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摩擦系數對軟包裝產品質量的影響
時間:2015-10-22   來源: 包裝前沿   閱讀:17453次

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摩擦系數是塑料薄膜的基本物性之一。當兩個相互接觸的物體之間有相對運動或相對運動趨勢時,其接觸表面產生的阻礙相對運動的機械作用力就是摩擦力。塑料薄膜的摩擦性能可以通過材料的動、靜摩擦系數來表征。靜摩擦力是兩接觸表面相對移動開始時的最大阻力,其與法向力之比就是靜摩擦系數;動摩擦力是兩接觸表面以一定速度相對移動時的阻力,其與法向力之比就是動摩擦系數。摩擦系數是衡量包裝材料滑動特性的指標,薄膜材料表面爽滑并具有適當的摩擦系數對于薄膜在印刷、復合、制袋及包裝運輸來說非常重要。

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塑料薄膜在不同地域、環境、在不同包裝材料組合中使用對摩擦系數的要求會產生差異,故而軟包裝企業需要不同摩擦系數的薄膜,而薄膜企業也需要根據企業的不同需求,生產摩擦系數不同的薄膜。

一、塑料薄膜的表面摩擦系數、粗糙度和爽滑性

塑料薄膜的表面摩擦系數、粗糙度和爽滑性,此三項指標的關系是相輔相承的。

薄膜滑爽性的好壞可以用摩擦系數大小來進行評價。評價滑爽性,動(靜)摩擦系數都具有重要的參考價值。動(靜)摩擦系數一般都具有相同的變化趨勢,滑爽性有所改善時,動(靜)摩擦系數都會有所變化。另外,為了更加接近下游客戶的使用需求,可以模擬在不同溫(濕)度及不同條件下的變化檢測摩擦系數。

1、塑料薄膜表面的摩擦系數

在生產中,薄膜的摩擦系數是一項重要的技術指標。一方面它和薄膜抗粘連性能一起成為塑料薄膜開口性的量化評定指標,另一方面又可作為自動包裝機運行速度、張力調節、薄膜運行中磨損的參考數據之一。 在印刷、復合、制袋、包裝運輸的過程中,薄膜表面摩擦系數與其表面的粗糙度成直線關系。在一定條件下,表面粗糙度越大,摩擦系數越小。也就是說,降低薄膜表面的摩擦系數對印刷、復合、鍍鋁有利,可以增加它們與塑料薄膜之間的結合面,提高它們之間的粘合力。摩擦系數的大小是通過添加劑量進行調節的。

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較小間距上的微小峰谷不平度的微觀幾何尺寸特征的綜合評價。適當的表面粗糙度有利于油墨印刷、復合和真空鍍鋁。當然,粗糙度過大則可能會造成油墨、膠液或鋁分子不能填滿薄膜表面凹陷穴位,形成空隙而影響兩者之間的附著力,嚴重時會使油墨、膠液或鍍鋁層與薄膜脫離分層,印刷時小網點丟失。

一般塑料薄膜的表面非常光滑,光滑的表面在薄膜收卷時會產生粘連,無法正常收卷,也不容易放卷。同時,光滑的薄膜表面對油墨印刷、復合和真空鍍鋁也非常不利,因為光滑的表面會大大降低油墨、膠粘劑與薄膜之間的附著力,包括油墨、膠粘劑與鋁箔和薄膜之間的附著力。為了使薄膜表面具有一定的粗糙度(除電暈處理外),以增加與其它物質的黏結力,通常采用在薄膜樹脂中添加某種抗粘連劑的方法,在成膜過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與添加劑(抗粘連劑)的種類、數量,添加劑的粒徑與形狀、添加劑的分散性、表面處理等因素有關,應根據不同類型薄膜和用途而選用不同的添加劑。隨著薄膜中添加劑含量的增加,薄膜的摩擦系數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較為適合。

?3、塑料薄膜的爽滑性

爽滑性主要受添加劑種類和含量等影響,同時也受電暈處理的影響。另外,薄膜使用環境、下游客戶使用工藝條件、生產環境也會對爽滑性造成影響。薄膜的爽滑性對薄膜生產過程和下游客戶的使用過程的順利進行都很重要。這就要求薄膜生產過程要對滑爽性進行控制,以便能夠提供適當的滑爽性,同時又不會由于添加劑的析出對下游客戶的使用造成其他影響。

