聚丙烯( PP)复合软管片材的优点及应用

杨伟  周非  王明生陆文萍 陈东

(江阴宝柏新型包装材料有限公司江苏江阴214433)

摘要: 介绍了铝塑复合软管片材的现状, 并就聚丙烯( Polypropy lene, PP)复合软管片材在力学性能、光学性能、综合成本、印刷及制管等方面优点进行了分析和论述, 并结合复合软管片材的发展趋势, 对PP复合片材的进一步发展进行了展望。

关键词: 聚丙烯  PP  复合  软管  片材  发展

1引言

目前, 市场上用在牙膏、化妆品、药品上的复合片材包装材料主要是铝塑复合或者全塑复合结构。这两类复合片材几乎占据了全部的牙膏包装市场和大部分的药品管材包装市场。

铝塑复合片材主要由聚乙烯膜( PE )、聚乙烯共聚物粘结层( EAA 或EMAA)和铝箔( A l)构成。PE 外膜和PE 内膜通常采用三层共挤吹膜或流延法制造, PE 外膜主要用于印刷和外观展示, 需要较好的挺度, 在露铝复合片材中还需要良好的透明性, 白色片材需要较好的白度。因此外膜一般由高密度聚乙烯(HDPE )、中密度聚乙烯(MDPE)和线性低密度聚乙烯( LLDPE)构成。内膜主要用于制管热封, 并与牙膏膏体直接接触, 需要具有良好的热封性能和化学腐蚀性, 一般以LLDPE 为主与其他种类的聚乙烯构成。铝塑复合片材的阻隔材料采用铝箔, 经过十几年的发展, 复合软管中的铝箔从30um 逐渐降低到20um、16um, 现在国内采用的绝大部分是12um 铝箔。PE 薄膜与铝箔之间通过挤出复合工艺粘结起来, 粘结材料为聚乙烯- 丙烯酸共聚物( EAA )或聚乙烯- 甲基丙烯酸共聚物( EMAA)。

制管前, 复合片材要在外膜上进行印刷, 现在国内基本采用柔版印刷工艺。牙膏软管常用的是4~ 6色, 并在表层罩光油保护。印刷过程中一个较难解决的问题是PE 膜容易形成应力集中, 在印刷时产生套印偏移, 在冬季尤为突出。骨膜主要是起封合作用, 对内膜的主要要求是热封强度和表面状况, 要求适合包装设备, 对磨擦系数有较高的要求。在制管过程中, 制管的边封是通过高频热封使内膜与外膜进行封合, 高频热封的温度敏感性相对较低。

在挤出复合方面, 通用的有单层挤出工艺和两层共挤出工艺。单层挤出技术是直接挤出一层EAA 或EMAA连接PE 膜和铝箔; 共挤出是采用两根螺杆同时挤出一层PE 与EAA, 实现PE 膜与铝箔的连接。以下各图为现有各种不同复合方法的片材结构。

在铝塑复合片材中, 对成本和价格影响最显著的是EAA, 采用共挤出工艺可以降低EAA 的用量, 实现成本的降低, 同时共挤出具有更大的灵活性。

 2复合片材的发展趋势

铝塑复合片材从20 世纪90 年代引入国内以来, 经历了十几年的快速发展, 无论在成本上还是质量稳定性上都实现了长足的进步。随着技术的进步和消费者消费习惯的改变, 复合片材也越来越朝多功能化、环保化、节约化发展。概括而言, 牙膏复合软管片材未来的发展方向, 主要体现在以下几个方向。

2. 1 降低成本

铝塑复合片材朝更薄型发展。铝塑复合片材的总厚度从刚开始的300um, 后来降低到275um, 再到250um, 目前220um 已经逐步成为主流。按照国内几大牙膏厂商的需求和趋势, 复合片材的总厚度还将继续下降到200um 以下, 铝箔层厚度也会降到10um以下, 甚至更薄。

减薄的主要风险在于片材的挺度, 材料的挺度与其厚度的三次方成正比。降低片材厚度对片材带来的直接冲击是其挺度会明显降低。目前的250um PE 复合片材, 可以制成管径35mm 的大管子, 220um PE 片材一般只可制作管径小于32mm 的软管, 如果继续减薄到200um 以下, 则只适合更小管径的软管制作。

