塑料包裝薄膜粘連性研究及其應(yīng)用現(xiàn)狀

來(lái)源：塑膠五金網(wǎng)發(fā)布時(shí)間：2015-01-30 14:49:00點(diǎn)擊率：

塑料包裝薄膜廣泛地應(yīng)用于食品包裝、醫(yī)藥包裝、文化用品包裝及農(nóng)產(chǎn)品采后包裝等方面，并以聚烯烴薄膜的應(yīng)用為廣泛。但塑料薄膜有一種粘連現(xiàn)象。所謂“粘連”(Blocking)，是指塑料薄膜接觸層之間的一種粘著現(xiàn)象[1]，使相互接觸的薄膜不易分離。塑料包裝膜的粘連現(xiàn)象在薄膜生產(chǎn)過(guò)程中或之后的各個(gè)工序(如收卷、分切和包裝)中常常見(jiàn)到[2～4]。在實(shí)際應(yīng)用中，粘連現(xiàn)象帶來(lái)的大不便是包裝袋開(kāi)口困難，造成人力和時(shí)間的浪費(fèi)。但實(shí)際生產(chǎn)中也可以利用粘連現(xiàn)象，如現(xiàn)在廣泛使用的自粘膜，就是利用其粘連性對(duì)食品等進(jìn)行簡(jiǎn)易包裝，使用起來(lái)十分方便。

1·薄膜粘連性的起因

塑料薄膜在溫度和壓力的作用下可能產(chǎn)生粘連，在加工、使用或貯藏過(guò)程中也可能產(chǎn)生粘連。中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《塑料薄膜粘連性試驗(yàn)方法》中對(duì)塑料薄膜的粘連有如下解釋:幾乎所有的粘連都是由下述兩種情況引起，(1)極端光滑的薄膜表面，緊密接觸而且?guī)缀跬耆艚^空氣;(2)壓力或溫度(或二者皆有)引起薄膜接觸表面粘融[1]。對(duì)塑料薄膜的粘連現(xiàn)象還有其它的解釋?zhuān)阂皇怯捎诒∧ら]合后膜間形成真空密合狀態(tài)，不易分開(kāi);二是薄膜成型后其表面有大量的外露分子鏈，在兩片薄膜閉合后產(chǎn)生大分子鏈之間的相互纏繞，使其無(wú)法打開(kāi)[5];三是靜電作用[6]，聚合物樹(shù)脂在受熱擠出、吹塑、卷取過(guò)程中薄膜間摩擦產(chǎn)生的靜電使薄膜粘在一起，在生產(chǎn)膜中添加的非極性開(kāi)口劑從薄膜中析出，并在析出的積累電荷，使薄膜粘合得更緊[7];四是樹(shù)脂中所含的低分子物質(zhì)擴(kuò)散、滲出到薄膜表面，受熱受壓后造成粘連[8]。

2·薄膜粘連性的消除方法

塑料薄膜由于存在粘連性而明顯地影響其使用性能，人們?cè)?9世紀(jì)初就開(kāi)始探討如何消除薄膜的粘連。目前，國(guó)內(nèi)外解決塑料薄膜粘連性的方法主要有如下幾種。

2.1使用開(kāi)口劑

開(kāi)口劑可以在薄膜的微觀(guān)表面形成凸凹面，從而減小薄膜之間的接觸面積，防止薄膜的粘連[7,9,10]。也有人認(rèn)為，由于開(kāi)口劑的粒徑大于薄膜的表層厚度，凸露于表面的開(kāi)口劑使薄膜之間形成了空氣隔離層，從而起到防粘連作用[3,11]。開(kāi)口劑分為無(wú)機(jī)開(kāi)口劑和有機(jī)開(kāi)口劑兩大類(lèi)。無(wú)機(jī)開(kāi)口劑主要有硅藻土、合成SiO2和滑石粉等無(wú)機(jī)材料，高嶺土、硫酸鈣、碳酸鈣、火山石[12]和硫酸鎂[13]等的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中也有所報(bào)道。近幾年，國(guó)內(nèi)一些聚烯烴生產(chǎn)企業(yè)用磷酸氫鈣做開(kāi)口劑制備母料并用于生產(chǎn)，也獲得了很好的效果[14,15]。筆者介紹幾種較常用的無(wú)機(jī)開(kāi)口劑。

硅藻土是早使用的塑料薄膜開(kāi)口劑，是海洋或湖泊中生長(zhǎng)的硅藻類(lèi)殘骸在水底沉積，經(jīng)自然環(huán)境作用而逐漸形成的一種非金屬礦物[16]，主要由無(wú)定形的SiO2組成，還含有少量的Al2O3、Fe2O3等物質(zhì)[17]，硅藻土加入塑料薄膜中，能使薄膜的表面形成凹凸不平的面，從而減少膜層間的接觸面和粘結(jié)力，使兩層膜容易分開(kāi)[18]。這種開(kāi)口劑很少與其它薄膜添加劑反應(yīng)，具有高磨損、透明度低、容易吸潮的特點(diǎn)。硅藻土通常是以母料的形式添加，大濃度為25%。