爽滑劑又被稱作潤滑劑。潤滑劑分為內潤滑和外潤滑兩類。在加工CPP(IPP)、CPE(IPE)薄膜時,酰胺類的爽滑劑通常會被加在熱封層當中,在加工BOPP薄膜時,爽滑劑通常會被加在芯層當中。這些潤滑劑的分子會遷移至薄膜的表面(“外遷”)形成一層油性表面,起到改善薄膜表面性能的潤滑作用,降低摩擦系數。添加量應根據薄膜的厚度及客戶所要求的摩擦系數值而定。一般在BOPET和BOPA薄膜的加工過程中并不需要使用酰胺類的爽滑劑。

二、摩擦系數對薄膜凹版印刷的影響

1、印刷中一般要求有較小的內層摩擦系數和合適的外層摩擦系數

外層摩擦系數太大,會引起印刷過程中阻力過大,引起材料拉伸變形影響印刷效果,若太小可能又會引起拖動機構打滑,造成糾偏系統不準,印刷牢度降低,還會影響包裝速度。另外,在印刷工藝中,油墨的細度值低,顏料顆粒粗,這樣印刷過程中摩擦系數變大,印版的耐印率就低,印刷時還容易產生糊版、積墨以及傳墨不均等情況。

以尼龍薄膜為例:常溫下一般要求BOPA薄膜表面(非處理面)的動摩擦系數在0.25~0.35之間(非/非動國標為≤0.6)。而四川、重慶等濕度較高地區,或在高溫高濕氣侯季節,BOPA薄膜表面(非處理面)的摩擦系數應小于0.25。否則很容易出現膜面粘連狀態。為適應成品袋快速打碼要求,BOPA薄膜推出高爽滑和超爽滑產品,以適應市埸需求。尼龍膜為吸潮性大的薄膜,一般在正常使用環境下,20分鐘內膜就會吸濕達到飽和狀態,而薄膜吸濕飽和后其摩擦系數變化不大。

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表1 不同濕度條件下BOPA薄膜非/非的摩擦系數的變化情況

由于原標準制定已有十年之久,而這十年間正是國內尼龍膜生產及其使用快速發展的十年,許多物性指標已不適應目前市場和產品發展需求,因此應根據不同地區和產品需求設定各自的摩擦系數值。

2、在高溫高濕使用條件下,考慮摩擦系數的影響

高溫高濕環境下,應特別注意提高油墨與基材的結合牢度和提高印刷速度。

一般在使用中,機臺金屬部件大都是在40℃左右的高溫條件下運轉。而溫度的提高對摩擦系數影響卻很大,因為高溫條件下高分子材料大分子熱運動能力加強,活動速度加快,分子間隙變大,表面性能發生變化會使薄膜摩擦系數隨之變化。一般來講,隨著環境溫度的升高,材料表面的摩擦系數會有一定的變化,但變化的大小因材料對溫度的敏感程度和所加助劑種類及多少有較大差異。如在印刷前不僅要測量BOPA膜在常溫下的摩擦系數,還應檢測實際使用環境溫濕度下的摩擦系數變化。BOPA薄膜本身分子排列間隙比其他薄膜大,測量在使用溫度條件下的摩擦系數變化對穩定和提高產品質量是非常有益的。

三、摩擦系數對復合、熟化的影響

1、對薄膜收卷張力和質量的影響

塑料薄膜在實際使用中有做印刷層、復合中間夾層, 也有做為熱封層的PE和CPP。但在復合中,由于各層材料摩擦系數的變化也會影響復合剝離牢度,其中爽滑劑的種類、含量對摩擦系數影響最大。

PP、PE的爽滑劑大多都是無機高分子材料(如胺類),與樹脂相溶性不好,通常從30℃開始,常用的爽滑劑已接近其熔點而變得粘結,薄膜的摩擦系數便急劇上升,測試時施加的力波動變化很大,呈現一種間歇性滑動或粘結效果。

復合收卷后,復合薄膜層間的壓力及距離還與構成復合薄膜的各基材自身的厚薄均勻度及印刷圖案的設計、墨層的厚度有著密切的關系。墨層越厚,則收卷后該部位的硬度就越大,則意味著該處的復合薄膜層間的壓力越大、層間的距離越小,從膜中“外遷”出來的滑爽劑“遷移”到另一薄膜中去的機率就會更大、數量就會越多。其結果就是上述墨層厚的區域所對應的熱封層表面的摩擦系數明顯大于墨層薄或無油墨的區域所對應的熱封層表面的摩擦系數。

