的传递与转换等过程。聚丙烯由于其熔点高(160~170℃),导热率低(0.24W/m·K),所以开始熔融较晚。在加料段中,聚丙烯颗粒平均要经过3倍螺杆直径的长度才开始熔化,完全熔融要5倍于螺杆直径的长度,因此要求挤出机的长径比要比较大,一般在25倍以上。为了提高生产线的产量和塑化效果,大型生产线主挤出机基本采用串联挤出机或双螺杆挤出机;有的生产线为了控制熔体的稳定流动,还配置了熔体泵。这一过程的主要目的是为模头提供塑化均匀、流动平稳的熔融流体。

(3)挤出
BOPP薄膜的生产通常采用T型模头,T型模头是厚片成型中关键装置。它最后精密地横向分配树脂熔体并最终调节熔体的温度、粘度、压力分配,然后从唇口流到辊筒上冷却成型。模头还可以与测厚装置联动,通过热控螺栓调节模唇开口,补偿薄膜横向厚度的不均匀。有的模头还具有在线调节多层共挤薄膜各层厚度的功能。

(4)冷却铸片
在整个BOPP薄膜生产过程中,90%的产品质量问题是由厚片的质量问题引起的。因此,制造优质的厚片是生产的关键,而冷却装置在此起着极其重要的作用。我们在研究中所使用的设备对厚片内表面采用辊筒冷却,外表面采用喷水及水浴冷却,然后再进入冷却水槽冷却,这样可以得到结晶均匀而微细的厚片。

(5)纵向拉伸
纵向拉伸装置主要由预热辊、拉伸辊、热定型辊、导向辊以及分别用于高、低速拉伸的直流马达、加热和冷却系统组成。要将厚片拉伸,首先要将厚片加热到规定的拉伸温度,但亦不能过急地调节温度,因为聚丙烯树脂的导热率低(0.24W/m·K),厚片需要一定时间才能使断面上温度分布均匀。另外若过高地调节温度,使厚片高度软化,由于拉伸需要与辊面摩擦,可能会产生变形或粘连,甚至软化熔融,则后果是不堪设想的。预热辊作用就是在不发生形变和粘连的情况下进行预热,渐热至拉伸温度。所需要的温度是根据树脂牌号、厚片温度、车速变化等来决定的。一对拉伸辊分别是由两个不同转速的马达带动,厚片一旦进入到拉伸辊的缝隙间,由于两辊转速有一定比率,因而厚片就在此点被拉伸数倍,成为薄片。在正常的生产温度下,取向程度随拉伸比的增大而增加,刚拉伸完的薄片内部分子间存在很大的应力,热定型辊的作用即是部分消除这些应力。

(6)横向拉伸
横向拉伸机亦称为拉幅机,有轨道和装有弹簧夹子的循环驱动链条。从纵拉机出来的薄片通过边缘自动跟踪装置以同样宽度进入预热段入口处的夹子中,通过链条的循环运动进入到拉幅机里进行预热,使其加热到拉伸温度,此时,薄膜按我们预先所设定的比率开始进行逐渐的横向拉伸,在拉幅过程中是八字型地进行,此过程中薄膜的物理性能发生了很大变化。拉伸结束后进行热处理和冷却,其目的是为了保证薄膜经拉伸后的性能相对稳定。

一般情况下,纵向拉伸比小于横向拉伸比。拉伸温度的确定也十分重要。PP是结晶性聚合物,其最大结晶速率的温度约为Tm的0.80~0.85倍,温度越高(如在Tm附近)或越低(如在Tg附近),越难结晶。如果在拉伸过程中要防止预热、拉伸时PP结晶度的急剧增加,选择拉伸温度时,最好不要在其最大结晶速率的温度区域,而选在结晶开始熔融、分子链能够运动的温度范围内进行拉伸。

(7)电晕处理
为了提高BOPP薄膜的印刷着色性及复合时的黏附性能等,必须对其表面进行处理,而对镀铝膜来讲,这一过程更是必不可少。电晕处理就是通过高频发生器产生电弧冲击薄膜表面,其作用有三方面:一是通过高频电弧冲击,使原来光滑的薄膜表面变得稍有粗糙,从而使着色剂或粘合剂不易脱落;二是由于形成了一个电场,使薄膜内的分子电子云移动形成极性,又因为油墨分子或粘合剂通常都是极性分子,因而,与薄膜分子容易产生耦合;三是由于电弧在击穿空气时产生臭氧,而臭氧是一种极强的氧化剂,使薄膜表面受轻微的氧化,产生极性。

(8)牵引收卷
收卷在收卷机上进行,本项目使用的BOPP薄膜生产线具备两种收卷方式:①间隙式收卷;②接触式收卷。可针对不同厚度产品采用不同的收卷方式,得到最佳质量的膜卷。

(9)时效处理
我们知道,高分子在热变形后,随着温度降低会发生弹性回复现象。BOPP薄膜在较高的温度下进行了纵拉、横拉两次热变形并很快收卷,如果直接进入分切工序,则由于聚丙烯分子未得到充分回复、定型,分切得到的成品膜在放置过程中会发生收缩变形而使其质量降低。因此收卷后的BOPP薄膜需进行时效处理,一般在25℃~35℃温度下放置48~72小时。在此期间,薄膜中的迁移性添加剂会析出到薄膜表面,改变其表面抗静电和摩擦系数等性能,电晕处理后的表面张力也会逐渐降低并趋于稳定。

(10)分切
分切是BOPP基膜生产线的最后一道工序,也是很关键的一道工序,其目的是最大限度地消除上道工序生产的原始膜卷本身的缺陷,并保证合格的原始膜卷不出次品,生产出满足不同用户要求的产品。如果原始膜卷厚薄不均,制出的成品用户使用效果不好,这与分切工艺控制有很大关系。应注意以下两个问题,一是接触压力(指成品膜卷与表面驱动辊的正向压力),它的作用是为防止膜卷振动混入过多空气而造成成品卷过松或窜边,应控制接触压力平稳变化;二是驱动方式,兼有中心、表面驱动为一体的分切机,适用于大卷径、宽幅塑料薄膜的分切。

五、结论
我们研制了低成本和高阻隔两种BOPP镀铝基材薄膜配方,通过对基材薄膜制膜工艺参数、分切工艺参数、真空镀铝工艺参数及镀铝后二次分切工艺参数的优化,研制的低成本配方产品主要性能指标:水蒸气透过量0.1054g/m2/24h,热封面/热封面摩擦系数0.64,热封强度3.47N/15mm,纵横向热收缩率分别为3.4%/1.1%;高阻隔配方产品主要性能指标:水蒸气透过量0.0697g/m2/24h,热封面/热封面摩擦系数0.67,热封强度3.63N/15mm,纵横向热收缩率分别为2.5%/0.2%;两种配方的镀铝层附着牢度均良好,达到了应有的性能要求。国外公司同类产品的水蒸气透过量为0.1060g/m2/24h。我们研制产品的低成本配方产品与其非常接近,高阻隔薄膜配方产品则优于其性能。
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