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影响薄膜滑爽性的因素
时间:2014-03-27   来源: 包装前沿   阅读:5199次

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  塑料薄膜添加剂是保障薄膜生产顺利进行和生产软包装产品质量保证的关键因素之一,也是用来调节塑料薄膜表面摩擦系数的常见方式。在塑料薄膜制作过程中,为了使塑料薄膜具有良好的爽滑性,通常采用在树脂中添加某种添加剂的方法,如添加防粘剂,以增加薄膜的粗糙度,减小薄膜的粘连阻力,从而提高爽滑性,同时也有利于薄膜在印刷、复合过程中与油墨和胶粘剂的附着更牢固。而薄膜表面粗糙度的大小、滑爽性的好坏与添加剂(如防粘剂)的种类、添加量、粒径与形状、分散性、表面处理等因素有关。

  一、薄膜滑爽性的影响因素

  对于同一种原料,影响薄膜滑爽性的因素,我们归结为以下几个方面:

  1、滑爽剂的影响

  在薄膜生产和使用过程中,经常会出现这样的现象:由于薄膜具有很高的摩擦系数,薄膜与薄膜或薄膜与金属表面产生相互黏附的情况,影响正常生产的进行。这种现象属于薄膜滑爽性不好导致的故障。为了让生产顺利进行,势必要减少薄膜的摩擦系数,提高薄膜滑爽性。而滑爽剂可以有效地提高薄膜的滑爽性,所以在塑料薄膜制作中得到广泛的应用。

  滑爽剂的种类有很多, 根据作用机理的不同可以分为迁移型和无迁移型。迁移型的滑爽剂,如传统的脂肪酸酰胺类滑爽剂,常用的有芥酸酰胺、油酸酰胺、硬脂酰胺,是基于脂肪酸和氨基化合物(伯酰胺、某软包酰胺、双酰胺) 合成的。它们一般与聚合物相容性不好,只能较好溶于无定型聚合物熔体中,但当聚合物冷却并开始结晶时,它们会向塑料薄膜的表层逐渐迁移并覆盖在薄膜表面形成润滑层,从而降低塑料薄膜表面的摩擦系数,改善滑爽性。芥酸酰胺和油酸酰胺具有良好的外润滑性,芥酸酰胺比油酸酰胺耐高温性好,分解温度高达220℃,比较适合聚丙烯母料的生产和BOPP薄膜的生产。而油酸酰胺的分解温度在180℃左右。油酸酰胺和芥酸酰胺既可以用于PE薄膜,也可以用于PP薄膜。与油酸酰胺和芥酸酰胺不同,硬脂酸酰胺是另一类滑爽剂,它除了有滑爽效果外,还可以提供防粘效果,一般主要和芥酸酰胺或油酸酰胺结合使用。不同种类的滑爽剂的配合使用可以调节析出速度,达到不同的滑爽效果。滑爽剂的迁移速度一般与滑爽剂和聚合物的相容性好坏、分子量大小和分子结构有关,如具有相对较小分子量的伯酰胺类滑爽剂,具有较低的蒸汽压,容易挥发,可以迅速迁移至塑料薄膜表面,只能在短期内保持较低的摩擦系数;某软包酰胺类及双酰胺类滑爽剂与伯酰胺类滑爽剂相比,分子量较大,蒸汽压小,有较低的挥发性和较好的热稳定性,迁移速度相对较慢,可以在较长期内保持较低的摩擦系数。分子结构对迁移速度的影响,主要是由于分子结构不同导致与聚合物相互作用不同,从而形成不同的迁移速度。
        
        

  芥酸酰胺结构 油酸酰胺结构

  硬脂酰胺结构

  除了迁移型外,还有无迁移型滑爽剂,如硅氧烷。这类滑爽剂一般具有非常高的分子量,迁移阻力大,无法在聚合物中发生扩散和迁移。这类滑爽剂会在聚合物挤出过程中到达塑料薄膜表面,从而降低塑料薄膜的摩擦系数,与迁移型滑爽剂相比,无迁移型不会发生迁移析出,更为稳定、可控,因此不会因为析出而带来其他不良问题。

