聚丙烯流延膜的加工与应用

于庆顺  杨伟 李忠明 冯建民 杨鸣波

(四川大学高分子科学与工程学院，高分子材料工程国家重点实验室, 成都610065)

摘要  流延法是利用热塑性材料生产塑料薄膜的方法之一。介绍了聚丙烯流延膜的性能和应用情况, 讨论了聚丙烯流延过程中温度和拉伸速度等工艺因素的控制, 并结合多层共挤膜中各层的作用提出了聚丙烯流延膜对原料的要求, 以及加工过程中存在的主要问题。

关健词  聚丙烯 流延膜 加工

　　近几十年来, 随着塑料薄膜在包装工业和食品工业获得越来越广泛的应用, 开发高性能的塑料复合薄膜已成为发展趋势之一: 塑料薄膜的生产方法有吹膜法、压延法等, 近年来双向拉伸法和流延法已经成为生产高性能薄膜的主要方法。流延膜一词中的“ 流延” 泛指将金属或非金属溶液分散到光滑表面的过程。流延工艺最早用于乙酸纤维素等树脂的加工。

　　流延法是利用热塑性材料生产塑料膜的广泛方法之一, 双向拉伸法也是首先将熔体流延到冷却辊上, 然后再加热进行纵横拉伸的过程。流延法可生产聚烯烃流延膜、聚烯烃保鲜膜、聚酞胺流延膜等。一般情况下, 流延膜指的是聚烯烃流延膜, 具体又可分为流延聚丙烯(CPP) 薄膜和流延聚乙烯(CPE ) 薄膜等。CPP薄膜具有透明度高、挺度好、热封温度低、耐热、防潮、阻隔性好、印刷和复合适应性强、表面光滑、耐蒸煮等诸多特点, 可经过印刷、制袋用于食品、文具杂货及纺织品等物的包装, 也可与其它薄膜复合后(PP 一般作为复合膜的内外层材料)用于包装各种食品, 包括需要加热杀菌的食品、调味品、汤料等。与PP 吹塑膜相比,CPP膜的光学性能优良, 生产效率高, 在世界发达国家C PP膜的产量高于PP吹塑膜; 与双向拉伸聚丙烯(BO PP) 薄膜相比, CPP薄膜具有加工设备简单、单位面积成本低的优势, 所以其在高档包装薄膜领域占有一定的地位。

1 CPP的生产工艺

　　CPP即薄膜的生产首先将配好的物料由真空上料到挤出机, 熔融塑化后挤出, 经T 型口模流延, 靠气刀喷出的压缩空气把流延料吹贴到冷却辊骤冷, 使其平整地延展在辊面上形成薄膜, 再经下个辊的进一步冷却, 用测厚装置测厚, 然后进行电晕处理, 分切边料, 由收卷辊展平卷取, 产品经验收包装人库。薄膜流延示意图见图1。

　　在熔体流延过程中, T 型机头和冷却辊是生产的关键设备, 机头设计应使物料沿整个机唇宽度均匀地流出, 具有均匀的温度分布等, 机头温度一般为230 一250 ℃ , 加工均聚PP 的机头温度略高于共聚PP。冷却辊的表面应该经过精加工, 转速稳定, 以免产生机向的温度波动, 温度也应该调控适当, 过冷或过热对薄膜的力学性能、透明性和雾度均有很大的影响, 对PP 而言, 冷却辊的温度为25 ℃ 左右; 机头温度与冷却辊的温度差是决定结晶度的重要参数, 增加温差可以降低结晶度, 提高透明性、韧性和热封性能, 但拉伸强度有所下降^[1]。在冷却辊的上方还有气刀设置, 在气刀吹压下, 熔融料立即紧贴在冷却辊表面, 气刀的另外一个作用是将爽滑剂等低分子挥发物抽出, 防止其堆积在冷却辊上, 更好地保障薄膜外观质量。薄膜经过冷却辊后采用月射线或红外测厚仪对其厚度进行监测, 以便控制厚薄公差然后对薄膜进行电晕处理, 以增加印刷油墨或复合粘合剂与薄膜的复合牢度, 控制表面张力在42 x10^-5 N/ cm 以上。CPP薄膜比较柔软, 必须根据膜的厚度, 生产速度等因素调整好收卷张力, 张力过大或过小都会产生波纹, 影响薄膜平整性。在整个生产过程中, 除了温度这个重要的工艺参数之外, 另一个重要参数是拉伸速度, 拉伸速度越大, 生产效率越高, 但到一定值后继续增加, 则容易产生断膜现象;拉伸速度也是产生分子定向的主要因素, 拉伸速度越大, 分子沿机向方向的取向程度越大, 通过调节拉伸速度的大小还可以调节薄膜的厚度。

2  CPP膜的生产原料

　　20 世纪80 年代,PP 流延膜多为单层, 进人90年代, 多层复合挤出逐渐成为主流, 现在已经向5 层和7 层共挤流延方向发展。多层共挤复合薄膜采用了性质不同的材料, 具有单层流延膜无法比拟的优点和特性。按使用种类分, CPP 膜分为通用型、金属化型和耐蒸煮型三种, 三种不同流延膜对PP 原料要求也不同, 不同的加工树脂性能上有着明显的差别。总的来说, 多层复合CPP 薄膜由电晕处理层、支撑层和热封层组成, 三层的各自的作用和对原料的要求也不同。

