电晕对BOPP薄膜表面化学组成和表面张力的影响研究

2022-06-27方文彬

合成材料老化与应用 2022年3期

方文彬

（贵州金田新材料科技有限公司,贵州黔南 550600）

聚丙烯（PP）作为热塑性树脂,是五种常用合成树脂之一[1],用其生产的BOPP薄膜具有优异的机械性能、耐化学腐蚀、耐温性好、价格低廉等特点,已成为应用最广泛的包装材料,被誉为“包装皇后”[2-3]。但是,BOPP薄膜化学结构中不含活性基团,且结晶度高、表面能低,导致难以润湿和粘合[4-6],极大地限制了BOPP薄膜在油墨、粘合剂、复合材料、热封、涂层等领域的应用。因此,通过二次处理提高BOPP薄膜的润湿性和附着力是一条重要途径[6-7]。众所周知,电晕是一种广泛应用的高分子材料表面预处理方法,由于具有时间短、速度快、操作简单、易于控制等优点[8-9]已成为处理BOPP薄膜的常用技术。然而,电晕效应薄膜不稳定,BOPP薄膜电晕放电处理的理论反应至今尚未得到详细证实。因此,了解BOPP薄膜电晕处理过程中的化学成分和表面张力变化对于各种下游应用至关重要。因此,本文利用ATR-FTIR、XPS和表面张力仪对电晕处理的BOPP薄膜表面的化学组成和表面张力进行了研究。

1 实验部分

1.1 BOPP薄膜的电晕放电处理

本研究使用的双向拉伸聚丙烯薄膜原膜由公司的法国CELLER生产线制备,平均厚度30μm,熔点165℃。在一定预热温度下,原膜经过电晕处理器以70～100 kW的功率处理后即可制得成品BOPP薄膜。

1.2 性能测试方法

BOPP原膜和电晕BOPP薄膜的表面化学成分分析采用XPS光谱仪（Kratos AXIS 165）检测,测试条件为： X射线源为Al Kα（1486.58eV）,功率150W,电子发射垂直于样品表面。先采用160eV进行宽范围扫描,再利用20eV进行高分辨率测量,最后用Casa XPS软件采集和处理数据。BOPP薄膜的表面化学结构采用 ATRFITR表征,在4000～600 cm-1范围内以4cm-1的分辨率进行32次扫描。BOPP薄膜的表面张力采用德国Kruss公司的表面张力仪测试获得。

2 结果与讨论

2.1 电晕对BOPP薄膜表面化学结构的影响

为了研究原膜在电晕处理之后表面化学成分的变化,采用XPS分别对BOPP原膜和电晕薄膜表面进行了检测,得到ATR-FITR谱图,如图1所示,从图1可以看出,BOPP原膜和电晕薄膜的曲线大体相似,但是电晕薄膜曲线上出现了一些新的吸收峰。原膜曲线上2956cm-1和2870cm-1处的特征峰代表了-CH3的对称和非对称伸缩振动,2925cm-1和2845cm-1特征峰显示了-CH2-的对称和非对称伸缩振动,而1460cm-1和1319cm-1处的特征峰则分别代表了-CH3和-CH2-的弯曲振动[10]。此外,在800～1200cm-1范围内的较弱吸收峰是-CH2-特征峰[11]。与原膜曲线相比,电晕薄膜曲线的主要变化发生在1500～1850 cm-1和3100～3650 cm-1两个区域,分别对应于羰基、羟基和氨基的拉伸。同时,还在1100～1300 cm-1处形成了新的酯基（C=O）吸收峰,在1350cm-1处发现了硝基（-NO2）吸收峰[12]。这是由于电晕过程中,BOPP膜表面甲基和亚甲基等化学键断裂,形成自由基,与空气中的氮、氧和臭氧发生化学反应并生成羰基、羟基、酯、羧酸、硝基和氨基等极性官能团。

图1 BOPP原膜和电晕膜的ATR-FTIR光谱图Fig.1 ATR-FTIR spectra of pristine BOPP film compared with that of corona BOPP film

2.2 电晕功率对BOPP薄膜表面元素组成的影响

由2.1分析可知,电晕改变了BOPP薄膜表面的化学结构,但是改变的程度却无从知晓。为了定量描述BOPP薄膜表面化学成分的变化,采用Casa XPS软件对 BOPP薄膜表面的XPS数据进行处理,得到元素含量,结果如图2所示。

图2 BOPP原膜和电晕膜的元素组成Fig.2 The element composition of pristine BOPP film and corona BOPP film

观察图2可知,BOPP原膜表面的C元素超过了90%,并含有少量的O和N。主要成分C来自于聚丙烯分子,而O和N则是由空气中的氮气和氧气吸附在BOPP原膜表面所带来的。相比于BOPP原膜,电晕膜的C含量显著下降,O含量大幅增加,N含量轻微下降。BOPP电晕薄膜的N含量比原膜低是因为电晕高压去除了薄膜上的N2分子,剩余的N元素是由空气中的氮分子在薄膜表面发生化学反应形成的。研究不同电晕功率处理的BOPP薄膜可以发现,随着电晕功率的的增加,O和N含量增加,C含量下降。由表面化学结构分析可知,电晕放电导致BOPP膜表面甲基和亚甲基等化学键断裂形成自由基,C元素被氧化生成羰基、酯、羧酸等极性官能团,附着在表面的N元素与O、H反应生成硝基和氨基。显然,随着电晕功率的增加,提供给化学反应的能量就越多,反应更彻底,所以O和N含量增加,C含量下降。

2.3 电晕功率对BOPP薄膜表面张力的影响

电晕功率的变化引起了BOPP薄膜表面化学组成的变化,会进一步导致BOPP薄膜表面张力的改变。为了考察电晕功率对BOPP薄膜表面张力的具体影响规律,测试了在47℃预热温度条件下用不同电晕功率制备的BOPP薄膜刚下线时的表面张力,结果见表1。

表1 不同电晕功率制备的BOPP薄膜表面张力Table 1 Surface tension of BOPP films prepared by different corona power

由表1可知,在70～100 kW范围内,随着电晕功率增大,BOPP薄膜表面张力越大。这是因为电晕功率增大,BOPP薄膜表面越粗糙,极性官能团越多。根据润湿扩散理论,粗糙表面可以增加接触面积,有利于液体的润湿；极性官能团越多,表面极性越好,也能让BOPP薄膜获得更好的润湿性。因此,在一定范围内,BOPP薄膜表面张力随着电晕功率增大而增大。

2.4 电晕预热温度对BOPP薄膜表面张力的影响

电晕处理效果不仅和电晕功率有关,还与预热温度有关。当电晕功率为100kW时,不同预热温度下制备的BOPP薄膜表面张力如图3所示。由图3可知,随着预热温度的升高,BOPP薄膜的表面张力增大。这可能由于BOPP原膜经过预热之后,在相同的电晕功率下,被处理得更深更粗糙,有利于BOPP薄膜表面的润湿,导致表面张力的增大。