电晕处理对聚乙烯薄膜热封性能的影响

2014-10-25王敏

上海塑料 2014年1期

王敏

（江阴宝柏包装有限公司，江苏无锡214433）

0 前言

热封性能对于包装，特别软包装是一项重要性能。良好的热封性能对于包装的整体结构，包装物的保存和存储周期都是至关重要的。聚乙烯薄膜具有良好的热封性能，还具有价廉、易加工等特点，广泛用于包装材料的热封层。聚乙烯薄膜属于非极性材料，在进行复合、印刷工序前必须进行电晕处理，才能增加与胶黏剂和油墨的附着力。通常经电晕处理的表面不参与热封，但一些表面印刷的产品，其印刷面（电晕面）在后期加工中可能作为热封面，如卫生巾、纸尿裤等个人护理用品制袋工艺，牙膏片材的制管工艺等。作者就电晕处理对聚乙烯薄膜热封性能的影响进行讨论。

1 试验部分

1.1 原料

LDPE 2420H，扬子石化-巴斯夫有限公司；

LLDPE 1002YB，陶氏化学有限公司；

mLLDPE 1881G，埃克森美孚化工有限公司；

HDPE F920A，三星道达尔石化有限公司。

1.2 仪器与设备

三层共挤出吹膜机组241-14D-34，加拿大宾顿公司；电晕处理装置CW3008，南通三信塑胶装备科技有限公司；万能拉力仪 AGS-1KN，Shimadzu Corporation；五点热封仪GBB-F，广州标际包装设备有限公司。

1.3 试样制备

试样Ⅰ LLDPE-67%，LDPE-33%，表示质量分数分别为66.7%的LLDPE，33%的LDPE（下同），薄膜厚度45μm

试样Ⅱ mLLDPE-30%，LLDPE-30%，LDPE-40%，薄膜厚度45μm

试样 Ⅲ HDPE-40%，LDPE-40%，LLDPE-20%，薄膜厚度40μm

若无特殊说明，试验中薄膜的电晕强度均为40mN／m。

1.4 热封试验方法

热封试验参照QB／T2358—1998进行。

2 结果与讨论

从宏观上看，两个热封层表面相互接触时，加热棒提供足够的热量以融合热封层表面，被熔化的热封内层表面变为黏流态。在一定的压力和时间条件下，两熔融流体完全汇合，界面嵌合达到了较高的强度，最后冷却使得薄膜内部重新结晶。一般薄膜热封层融化的表面分子会相互缠绕进而变为较厚的单层。该过程所需时间一般小于1s，但仍然受温度、时间、压力等条件的影响。

从微观上看，当两种相容的高聚物相互紧密接触时，由于分子的布朗运动和链段的摆动而产生了相互的扩散。这种扩散是在高聚物-高聚物的界面层进行的。温度对高分子的热运动有两方面的作用：一种作用是温度升高使运动单元活化；另一种作用是温度升高使聚合物发生体积膨胀，加大了分子间的自由空间。它是各种运动单元发生运动所必须的。这两种运动都使分子链运动加强，有利于热封层界面的分子相互扩散彼此缠结在一起，形成良好的热封效果［1］。

聚乙烯是一种非极性材料，表面张力小，不能很好地吸附油墨和黏结剂，在进行印刷和复合时，电晕强度达到38mN／m以上才能产生良好的油墨附着力和复合强度，所以在这些工序前必须对聚乙烯薄膜进行电晕处理。

电晕处理的原理是，在电极上施加高频电压，使电极相邻的薄膜处理面的空气电离放电，气体电离的高能粒子在强电场的作用下快速冲击运行中的薄膜，使表层分子链的化学键断裂而降解。放电过程中伴随臭氧的生成，它可以使薄膜表面分子氧化，并产生极性［2］。

电晕处理对聚乙烯薄膜表面产生一系列物理和化学变化：

（1）在薄膜表面形成许多凹凸不平层面，使表面粗化。

（2）自由基和高速电子作用于薄膜表面，使表面层分子部分断键，引起自由基加速反应。

（3）氧的自由基对C—C键进行氧化，生成羰基（--- CO）、羟基（—OH）、羧基（—COOH）等极性基团。

（4）电晕层表面分子形成交联。

熔点的热力学定义［3］见式（1）：

式中：Tm为聚合物的熔点；ΔH为熔融焓。分子或链段离开晶格吸收的能量与分子间作用力有关。分子间作用力越大，熔融焓越大。ΔS为熔融熵。熔融前后分子混乱程度的变化与分子链柔顺性有关。分子链柔顺性越大，熔融熵越大。