此外,若復合膜摩擦系數太小,收卷時復合膜內表層和外表層的摩擦力很小,當卷徑越來越大時,摩擦力就不能支撐膜收卷端面整齊,形成竄卷,不能進入下道工序生產。有時還會產生散卷而使收卷失敗。若收卷時,摩擦系數太大,則又會帶來其他質量問題,如嚴重皺折、斷膜等。

2、熟化后摩擦系數下降

有軟包裝企業反映:原本要求熱封層薄膜的非處理面的摩擦系數應在0.1~0.2間,進廠薄膜的摩擦系數的實測結果可能會大于0.3。若將該種薄膜放入熟化室一段時間后,摩擦系數就能降到0.1~0.2。這就是已加入薄膜中的爽滑劑需要一定的溫度與時間才能完成“外遷”,從而破壞了復合層牢度。故而企業應特別注意高溫蒸煮袋產品和熱封層超60um以上產品復合剝離牢度的變化。

3、摩擦系數對自動包裝、制袋的影響

在實際包裝過程中,摩擦力常常既是拖動力又是阻力,因此必須有效地控制摩擦系數的大小,使它在適當的范圍內。如果摩擦系數過大,如復合膜摩擦系數(動)超過0.3(與鋼材接觸面),那么卷筒膜在一些寬幅較大的制袋或自動包裝機臺上會出現拉不動的情況,制袋產品的摩擦系數(處理面)如果超過0.25,規格較小的袋子就容易出現開口不良的現象。摩擦系數也不是越小越好,如自動包裝用卷筒膜,內層薄膜摩擦系數過小時,有可能引起制袋成品疊料不穩定而產生錯邊混亂,外層摩擦系數太小可能又會引起拖動機構打滑造成電眼跟蹤和切斷定位不準。

薄膜制品熱封層的表面摩擦系數是復合軟包裝非常關注的一項指標。不同用途的包裝材料對摩擦系數有不同的要求。終端企業對卷筒膜包材熱封層的表面摩擦系數也提出越來越嚴格的要求。

目前,在自動包裝機、制袋機使用中,隨著設備的不斷更新,生產速度不斷提高。自動包裝材料的表面摩擦系數(動)的驗收指標基本上都在0.15左右(膜與鋼板的摩擦系數值)。在復合材料的加工過程中,熱封層的表面摩擦系數會隨著氣候及工藝條件的不同而表現出某種程度的變化。如BOPA膜非處理面的摩擦系數,在快速打碼(制袋)時(250個/min以上)要求要小一些(約0.18~0.22)。

一些特殊工藝要求或有針對性產品,對于要求特別低的摩擦系數,則應慎重對待。將膜與金屬的摩擦系數控制在一定范圍內,還應考慮薄膜在使用中的吸潮性,如尼龍膜、玻璃紙在吸潮后(未達飽和狀態)的摩擦系數肯定更高。摩擦系數太小,會發生走料不穩、牽動打滑、錯位,制袋裁切出血或成品規格長短不一等現象。摩擦系數太大,膜與機摩擦力加大,材料拖動困難,會引起走料拉不動,使材料拉伸變形或拉斷,同樣不能生產。

一般越厚的薄膜加入的添加劑越多,出現脫層的現象越嚴重。特別是60um厚度以上的PE膜,生產中加入的添加劑量多, 出現脫層的機會也增大, 這是因為在同等的表面積下,隨著薄膜厚度的增加,其內部所含添加劑的量也相應增加。添加劑含量超過一定量后,就會影響到復合膜的牢度。所以生產水煮、蒸煮產品時要特別注意熱封層材料所含添加劑量的多少,一般選擇少加或不加添加劑的薄膜。

此外,像PET、BOPA薄膜添加劑量太多也會使膜表面的粗糙度增加,也會形成顆粒狀麻點而影響表面光澤度和印刷效果。特別是用二氧化硅為抗粘結劑更會產生此類現象, 同時還會使膜的霧度加大, 因此要提高膜的透明度就必須盡量減少二氧化硅的含量,內層材料的防粘劑和滑爽劑的添加量以及薄膜的挺度、平滑度、光潔度等因素都會影響復合膜摩擦系數。一般情況下,復合膜摩擦系數不隱定與所添加滑爽劑的類型、添加量、遷移量、遷移方向、貯存使用的溫濕度等有關。