  

  薄膜滑爽性的好坏可以用摩擦系数大小来进行评价。摩擦系数分为静摩擦系数和动摩擦系数,摩擦系数是指在水平上移动物体所需要的力与压力的比值,静态摩擦系数与使物体从静止到移动所需要的力有关,动摩擦系数是指维持物体运动所需要的力。对于评价滑爽性,这两个参数都具有重要的参考价值。测试方法可以根据国标《GB 10006-1988 塑料薄膜和薄片摩擦系数测定方法》进行,也可以采用美标《ASTM D1894 塑料薄膜和塑料板动态和静态摩擦系数的测试》进行。静、动摩擦系数一般都具有相同的变化趋势,滑爽性有所改善时,静、动摩擦系数都会有所下降。另外,为了更加符合生产和下游客户的使用情况,可以模拟在不同温度下老化及不同时间条件下的摩擦系数的变化。对于迁移型滑爽剂,由于润滑层的形成和变化可能会引起薄膜表面润湿张力的变化,所以薄膜润湿张力(即电晕值)的变化可以作为薄膜滑爽性变化的一个参考数据。

  2、防粘剂的影响

  除了滑爽剂外,防粘剂的加入与否也会对薄膜的滑爽性产生重要的影响。滑爽剂是通过润滑层来降低摩擦系数,从而提高滑爽性的。然而有时候即使有滑爽剂的加入,也不能表现出良好的滑爽性,其中一个重要的原因是粘连力阻止了薄膜的相对滑动。这个时候,加入能够降低粘连力的防粘剂就变得很重要。

  PE、PP、PA等塑料薄膜都有粘连在一起的倾向,使膜层间分离困难,产生粘连,同时也会阻碍膜间的相对滑动,这种现象就称薄膜的粘连性,粘连性的好坏可以用粘连力大小来表征。粘连产生的机理还不完全清楚,但广为接受的观点是低分子量碎片或蜡质添加剂在薄膜表面形成黏附层造成的粘连。为了减小薄膜间的粘连,添加适当的防粘剂很有必要。

  防粘剂属于添加剂中的一种,可以分为无机和有机防粘剂。无机防粘剂常用的防粘剂有SiO2、TiO2、CaCO3、Al2O3、MgO、BaSO4、高岭土、滑石、沸石等,主要是粒径很小的固体粉末,加进薄膜表层可以形成凹凸状,使薄膜层与层接触时面积减少,相对滑动时阻力减少,同时也可以有效降低摩擦系数。有机防粘剂有交联的聚甲基丙烯酸甲酯、硅氧烷基硅微晶树脂、脂肪酸酰胺等,一般来说添加有机防粘剂的薄膜表面摩擦系数比无机物的低。在加工薄膜时,防粘剂(无机类)是必须添加的助剂。防粘剂的粒径一般在0.5~5um之间,并部分“埋在”薄膜的表层内。随着薄膜中添加剂含量的增加,薄膜的摩擦系数下降,表面粗糙度增大。表面粗糙度是指薄膜表面所具有的在较小间距上的微小峰谷不平度的微观几何尺寸特征的综合评价。恰当的表面粗糙度和摩擦系数,有利于印刷、复合、镀铝膜的附着。

  3、添加剂用量的影响

  添加剂含量不能太高,否则将严重影响印刷和复合的产品质量。一般添加剂在含量300ppm时(万分之三) 属于低爽滑度范围, 可以安全使用;若含量在500ppm时属于中爽滑度, 使用起来对复合的剥离强度有一定的危害, 应该慎重使用;若添加剂含量超过800ppm时,属于高爽滑度产品,坚决不能使用,否则印刷、复合等环节都会出现严重的质量问题。

