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摩擦系数对软包装产品质量的影响
时间:2015-10-22   来源: 包装前沿   阅读:4299次

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摩擦系数是塑料薄膜的基本物性之一。当两个相互接触的物体之间有相对运动或相对运动趋势时,其接触表面产生的阻碍相对运动的机械作用力就是摩擦力。塑料薄膜的摩擦性能可以通过材料的动、静摩擦系数来表征。静摩擦力是两接触表面相对移动开始时的最大阻力,其与法向力之比就是静摩擦系数;动摩擦力是两接触表面以一定速度相对移动时的阻力,其与法向力之比就是动摩擦系数。摩擦系数是衡量包装材料滑动特性的指标,薄膜材料表面爽滑并具有适当的摩擦系数对于薄膜在印刷、复合、制袋及包装运输来说非常重要。

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塑料薄膜在不同地域、环境、在不同包装材料组合中使用对摩擦系数的要求会产生差异,故而软包装企业需要不同摩擦系数的薄膜,而薄膜企业也需要根据企业的不同需求,生产摩擦系数不同的薄膜。

一、塑料薄膜的表面摩擦系数、粗糙度和爽滑性

塑料薄膜的表面摩擦系数、粗糙度和爽滑性,此三项指标的关系是相辅相承的。

薄膜滑爽性的好坏可以用摩擦系数大小来进行评价。评价滑爽性,动(静)摩擦系数都具有重要的参考价值。动(静)摩擦系数一般都具有相同的变化趋势,滑爽性有所改善时,动(静)摩擦系数都会有所变化。另外,为了更加接近下游客户的使用需求,可以模拟在不同温(湿)度及不同条件下的变化检测摩擦系数。

1、塑料薄膜表面的摩擦系数

在生产中,薄膜的摩擦系数是一项重要的技术指标。一方面它和薄膜抗粘连性能一起成为塑料薄膜开口性的量化评定指标,另一方面又可作为自动包装机运行速度、张力调节、薄膜运行中磨损的参考数据之一。 在印刷、复合、制袋、包装运输的过程中,薄膜表面摩擦系数与其表面的粗糙度成直线关系。在一定条件下,表面粗糙度越大,摩擦系数越小。也就是说,降低薄膜表面的摩擦系数对印刷、复合、镀铝有利,可以增加它们与塑料薄膜之间的结合面,提高它们之间的粘合力。摩擦系数的大小是通过添加剂量进行调节的。

2、塑料薄膜的表面粗糙度 

表面粗糙度是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。适当的表面粗糙度有利于油墨印刷、复合和真空镀铝。当然,粗糙度过大则可能会造成油墨、胶液或铝分子不能填满薄膜表面凹陷穴位,形成空隙而影响两者之间的附着力,严重时会使油墨、胶液或镀铝层与薄膜脱离分层,印刷时小网点丢失。

一般塑料薄膜的表面非常光滑,光滑的表面在薄膜收卷时会产生粘连,无法正常收卷,也不容易放卷。同时,光滑的薄膜表面对油墨印刷、复合和真空镀铝也非常不利,因为光滑的表面会大大降低油墨、胶粘剂与薄膜之间的附着力,包括油墨、胶粘剂与铝箔和薄膜之间的附着力。为了使薄膜表面具有一定的粗糙度(除电晕处理外),以增加与其它物质的黏结力,通常采用在薄膜树脂中添加某种抗粘连剂的方法,在成膜过程中的薄膜表面形成一定的粗糙度。薄膜表面粗糙度的大小与添加剂(抗粘连剂)的种类、数量,添加剂的粒径与形状、添加剂的分散性、表面处理等因素有关,应根据不同类型薄膜和用途而选用不同的添加剂。随着薄膜中添加剂含量的增加,薄膜的摩擦系数μs下降,表面粗糙度增大,塑料薄膜表面粗糙度一般控制在Ra=0.08~0.16较为适合。

 3、塑料薄膜的爽滑性

爽滑性主要受添加剂种类和含量等影响,同时也受电晕处理的影响。另外,薄膜使用环境、下游客户使用工艺条件、生产环境也会对爽滑性造成影响。薄膜的爽滑性对薄膜生产过程和下游客户的使用过程的顺利进行都很重要。这就要求薄膜生产过程要对滑爽性进行控制,以便能够提供适当的滑爽性,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影响。

爽滑剂又被称作润滑剂。润滑剂分为内润滑和外润滑两类。在加工CPP(IPP)、CPE(IPE)薄膜时,酰胺类的爽滑剂通常会被加在热封层当中,在加工BOPP薄膜时,爽滑剂通常会被加在芯层当中。这些润滑剂的分子会迁移至薄膜的表面(“外迁”)形成一层油性表面,起到改善薄膜表面性能的润滑作用,降低摩擦系数。添加量应根据薄膜的厚度及客户所要求的摩擦系数值而定。一般在BOPET和BOPA薄膜的加工过程中并不需要使用酰胺类的爽滑剂。