2. 2提高环保性能

铝塑复合片材最大的弱点是废弃后不易分离和回收。虽然也有一些专门用于聚乙烯与铝箔分离回收的方法, 但实施的成本相当高, 同时还会造成新的环境污染。材料减量化、降低综合成本、可回收利用、可循环使用成为新世纪包装材料的发展潮流。减薄是减量化和降低成本的有效途径, 提高材料的环保性能, 使之可实现循环使用是另一个发展方向。在这方面, 有效的方法就是建立有效的回收机制, 采用更经济实用的回收技术。

2. 3 应用新型材料

全塑复合软管, 使用EVOH 作为阻隔材料的复合软管片材已经开始得到应用。目前采用EVOH 作为阻隔材料的全塑片材, 尚未得到大面积推广的原因是成本还高于普通铝塑片材的20% ~ 30% 。随着技术的进步, 全塑片材与更薄型片材仍是未来的主要发展趋势。其他新型材料在复合片材中也逐渐得到应用。

 3 PP 复合片材的能性优势

近年来, 通过联合利华和加铝宝柏的合作, 成功地开发了聚丙烯铝塑复合片材。由于聚丙烯本身具有的优良性能, 通过聚丙烯制作的复合片材, 在透明度方面具有十分突出的优势。聚丙烯复合片材具有更好的挺度, 在相同的厚度下, 可以制作管径更大的软管。以下对这种聚丙烯复合的优点进行介绍。聚丙烯(简称PP)与聚乙烯( PE ) 不同之处在于, 前者的合成单体丙烯( CH2 = CH ( CH3 ) )每隔一个碳原子上多出一个甲基。PP是一种半结晶性材料, 比PE要更坚硬并且有更高的熔点。由于均聚物型的PP在温度低于0.. 时非常脆, 因此许多商业的PP材料是加入1% ~ 4%乙烯的无规则共聚物或更高比率乙烯含量的钳段式共聚物。共聚物型的PP材料有较低的热扭曲温度( 100.. )、低透明度、低光泽度、低刚性, 但是有更强的抗冲击强度。PP的强度随着乙烯含量的增加而增大。PP的维卡软化温度为150.. 。由于结晶度较高, 这种材料的表面刚度和抗划痕特性很好, PP不存在环境应力开裂问题。PP的流动率MFR 范围在1~ 40。低MFR 的PP材料抗冲击特性较好但延展强度较低。对于相同MFR 的材料, 共聚物型的强度比均聚物型的要高。由于结晶, PP 的收缩率相当高, 一般为1. 8% ~ 2. 5% , 并且收缩率的方向均匀性比PE - HD 等材料要好得多。均聚物型和共聚物型的PP材料都具有优良的抗吸湿性、抗酸碱腐蚀性、抗溶解性。PP 也不像PE 那样高温下仍具有抗氧化性PP的链比PE 的硬, 因而PP有较高的熔化温度和抗张强度, 但结晶度较低。较低的结晶度导致PP薄膜的透明度优于聚乙烯。

以下是我司在生产过程中对聚丙烯薄膜与片材进行的检测分析。

3. 1 PP薄膜与PE薄膜的性能对比

详见表1。

表1

PP薄膜为三层结构, 结构为: LLDPE /PP /LLDPE

PE 薄膜结构为: LLDPE /HDPE /LLDPE

表1列举了PP薄膜与PE 薄膜在力学性能和光学性能方面的对比数据, 可以得出以下结论。

①在力学强度方面, PP薄膜的拉伸强度明显优于PE 薄膜, 110um的PP薄膜可以达到125umPE薄膜才能达到的强度。同时在断裂伸长率的对比上可以看到, 由于PP薄膜兼具PP和PE 的优点, 断裂伸长率横向与纵向均在1000% 以上。在力学性能方面的优势使得PP薄膜在耐跌落和冲击方面具有优势。

②挺度。对复合片材而言, 挺度是一个很关键的因素, 只有确保复合片材具有足够的挺度, 才能保证软管的圆度和尺寸稳定性。数据表明, 110um PP薄膜挺度甚至超过125um 的PE 薄膜。除此之外, PP薄膜挺度在纵横向更均匀。

③在共挤吹膜工艺中, 由于PP与PE 之间粘合性是最大的挑战, 加铝宝柏通过配方设计和修正螺杆, 成功地解决了这一难题。三层共挤结构中, PP 与PE 之间的剥离强度可确保在9N /15mm以上。