  另外,干燥的油墨表面及固化后的聚氨酯胶层表面的润湿张力均在50达因以上,在粘接原理中, 表面润湿张力如果大的话, 表面容易湿, 也可以说是比较容易粘接材料。因此,想要达到较理想的复合牢度时,CPP、CPE膜表面润湿张力应达40达因;PET膜表面润湿张力应达50达因; 而BOPA膜表面润湿张力应达52达因以上才能使复合牢度达到较理想的水平。

  随着迁移到表面的滑爽剂量的增加,薄膜表面的摩擦系数会下降,一般用于自动包装机的薄膜,其摩擦系数在0.20~0.30之间,(指BOPA薄膜,快速打码时要求膜表面摩擦系数还要低些。)太大则会引起拉力和张力偏大,容易引起撕裂断膜。一般PE和PP膜的滑爽剂是属于低分子结构物质, 它与高分子的聚乙烯、聚丙烯只是一种机械混合,不能很好地相容,遇到温度变化时或随时间推移,分子热运动使其逐渐向低自由能的界面迁移,形成一层弱界面层,使胶膜与该基膜隔开,破坏原有的粘接状态使热封位置容易开口分层。一般越厚的薄膜加入的添加剂越多,出现脱层的现象越严重。如果滑爽剂含量过高的话就会影响薄膜的印刷和复合性, 这对印刷、复合极为不利。特别是60um厚度以上的PE膜,生产中加入的添加剂量多, 出现脱层的机会也增大。这是因为在同等的表面积下,随着薄膜厚度的增加,其内部所含添加剂的量也相应增长。添加剂含量超过一定量后,就会影响到复膜的牢度。所以生产水煮、蒸煮产品时,要特别注意热封层材料所含添加剂的量,一般选择少加或不加添加剂的薄膜。

  此外添加剂量太多会使膜表面的粗糙度增加,有时也会形成颗粒状麻点,从而影响表面光泽度和印刷效果。特别是用二氧化硅为抗粘结剂更会产生此现象,同时还会使膜的雾度加大, 因此要提高膜的透明度就必须尽量减少二氧化硅的含量。

  内层材料的防粘剂和滑爽剂的添加量以及薄膜的挺度、平滑度、光洁度等因素都会影响复合膜摩擦系数。一般情况下,复合膜摩擦系数不稳定与所添加滑爽剂、防粘剂的类型、添加量、迁移量、迁移方向、贮存使用的温湿度有关。适当的表面粗糙度有利于油墨印刷、复合牢度和真空镀铝生产。但是,粗糙度过大可能会造成油墨、胶粘剂或铝分子不能填满薄膜表面凹穴,形成空隙而影响两者之间的附着力,严重时会导致油墨或镀铝层与薄膜脱离分层、出现复合膜白点。一般膜表面粗糙度控制为Ra=0.08~0.16um。已加入薄膜中的滑爽剂在较高的温度条件下会从薄膜的表面向薄膜的内部迁移(内迁),而在较低的温度环境下会再次向薄膜的表面迁移(外迁)。也就是说:烯烃类材料在较高的温度条件下对油酸酰胺、芥酸酰胺类外润滑剂有相对较好的相容性,在较低的温度条件下对油酸酰胺、芥酸酰胺类外润滑剂的相容性相对较差。油酸酰胺和芥酸酰胺既可以用于PE薄膜,也可以用于PP薄膜。有资料显示,在BOPET和BOPA薄膜的加工过程中,并不需要使用酰胺类的滑爽剂。刚复合好的薄膜短时间内迁移出来的添加剂量并不多,还不至于引起黏结牢度下降,但时间长了,迁移出的添加剂就把胶膜与该基膜隔离开来,破坏了原有的黏结状态,使复合牢度降低。解决这种故障应把好进料关,选择不用添加剂或少用添加剂的原料,在加工制膜时,更不应人为地加入防粘剂。