二、摩擦系数对薄膜凹版印刷的影响

1、印刷中一般要求有较小的内层摩擦系数和合适的外层摩擦系数

外层摩擦系数太大,会引起印刷过程中阻力过大,引起材料拉伸变形影响印刷效果,若太小可能又会引起拖动机构打滑,造成纠偏系统不准,印刷牢度降低,还会影响包装速度。另外,在印刷工艺中,油墨的细度值低,颜料颗粒粗,这样印刷过程中摩擦系数变大,印版的耐印率就低,印刷时还容易产生糊版、积墨以及传墨不均等情况。

以尼龙薄膜为例:常温下一般要求BOPA薄膜表面(非处理面)的动摩擦系数在0.25~0.35之间(非/非动国标为≤0.6)。而四川、重庆等湿度较高地区,或在高温高湿气侯季节,BOPA薄膜表面(非处理面)的摩擦系数应小于0.25。否则很容易出现膜面粘连状态。为适应成品袋快速打码要求,BOPA薄膜推出高爽滑和超爽滑产品,以适应市埸需求。尼龙膜为吸潮性大的薄膜,一般在正常使用环境下,20分钟内膜就会吸湿达到饱和状态,而薄膜吸湿饱和后其摩擦系数变化不大。

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表1 不同湿度条件下BOPA薄膜非/非的摩擦系数的变化情况

由于原标准制定已有十年之久,而这十年间正是国内尼龙膜生产及其使用快速发展的十年,许多物性指标已不适应目前市场和产品发展需求,因此应根据不同地区和产品需求设定各自的摩擦系数值。

2、在高温高湿使用条件下,考虑摩擦系数的影响

高温高湿环境下,应特别注意提高油墨与基材的结合牢度和提高印刷速度。

一般在使用中,机台金属部件大都是在40℃左右的高温条件下运转。而温度的提高对摩擦系数影响却很大,因为高温条件下高分子材料大分子热运动能力加强,活动速度加快,分子间隙变大,表面性能发生变化会使薄膜摩擦系数随之变化。一般来讲,随着环境温度的升高,材料表面的摩擦系数会有一定的变化,但变化的大小因材料对温度的敏感程度和所加助剂种类及多少有较大差异。如在印刷前不仅要测量BOPA膜在常温下的摩擦系数,还应检测实际使用环境温湿度下的摩擦系数变化。BOPA薄膜本身分子排列间隙比其他薄膜大,测量在使用温度条件下的摩擦系数变化对稳定和提高产品质量是非常有益的。

三、摩擦系数对复合、熟化的影响

1、对薄膜收卷张力和质量的影响

塑料薄膜在实际使用中有做印刷层、复合中间夹层, 也有做为热封层的PE和CPP。但在复合中,由于各层材料摩擦系数的变化也会影响复合剥离牢度,其中爽滑剂的种类、含量对摩擦系数影响最大。

PP、PE的爽滑剂大多都是无机高分子材料(如胺类),与树脂相溶性不好,通常从30℃开始,常用的爽滑剂已接近其熔点而变得粘结,薄膜的摩擦系数便急剧上升,测试时施加的力波动变化很大,呈现一种间歇性滑动或粘结效果。

复合收卷后,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,不能进入下道工序生产。有时还会产生散卷而使收卷失败。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、熟化后摩擦系数下降

有软包装企业反映:原本要求热封层薄膜的非处理面的摩擦系数应在0.1~0.2间,进厂薄膜的摩擦系数的实测结果可能会大于0.3。若将该种薄膜放入熟化室一段时间后,摩擦系数就能降到0.1~0.2。这就是已加入薄膜中的爽滑剂需要一定的温度与时间才能完成“外迁”,从而破坏了复合层牢度。故而企业应特别注意高温蒸煮袋产品和热封层超60um以上产品复合剥离牢度的变化。

3、摩擦系数对自动包装、制袋的影响

在实际包装过程中,摩擦力常常既是拖动力又是阻力,因此必须有效地控制摩擦系数的大小,使它在适当的范围内。如果摩擦系数过大,如复合膜摩擦系数(动)超过0.3(与钢材接触面),那么卷筒膜在一些宽幅较大的制袋或自动包装机台上会出现拉不动的情况,制袋产品的摩擦系数(处理面)如果超过0.25,规格较小的袋子就容易出现开口不良的现象。摩擦系数也不是越小越好,如自动包装用卷筒膜,内层薄膜摩擦系数过小时,有可能引起制袋成品叠料不稳定而产生错边混乱,外层摩擦系数太小可能又会引起拖动机构打滑造成电眼跟踪和切断定位不准。

薄膜制品热封层的表面摩擦系数是复合软包装非常关注的一项指标。不同用途的包装材料对摩擦系数有不同的要求。终端企业对卷筒膜包材热封层的表面摩擦系数也提出越来越严格的要求。

目前,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。自动包装材料的表面摩擦系数(动)的验收指标基本上都在0.15左右(膜与钢板的摩擦系数值)。在复合材料的加工过程中,热封层的表面摩擦系数会随着气候及工艺条件的不同而表现出某种程度的变化。如BOPA膜非处理面的摩擦系数,在快速打码(制袋)时(250个/min以上)要求要小一些(约0.18~0.22)。