(l) 电晕处理层: 为了提高CPP 膜的印刷性能,必须对薄膜表面进行电晕处理。CPP 膜必须符合易于电晕处理, 衰退速率慢的要求。利用电晕处理, 使聚合物表面粗糙度增加, 表面张力增大^[2]。但表面张力也不是越大越好, 否则薄膜表面会因氧化过度而发脆, 造成力学性能下降。表面张力的衰竭程度与树脂中的低分子物的含量有直接关系, 低分子物越多, 表面张力衰竭越快, 润湿剂含量在800一1200μg/g 时较为理想。对电晕层原料的根本要求是: 既要有一定的抗粘连性, 又要控制低分子物的含量。

(2 )支撑层: 即中间层, 主要目的是使薄膜具有一定的力学性能, 支撑层首先要有出色的刚性, 所以芯层多用均聚物制成; 其次, 多层共挤CPP 薄膜的良好光学性能(低雾度、高光泽度)也要靠中间层提供。

(3 )热封层: 热封层首先要具备良好的热封性能, 要求材料熔点低, 热熔性好, 热封温度要宽, 封口要容易。高速CPP 膜包装生产线主要使用热封温度较低的二元和三元共聚物做热封层。在PP 中加人少量的乙烯, 形成二元共聚物, 其结晶度降低, 材料的透明性、冲击强度、耐低温性能均有所上升, 同时材料的起始热封温度下降。在二元共聚的基础上添加丁烯单体进行三元共聚, 使材料的热封温度下降到120 ℃ 以下, 但仍然具备高的光泽、透明性和冲击性能。

　　这三层CPP 生产均需选用专用牌号的树脂, 一般要求熔体流动速率为6~12 g/10 m in。三层厚度比一般为l: 3: 1 。

　　目前国内生产C PP 膜的厂家所用原料多为进口原料, 主要来自韩国三星公司、北欧化工公司、美国MONTE L 公司、日本窒素公司及新加坡TPC 公司等。国内CPP 膜的开发和研究起步较晚, 牌号种类少, 产量低, 加工和使用性能与进口原料相比都还有相当的差距。

3  CPP膜加工中存在的主要问题

　　在CPP的生产和应用中, 主要存在两大问题:其一为拉伸速度小, 增大拉伸速度则容易断膜, 国产CPP树脂的这一缺点尤为明显; 其二是热封温度高,范围窄, 不符合高速制袋的要求。

　　在CPP 的流延中, 聚合物熔体通过狭缝口模挤出, 在空气中被拉伸至冷却辊上冷却。在口模至冷却辊间, 主要涉及到拉伸流动, 其间有两个现象引起研究者的兴趣: 一是观察到边缘增厚和颈缩现象; 二是在大于临界拉伸速度时产生的不稳定性, 即拉伸共振或薄膜断裂现象^[3]。所谓边缘增厚, 就是流延膜的边缘的厚度大于中间的厚度, 主要是由于边缘应力效应所致^[4], 这可通过裁刀把薄膜边缘裁剪掉来克服, 边料可以返混, 不会引起成本的增加。第二种现象的起因很复杂, 也是现在聚合物流延方面的研究热点, 拉伸共振的起点与聚合物分子量、粘弹性、松弛时间、拉伸比和薄膜纵横比及工艺参数等有关, 所有研究结果几乎都没有涉及实验内容, 多局限于数值模拟, 更没有具体到某一种聚合物^[5-8] 。

　　由于CPP 薄膜多用于包装工业和食品工业, 热封是个重要的环节, 为了提高效率, 应尽可能降低热封温度。热封温度与薄膜的熔点是对应的, 为了降低熔点, 从工艺角度出发, 可以降低冷却辊的温度,增加过冷度, 降低结晶度, 但这是有限的, 会造成其它力学性能的下降。现在多从原料方面考虑, 使用丙烯与乙烯及丁烯的无规共聚物, 通过乙烯和丁烯单元插人PP 分子链段中, 打乱了丙烯单元的连续性, 而较短的丙烯链段有利于γ晶相的形成, 而γ晶的熔点远低于常见的α 晶, 所以达到了降低热封温度的目的^[9]。

4 结语

　　随着流延设备和软包装设备的大量引进,CPP膜在国内获得了越来越广泛的应用。由于生产PP流延膜的工艺比较简单, 因此对原料的要求很高, 必须采用适合的专用料, 国产料的主要缺点有: 热封温度高, 范围窄, 不能满足高速制袋的要求; 卷取速率快, 易破膜, 生产效率低; 透明性差; 加工温度偏高等。尤其是三元共聚级CPP 树脂国产料只有上海石化公司生产的F800  EPS, 但产品质量还不够稳定, CPP镀铝膜和CPP 蒸煮膜等高档包装膜所用的原料几乎被进口料所垄断, 因此开发高性能国产CPP 专用树脂已成为当务之急。