电晕后分子间引入极性基团，导致分子间作用力增强，相当于热融焓增加；电晕后产生交联使得分子链柔顺性变差，相当于热熔熵减小。这两点都会使电晕后薄膜的熔点升高。

电晕处理对热封性能的影响主要基于两点：

（1）氧化导致薄膜电晕层部分分子产生极性基团，从而使熔点升高，热封温度上升；

（2）电晕处理中伴随着分子断裂导致交联，使热封层界面分子的相互扩散能力降低，毗邻分子不能很好地缠绕在一起，使热封强度降低。

图1为电晕处理对试样Ⅰ热封性能的影响。

图1 电晕处理对试样Ⅰ热封性能的影响

从试验结果可以看出：

（1）电晕处理后的薄膜热封温度升高。同样达到8～9N／15mm的热封强度，经电晕处理的薄膜比未经电晕处理的薄膜的热封温度升高15℃。

（2）电晕处理后的薄膜热封强度降低。在140℃热封温度下，经电晕处理的薄膜的热封强度比未经电晕处理的薄膜的低4N／15mm左右。

（3）未经电晕处理的薄膜在125℃时呈断裂破坏；经电晕处理的薄膜在145℃时呈剥离性破坏。

上述现象说明：经电晕处理后，薄膜表面氧化，部分分子链产生极性基团，使热封面熔点升高；而交联的产生使热封层界面分子不能很好地相互扩散融合在一起，导致产生剥离性破坏，热封强度下降。

2.1 电晕功率的影响

电晕功率直接影响电晕强度，也会对薄膜的热封性能产生影响。表1是电晕功率与电晕强度的关系。

表1 电晕功率与电晕强度的关系

图2是电晕强度对试样Ⅰ热封性能的影响。从试验结果可见：电晕功率大，薄膜的电晕强度大，对薄膜热封性能的影响也会增大。

图2 电晕强度对试样Ⅰ热封性能的影响

在本试验范围内，相同的热封温度下，电晕强度增大，热封强度降低。在热封温度达到一定值（140℃）时，热封强度趋于一致。一旦经过电晕处理的薄膜，电晕强度都会受到影响，而且热封试验都呈剥离性破坏，即使电晕强度只有36mN／m的薄膜也是如此。电晕处理小的薄膜在较低温度下就可以达到平衡热封强度。如要达到8～9N／15 mm的热封强度，电晕强度36mN／m的薄膜的热封温度比电晕强度40mN／m的薄膜的热封温度低10℃左右。

2.2 热封压力和时间的影响

塑料薄膜的厚度、热封温度、热封时间、热封压力等对热封强度都有一定的影响，其中热封温度的影响最为显著，其次是热封时间；薄膜的厚度和热封压力的影响不明显［4］。

图3是在热封温度125℃、热封时间0.5s的条件下，热封压力对试样Ⅰ的热封强度的影响。由图3可见：热封压力的升高对热封强度的影响很小。

图3 热封压力对试样Ⅰ热封强度的影响

图4是在热封温度125℃、热封压力0.2MPa条件下，热封时间对试样Ⅰ的热封强度的影响。由图4可见：热封时间对热封强度有较大的影响。当热封时间达到1.0s时，热封强度呈明显的升高。在聚合物熔点以上，热封时间的延长，相当于热封温度的升高，使得热封界面分子有充分的时间熔融和扩散，热封强度升高。与升高热封温度相同，延长热封时间对电晕面的热封效果还是呈现剥离性破坏。

图4 热封时间对试样Ⅰ热封强度的影响

2.3 原料的影响

电晕处理对PE薄膜的影响与薄膜的分子结构有关。聚合物氧化容易在分子结构的薄弱环节，如支链、双键处发生。分子链中支链越多，越容易被氧化，对热封性能的影响也越大。另外，与聚合物的结晶度也有关系。电晕处理时电子冲击对非晶区的破坏程度比晶区的破坏程度大，所以结晶度高的聚合物受电晕处理的影响比结晶度低的聚合物的小。

图5是试样Ⅰ和试样Ⅱ经电晕处理后热封性能的比较。试样Ⅰ无mLLDPE组分，试样Ⅱ含mLLDPE组分。通常热封温度与热封层原料的熔点有关。熔点越低，要达到一定热封强度的热封温度就越低。茂金属催化剂具有单一活性中心，相对分子质量分布窄，共聚单体均匀，故晶层薄而且均匀，熔融快。熔点越低，达到稳定热封合所需传递热量越少，热封温度就越低。由于mLLDPE组成分布均匀，结晶时形成的晶粒尺寸相对较小，热封时熔融较快，界面易润湿，分子链段的扩散与缠结能力较强［5-6］。所以采用密度较低的mLLDPE原料具有更好的热封性能。由图5可见：虽然试样Ⅰ和试样Ⅱ的热封性能都受到电晕处理的影响，但由于试样Ⅱ含有mLLDPE，具有较低的热封温度，在较低的温度下就能达到较高的热封强度。所以解决PE薄膜电晕处理后热封温度升高的问题，可以适当添加mLLDPE。

图5 mLLDPE对热封性能的影响

图6是试样Ⅲ添加了HDPE后的薄膜电晕处理前后的热封性能的比较。较之LDPE和LLDPE，HDPE的支链少，结晶度高。由图6可见：经电晕处理后的薄膜热封性能还是受到影响，但热封温度的影响在10℃左右，热封强度仍能保持在较高水平。但是添加HDPE后，薄膜的透明度和柔软性会受到影响。这在材料选择中必须予以考虑。