一些特殊工艺要求或有针对性产品,对于要求特别低的摩擦系数,则应慎重对待。将膜与金属的摩擦系数控制在一定范围内,还应考虑薄膜在使用中的吸潮性,如尼龙膜、玻璃纸在吸潮后(未达饱和状态)的摩擦系数肯定更高。摩擦系数太小,会发生走料不稳、牵动打滑、错位,制袋裁切出血或成品规格长短不一等现象。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断,同样不能生产。

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。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加。添加剂含量超过一定量后,就会影响到复合膜的牢度。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量的多少,一般选择少加或不加添加剂的薄膜。

此外,像PET、BOPA薄膜添加剂量太多也会使膜表面的粗糙度增加,也会形成颗粒状麻点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类现象, 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,复合膜摩擦系数不隐定与所添加滑爽剂的类型、添加量、迁移量、迁移方向、贮存使用的温湿度等有关。

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图1  不同含量添加剂及摩擦系数和雾度趋势

四、摩擦系数变化对质量影响的实例分析

1、PA//PE,复合膜剥离强度差

有的软包装企业在复合PA//PE后,发现剥离强度较差,将其剥开后,在PE膜上可看到一层白色的“霜”样物质,且可用手将其擦除。将该复合薄膜重新放入熟化室或80℃的电热箱中一段时间,取出后马上进行剥离强度的检查,则剥离强度值会有明显提高,而且PE膜上也看不到原有的白色“霜”样物质;但将该复合薄膜在室温条件下放置二天后,其剥离强度又会随着时间的延长而逐渐降低。

这是因为一段时间后,PE膜滑爽剂会逐渐迁移至PE膜的表面,形成一层很薄的致密层,这层致密层阻隔了粘合剂与PE膜表面的结合,在PA膜//胶粘剂与PE界面层之间导致粘合剂无法与PE分子接触,造成复合初粘力明显降低。即使随着固化时间加长,复合强度始终很低。这个问题表明对于有特殊要求必须使用高滑爽剂的PE膜,一般情况下不宜放置时间太久。如果由于某种原因造成了PE膜的超期使用,在复合前最好小试或将PE膜置于60~70℃的温度下8h以上,此时的滑爽剂将部分失效,再去复合,会减少复合强度低的问题。

2、爽滑剂膜间转移对复合牢度的影响

PA膜的内表面是通过粘合剂的作用与PE膜的复合面粘接在一起的,PA膜的外表面则是在收卷张力的作用下与PE膜的热封面紧紧地“靠”在一起。

因此,迁移到热封层表面的爽滑剂就可能向PA薄膜表面及其内部发生迁移。迁移到PE膜复合面的爽滑剂一方面会导致剥离强度的下降,另一方面会导致PE膜热封面有效爽滑剂数量减少,进而导致热封面摩擦系数上升;迁移到PA薄膜表面及其内部的爽滑剂一方面会导致PE膜热封面上有效爽滑剂数量减少,进而导致PE膜热封面的摩擦系数上升,另一方面会使得PA薄膜外表面的摩擦系数下降。

3、摩擦系数在无溶剂复合中对BOPA膜的影响

不同的无溶剂粘合剂的种类和成分各不相同,复合膜的摩擦系数也有较大区别。在进行无溶剂复合时,需要根据摩擦系数的具体要求,选择合适的无溶剂粘合剂。

上胶量的增大不但会引起摩擦系数增大,也容易产生其他不利影响:复合膜复合之后其摩擦系数会上升大约0.1~0.2,主要由于粘合剂吸收爽滑剂及生产中磨损或消耗掉一部分爽滑剂。因此,在生产中,上胶量的控制也是非常重要的,每平方米增加一克上胶量,摩擦系数大约上升0.025。

上胶量也不能过小,无溶剂复合如果上胶量小,易造成胶水涂布不均、白点、强度偏低等质量问题,特别是白色油墨处,易出现白点、气泡问题。

无溶剂复合粘合剂种类不同,其成分也不同。随着熟化温度的提高,摩擦系数上升的程度也不同。比如主流的聚酯为主的成分和聚醚为主的成分是主要影响摩擦系数的原因,在其他条件一致的情况下,熟化温度提高,复合膜的摩擦系数有明显差别,这是因为,一方面,随着温度提高,粘合剂吸附爽滑剂的反应更快,使爽滑剂部分失去作用;另一方面,一些低熔点的爽滑剂在温度提高时出现粘连,自身失去作用。同样,熟化时间延长,摩擦系数随着提高。在无溶剂复合中,一般推荐熟化温度不超过40℃。一般来说,PE膜的摩擦系数规定大约为:对于制袋产品摩擦系数要求:0.1~0.15;对于卷筒半成品摩擦系数要求:0.2左右。因此,原料薄膜如PE、CPP等摩擦系数的大小直接影响复合膜的摩擦系数,只能从源头上控制,才能保证最终产品有合适的摩擦系数。这样,在无溶剂复合中,对于含有BOPA//PE、BOPET//CPP组合的产品复合后才有质量保障。

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