  4、电晕处理度的影响

  在薄膜的生产过程中,为了使薄膜有良好的油墨润湿性或提升复合性能,必须进行薄膜表面电晕处理,以提高薄膜的润湿表面张力。然而,根据我们的经验,电晕处理会对摩擦系数和粘连力产生影响。一般来说,电晕处理后,电晕值越大,摩擦系数和粘连力也会越大,薄膜的滑爽性会有所下降。电晕处理对薄膜的作用主要有以下几个方面:1)电子在高压电场的作用下冲击薄膜,使薄膜表面的化合健断裂,形成自由基;2)空气在高压和电子作用下产生的臭氧或氧化氮类物质与薄膜表面的自由基发生反应,产生极性基团,如:羟基、酮基、醚基、羧酸基等。与此同时,由于表面化学键的断裂,可能会在表面形成小的洞穴,从而影响表面粗糙度,与表面状况有密切关系的摩擦系数和粘连力都会受到影响,这可能就是电晕处理对薄膜滑爽性造成影响的原因。

  5、使用条件(温度)对薄膜滑爽性的影响

  薄膜在实际使用中温度条件可能不一样:例如在热带气候条件下,或者是包装机热封杆的高温条件等。通常从30℃开始,薄膜的摩擦系数便急剧上升,这是因为常用的润滑剂已接近其熔点而变得粘结,测试时施加的力波动很大,呈现一种间歇性滑动或粘结效果。为了减轻这种间歇性滑动-粘结现象,需要使用另一种完全不同的耐高温润滑剂——硅酮,它由于是高分子量聚合物而具备独特的特性,即使在较高温度下摩擦系数仍然保持较低。

  有机爽滑剂的特性是:温度降低时它会向薄膜的表面迁移,使得薄膜表面的摩擦系数下降(这也是使用它的目的);温度升高时它会向薄膜内部迁移,造成薄膜表面的摩擦系数上升(这是业者不愿看到的事实)。

  如:某一复合膜,剥离力较低,剥开时PE薄膜有明显的添加剂析出。之后将该复合膜在熟化室放置一段时间后,在热状态下测其剥离牢度有明显上升,而将该膜充分冷却后测其剥离牢度又恢复到原来牢度较低状态。这是因为PP膜与PE膜属同系物,在生产中使用的添加剂基本相同,因此添加剂的迁移量随温度变化的特点一般是相同的。薄膜中滑爽剂的分布平衡点受环境温度的影响比较大:环境温度降低时,滑爽剂向薄膜表面迁移的数量增多;环境温度升高时,滑爽剂向薄膜内部迁移的数量增多。

  冬季低温条件下,薄膜内的添加剂更多地聚集在薄膜的表面层,在完成了印刷复合加工后测剥离牢度,会发现复合膜在两层薄膜间发生剥离。所以,薄膜生产时在确定添加剂类型时,对于添加剂量的使用应充分考虑不同季节、不同地域的特点、根据实际情况,把添加剂的量进行增减。

  夏天生产的薄膜,加入添加剂的量较多,应该尽量避免冬天使用。同样冬天生产的薄膜,储存到夏天使用也容易产生质量问题。

  6、熟化温度和时间对滑爽性的影响

  如果复合薄膜中的两层基材薄膜中的表层薄膜没有滑爽剂、热封层中有滑爽剂,那么,熟化后复合薄膜热封层热封面的摩擦系数可能会有明显的变化(例如大于0.2的变化幅度)。

  在较高的熟化温度(例如50℃以上)和较长的熟化时间(例如48h以上)作用下(蒸煮、水煮胶除外),热封层的表面摩擦系数会有明显上升,达到0.3或0.4的水平。而使用较低的熟化温度(例如40℃)及较短的熟化时间(例如24h),则摩擦系数变化不大(可维持在0.1~0.2间)。