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圖1? 不同含量添加劑及摩擦系數和霧度趨勢

四、摩擦系數變化對質量影響的實例分析

1、PA//PE,復合膜剝離強度差

有的軟包裝企業在復合PA//PE后,發現剝離強度較差,將其剝開后,在PE膜上可看到一層白色的“霜”樣物質,且可用手將其擦除。將該復合薄膜重新放入熟化室或80℃的電熱箱中一段時間,取出后馬上進行剝離強度的檢查,則剝離強度值會有明顯提高,而且PE膜上也看不到原有的白色“霜”樣物質;但將該復合薄膜在室溫條件下放置二天后,其剝離強度又會隨著時間的延長而逐漸降低。

這是因為一段時間后,PE膜滑爽劑會逐漸遷移至PE膜的表面,形成一層很薄的致密層,這層致密層阻隔了粘合劑與PE膜表面的結合,在PA膜//膠粘劑與PE界面層之間導致粘合劑無法與PE分子接觸,造成復合初粘力明顯降低。即使隨著固化時間加長,復合強度始終很低。這個問題表明對于有特殊要求必須使用高滑爽劑的PE膜,一般情況下不宜放置時間太久。如果由于某種原因造成了PE膜的超期使用,在復合前最好小試或將PE膜置于60~70℃的溫度下8h以上,此時的滑爽劑將部分失效,再去復合,會減少復合強度低的問題。

2、爽滑劑膜間轉移對復合牢度的影響

PA膜的內表面是通過粘合劑的作用與PE膜的復合面粘接在一起的,PA膜的外表面則是在收卷張力的作用下與PE膜的熱封面緊緊地“靠”在一起。

因此,遷移到熱封層表面的爽滑劑就可能向PA薄膜表面及其內部發生遷移。遷移到PE膜復合面的爽滑劑一方面會導致剝離強度的下降,另一方面會導致PE膜熱封面有效爽滑劑數量減少,進而導致熱封面摩擦系數上升;遷移到PA薄膜表面及其內部的爽滑劑一方面會導致PE膜熱封面上有效爽滑劑數量減少,進而導致PE膜熱封面的摩擦系數上升,另一方面會使得PA薄膜外表面的摩擦系數下降。

3、摩擦系數在無溶劑復合中對BOPA膜的影響

不同的無溶劑粘合劑的種類和成分各不相同,復合膜的摩擦系數也有較大區別。在進行無溶劑復合時,需要根據摩擦系數的具體要求,選擇合適的無溶劑粘合劑。

上膠量的增大不但會引起摩擦系數增大,也容易產生其他不利影響:復合膜復合之后其摩擦系數會上升大約0.1~0.2,主要由于粘合劑吸收爽滑劑及生產中磨損或消耗掉一部分爽滑劑。因此,在生產中,上膠量的控制也是非常重要的,每平方米增加一克上膠量,摩擦系數大約上升0.025。

上膠量也不能過小,無溶劑復合如果上膠量小,易造成膠水涂布不均、白點、強度偏低等質量問題,特別是白色油墨處,易出現白點、氣泡問題。

無溶劑復合粘合劑種類不同,其成分也不同。隨著熟化溫度的提高,摩擦系數上升的程度也不同。比如主流的聚酯為主的成分和聚醚為主的成分是主要影響摩擦系數的原因,在其他條件一致的情況下,熟化溫度提高,復合膜的摩擦系數有明顯差別,這是因為,一方面,隨著溫度提高,粘合劑吸附爽滑劑的反應更快,使爽滑劑部分失去作用;另一方面,一些低熔點的爽滑劑在溫度提高時出現粘連,自身失去作用。同樣,熟化時間延長,摩擦系數隨著提高。在無溶劑復合中,一般推薦熟化溫度不超過40℃。一般來說,PE膜的摩擦系數規定大約為:對于制袋產品摩擦系數要求:0.1~0.15;對于卷筒半成品摩擦系數要求:0.2左右。因此,原料薄膜如PE、CPP等摩擦系數的大小直接影響復合膜的摩擦系數,只能從源頭上控制,才能保證最終產品有合適的摩擦系數。這樣,在無溶劑復合中,對于含有BOPA//PE、BOPET//CPP組合的產品復合后才有質量保障。

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