以上数据均在三层层厚比是1#1#1时测得的。PP薄膜的各项性能还可通过调整各层的层厚比做进一步的改善。

3. 2 PP复合软管的外观

将PP薄膜应用于复合片材, 制得的复合片材表面光泽度优于PE 复合管。铝箔的金属光泽通过高透明度的PP膜得到更好的反应。相同厚度的片材对比, PP复合软管的圆度、挺度也具有明显优势。

3. 3 印刷与制管

由于聚乙烯为半结晶性材料, 在加工过程中由于冷却不均匀, 速度不一致等原因容易产生应力, 而且存在较严重的后结晶现象。存在于外膜中的外力, 在复合片材进行印刷时, 极易因应力释放导致套印不准, 尤其是在6色以上的印刷时尤为突出。

聚丙烯就不存在这样的问题, 聚丙烯的结晶速度很快, 且结晶程度低, 不会产生应力积累, 不会因此导致印刷套印的问题。

在过去几年的实践中, 无论是在KMK 制管机还是A ISA 制管机上, PP复合片材都表现出良好的走机性能。但有一点需要关注, PP的耐低温性不如PE, 因此PP复合片材不可在- 10.. 以下加工。

3. 4 综合成本

当前在市场常见的牙膏管管径为25mm, 28mm, 30mm, 32mm, 35mm 等。目前用在35mm 管径等大管径软管的大部分是250um 以上的复合片材, 而在联合利华的聚丙烯复合片材中, 32mm 管径的软管均可用220um 的聚丙烯复合片材。应用聚丙烯复合片材的综合成本更低。

应用PP片材制作复合软管, 很容易实现片材减薄。即用同样厚度的PP片材可以制作更大管径的软管。在综合成本上具有优势, 综合成本的对比数据, 见表2。

表2

从综合成本的对比上可以看到, 虽然PP复合片材的成本会略高于PE 片材, 但PP片材具有更广泛的应用空间, 在减薄的同时仍能制作较大管径的软管。

3. 5 环保优势

包装材料减量化、可循环使用、利用可降解材料也是复合片材发展的总体趋势。在环保和节能降耗方面, PP片材具有不可比拟的优势。以30mm 管径的软管对比, 220um 复合片材可比同样厚度的PE 片材减重3. 5% , 以1000万支软管计算, 则可减少塑料用量1. 2 吨。进一步改进PP复合片材, 提高PP的用量, 可进一步在环保方面创造优势。

4 PP片材的进一步发展

PP应用与复合片材, 还具有更广阔的发展空间, 以下略作归纳。

4. 1 开拓全塑复合片材( PBL)的应用

目前, 全塑片材难以大规模进行推广的重要原因之一是其成本仍远高于铝塑复合片材。目前全塑复合片材的总厚度仍在300um 以上, 阻隔层EVOH 一般为5~ 15um。厚度难以降低的最大问题是片材的挺度和阻隔性能。

充分借用聚丙烯在力学性能和光学性能上的优势, 将其应用于全塑片材, 则对降低全塑复合片材厚度方面有益, 而且聚丙烯的阻水效果也优于聚乙烯。

在全聚片材的外层或内层使用PP, 可将片材总厚度降至275um 左右。若更进一步在内膜和外膜同时采用PP, 则可进一步降低总厚度。

图4.. 全塑复合片材的结构图

同时, 近年来国内逐渐开发新的阻隔材料, 比如聚乙烯醇( PVA )。在全塑片材中使用新的阻隔材料也可加快全塑片材的发展。

4. 2 应用于化妆品包装

复合片材的应用领域有望得到进一步的扩大。目前虽然在药膏包装中得到了部分应用。随着化妆品市场的发展, 在部分中低端的化妆品领域, 采用复合片材代替挤出管也不失为好的解决方案。

 5 结论

PP复合片材在力学强度、光学性能等方面具有PE复合片材难以匹敌的优势, 通过PP 复合片材印刷、制管, 可以获得更稳定的加工性能, 软管也具有更好的货架展示效果。结合包装材料的发展趋势, PP 复合片材在环保和综合成本上也提供了很好的平衡, 是值得我们相关行业关注的一个产品发展方向。

来源：口腔护理用品工业