合成SiO2是一種非常有效的防粘連劑。其開(kāi)口機(jī)理是在薄膜表面制造凸起，減少層與層之間的實(shí)際接觸面積，從而減少粘結(jié)力，使相對(duì)滑動(dòng)比較容易。其優(yōu)點(diǎn)是折光指數(shù)與聚乙烯和聚丙烯非常接近，對(duì)光學(xué)性能影響小;無(wú)定形結(jié)構(gòu)，不會(huì)導(dǎo)致硅肺;化學(xué)純度極高，適用于食品工業(yè)的塑料包裝[19]。但也有不易分散、摩擦系數(shù)較高、磨損高、保質(zhì)期短、易吸潮且價(jià)格較高等缺點(diǎn)[4]。同樣，合成SiO2也是以母料形式添加，使用大濃度為5%～10%。

新型的SiO2開(kāi)口劑選用納米級(jí)的SiO2粉體，并以聚烯烴樹(shù)脂作為載體制備成母料。這種粒子是多孔、有間隙、比表面積很大的松軟顆粒，在薄膜中由于拉伸加工呈不規(guī)則外形。這種SiO2粒子不僅能使塑料薄膜表面產(chǎn)生凸起，而且還具有封閉大分子鏈端的功能。聚合物在加工過(guò)程中大分子鏈的末端被SiO2顆粒的孔隙吸入，同時(shí)該顆粒可成為成核中心，加快聚合物的結(jié)晶速度，顯著地減少了外露分子鏈，使兩膜接觸時(shí)沒(méi)有大分子鏈的纏繞，也從另一方面解決了開(kāi)口問(wèn)題[20]。

滑石粉是由天然滑石經(jīng)加工粉碎而制成，礦物滑石是一種水合硅酸鎂，理論上的化學(xué)式為3MgO·4SiO2·H2O[21]。滑石粉可改變塑料的多種性能，如成型收縮率、表面硬度、彎曲模量、拉伸強(qiáng)度等[22]?；鄣募尤肟梢栽黾訕?shù)脂粘度，降低蠕變性能。同時(shí)，微細(xì)的滑石粉還可作為樹(shù)脂的成核劑[23,24]，防止大球晶的形成，從而降低塑料的結(jié)晶度。另外，滑石粉還能有效地改善制品表面硬度和抗劃痕性，提高彎曲模量。雖然滑石粉作為抗粘連劑有較高的性?xún)r(jià)比，但也存在易吸收其它加工助劑(如抗氧劑，潤(rùn)滑劑等)的不利因素。美國(guó)礦物技術(shù)公司(Minerals Technologies Inc).發(fā)明了一種能較少吸收其它加工助劑的抗粘連滑石粉，不僅具有較好的抗粘連性能，而且對(duì)其它加工助劑的吸收低于硅藻土和合成SiO2等開(kāi)口劑[25]。

磷酸氫鈣是較新的開(kāi)口劑品種。研究發(fā)現(xiàn)，磷酸氫鈣的加入能有效地降低薄膜的粘連力，其原理是原料樹(shù)脂吹膜后，加入的磷酸氫鈣部分從膜的內(nèi)部遷移到表面，使薄膜表面產(chǎn)生凹凸面，降低粘連性，同時(shí)與其它析出的添加劑一起在薄膜的表面形成均勻爽滑膜，降低了摩擦系數(shù)，由此從兩個(gè)方面改善了薄膜的開(kāi)口性[14]。鄒中鋒(2004)報(bào)道了磷酸氫鈣作為開(kāi)口劑在低密度聚乙烯生產(chǎn)中的應(yīng)用情況。以磷酸氫鈣為開(kāi)口劑的低密度聚乙烯薄膜有良好的開(kāi)口效果。

國(guó)外也報(bào)道過(guò)以硫酸鈣作為開(kāi)口劑應(yīng)用于高壓聚乙烯生產(chǎn)中的例子。粒徑在2～4μm的硫酸鈣粉末與聚乙烯樹(shù)脂有很好的相容性。為重要的是，在擠出成型的過(guò)程中，樹(shù)脂中加入的硫酸鈣微粒會(huì)聚集在薄膜的表面附近，起到很好的潤(rùn)滑作用。由于硫酸鈣的硬度低于SiO2,能減輕對(duì)薄膜表面的劃痕。同時(shí)，加入硫酸鈣以后，薄膜的體積電阻率降低，電絕緣常數(shù)為1，有很好的抗靜電功能[26]。