  使用某些具有“抗助剂”性能的粘合剂进行复合加工后,在获得较高剥离强度的同时,热封层的摩擦系数也会明显地上升。减少涂胶干量及使用较低的熟化温度和较短的熟化时间虽能减少摩擦系数的变化幅度,也会牺牲部分剥离强度。

  7、薄膜表面结构和表面用料对滑爽性的影响

  薄膜表面结构也会影响滑爽性,表面太平滑会导致薄膜表面之间太贴服,相互接触的有效表面增大,滑动就会特别困难。而如果薄膜表面有一定粗糙度,表面贴近后相互之间有一定空隙,相互滑动就会较容易,所以有一定粗糙感薄膜表面摩擦系数较低。

  成品袋表面摩擦力低,会造成制袋收集困难,装物后没办法堆垛;摩擦力太大,则袋面相互粘连,装料和打码困难。所以要把摩擦力维持在一个合理的范围内。表层使用不同原料生产可以获得不同摩擦系数性能的薄膜。如表层使用聚丙烯均聚物,由于均聚物结晶度高,生产的薄膜刚性高而且薄膜表面硬度好,能获得较低的薄膜摩擦系数。

  二、滑爽性对薄膜生产、印刷、复合、制袋的影响

  1、对薄膜收卷张力和质量的影响

  复合收卷后的复合薄膜层间的压力及距离还与构成复合薄膜的各基材自身的厚薄均匀度及印刷图案的设计、墨层的厚度有着密切的关系。墨层越厚,则收卷后该部位的硬度就越大,则意味着该处的复合薄膜层间的压力越大、层间的距离越小,从膜中“外迁”出来的滑爽剂“迁移”到另一薄膜中去的机率就会更大、数量就会越多。其结果就是上述墨层厚的区域所对应的热封层表面的摩擦系数明显大于墨层薄或无油墨的区域所对应的热封层表面的摩擦系数。

  此外,若复合膜摩擦系数太小,收卷时复合膜内表层和外表层的摩擦力很小,当卷径越来越大时,摩擦力就不能支撑膜收卷端面整齐,形成窜卷现象,不能进入下道工序进行生产,需翻卷返工。有时还会产生散卷而使收卷失败,材料浪费。若收卷时,摩擦系数太大,则又会带来其他质量问题,如严重皱折、断膜等。

  2、对自动包装、复合制袋过程的影响

  摩擦系数对于复合膜的使用是很重要的一个指标,不同用途的包装材料对摩擦系数有不同的要求。在自动包装机、制袋机使用中,随着设备的不断更新,生产速度不断提高,对复合膜摩擦系数的要求越来越高、越来越严格。一般要求自动包装膜卷的膜表面摩擦系数0.20~0.30之间,(指BOPA薄膜),在快速打码(制袋)中(250个/min以上)则要求更小一些。一些特殊工艺要求或有针对性产品,对于特别低的摩擦系数则应慎重对待, 可将膜与金属的摩擦系数控制在一定范围内,其中还应考虑薄膜在使用中的吸潮问题,如尼龙膜、玻璃纸在吸潮后的摩擦系数肯定更高。摩擦系数太小,走料不稳、牵动打滑、电子眼跟踪错位,制袋裁切出血或成品规格长短不一,废品增多。摩擦系数太大,膜与机摩擦力加大,材料拖动困难,会引起走料拉不动,使材料拉伸变形或拉破,同样不能生产。

  三、结语

  综上所述,滑爽性主要受到添加剂种类和含量等的影响,同时也受电晕处理的影响。另外,薄膜使用环境、下游使用工艺条件也会对滑爽性造成影响。薄膜的滑爽性对薄膜生产、下游客户的使用都很重要。这就要求薄膜生产过程中,要对滑爽性进行控制,以便能够提供适当的滑爽性,添加适当的添加剂同时又不会由于添加剂的析出对下游客户的使用造成其他故障,从以上影响因素进行综合考虑,确定添加剂的含量和种类就很有必要。

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