有機(jī)開(kāi)口劑有酰胺類(lèi)、硬脂酸鹽、有機(jī)硅氧聚合物及聚四氟乙烯。其特點(diǎn)是光學(xué)性好，對(duì)薄膜的透明性幾乎沒(méi)有影響;兼具增滑的功能，使薄膜有較低的摩擦系數(shù);對(duì)膜面不會(huì)產(chǎn)生劃傷，薄膜光澤度較高。但是有機(jī)開(kāi)口劑成本價(jià)格較高，一般只應(yīng)用在較高價(jià)位的產(chǎn)品上[19]。酰胺類(lèi)抗粘連劑需要緩慢地遷移到薄膜表面后才能發(fā)揮其抗粘連和爽滑的作用。在有些柔軟的聚合物材料如EVA中，無(wú)機(jī)開(kāi)口劑粒子不是很有效，但酰胺類(lèi)的開(kāi)口劑則有很好的效果。

2.2使用爽滑劑

爽滑劑的開(kāi)口機(jī)理是在母料熔融加工時(shí)加入，當(dāng)聚合物開(kāi)始冷卻結(jié)晶時(shí)，遷移出母體到達(dá)薄膜表面，形成一層潤(rùn)滑層，有效地隔離附近的薄膜層，并降低摩擦系數(shù)(COF)，使薄膜易于層間滑動(dòng)，提高其開(kāi)口性[4,27]。爽滑劑常與開(kāi)口劑配合使用。包裝材料中常見(jiàn)的爽滑劑是有機(jī)硅化合物、酰胺類(lèi)(如芥酸酰胺、油酸酰胺等)和皂類(lèi)。國(guó)內(nèi)使用較多的是后兩者，而有機(jī)硅化合物的使用相對(duì)較少[28]。

脂肪酰胺是常用的爽滑劑，由于與聚合物不相容，它們會(huì)逐漸遷移到薄膜表面并形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)，以此來(lái)減少膜間的摩擦。芥酸酰胺是應(yīng)用廣泛的爽滑劑，其次是油酸酰胺。在選擇爽滑劑時(shí)，應(yīng)該綜合考慮其遷移速率、爽滑效率以及熱穩(wěn)定性。

有機(jī)硅化合物如硅氧烷等分子量是酰胺類(lèi)爽滑劑的30～50倍，如此高的分子量決定了其無(wú)法在聚合物中擴(kuò)散，只能通過(guò)擠出時(shí) 終留在薄膜表面的爽滑劑分子來(lái)減少摩擦，因此也叫做無(wú)遷移爽滑劑。這類(lèi)爽滑劑兼具抗粘連和增滑的作用[29]。瀘天化(集團(tuán))有限責(zé)任公司技術(shù)中心研制的A爽滑開(kāi)口劑能在較短的時(shí)間內(nèi)從薄膜內(nèi)部遷移到表面，并聚集成均勻的涂層，使得薄膜表面光滑，極大地降低了摩擦系數(shù)。同時(shí)該爽滑劑中加入的既含親水基又含憎水基的物質(zhì)能使薄膜具有一定的抗靜電效果，降低由于靜電作用而粘連的現(xiàn)象[30]。

2.3使用抗靜電劑

抗靜電劑是指涂敷于材料表面或摻和在內(nèi)部以防止或減輕靜電積累的助劑[31]，其作用為控制靜電的產(chǎn)生和加速靜電的泄露[32]。抗靜電劑的作用機(jī)理主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是在材料表面形成導(dǎo)電性的連續(xù)膜，即能賦予制品表面具有一定吸濕性與離子性的薄膜，從而降低表面電阻率，使已經(jīng)產(chǎn)生的靜電荷迅速泄露，以達(dá)到抗靜電的目的;二是賦予材料表面一定的潤(rùn)滑性，降低摩擦系數(shù)，從而抑制和減少靜電荷的產(chǎn)生[33,34]?？轨o電劑多為表面活性劑，含有憎水基團(tuán)和親水基團(tuán)。憎水基團(tuán)保證添加劑固定在樹(shù)脂內(nèi)部，而親水基團(tuán)則吸收空氣中的水分，在薄膜表面形成導(dǎo)電層以降低表面電阻率[35]。

抗靜電劑的種類(lèi)很多，按其分子結(jié)構(gòu)可分為表面活性劑和高分子型抗靜電劑兩大類(lèi)。表面活性劑抗靜電劑按分子中的親水基能否電離可分為非離子型、陽(yáng)離子型、陰離子型和兩性型，按使用方法又可分為外處理型與添加型。高分子型抗靜電劑是近年來(lái)研發(fā)的一類(lèi)新型抗靜電劑，它采用各種親水性聚合物與高分子基體樹(shù)脂混合，使其具有抗靜電性能。已投入實(shí)際應(yīng)用的抗靜電劑有醚酯酰胺和聚醚酯酰亞胺等[31,33,34]。

3·薄膜粘連性與摩擦系數(shù)的測(cè)試方法

3.1薄膜粘連性的測(cè)試方法

目前，國(guó)內(nèi)測(cè)試薄膜粘連性的方法采用GB/T16276-1996《塑料薄膜粘連性試驗(yàn)方法》，該標(biāo)準(zhǔn)由燕山石油化工公司樹(shù)脂應(yīng)用研究所負(fù)責(zé)起草，參照采用了美國(guó)試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)

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