包裝薄膜的爽滑劑和抗粘連劑摩擦控制的研究進(jìn)展
包裝薄膜的爽滑劑和抗粘連劑摩擦控制的研究進(jìn)展
爽滑劑摩擦控制
爽滑劑可以通過(guò)減少薄膜之間、薄膜與設(shè)備之間的摩擦而使得加工和下游包裝操作變得方便易行。爽滑劑的性能是通過(guò)靜態(tài)或動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)（static or kinetic Coefficient of Friction，COF）來(lái)測(cè)定的。COF是一個(gè)無(wú)量綱數(shù)，它代表了相互接觸的兩表面之間的滑行抵抗力，其值等于加在其中一表面上促使兩表面之間滑動(dòng)所需力的*小值除以垂直作用于接觸面上的力。
COF=促使兩表面之間滑動(dòng)所需力的*小值/垂直作用于接觸面上的力
ASTM D 1894-73是用來(lái)測(cè)定塑料薄膜間摩擦系數(shù)COF的一種標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。通常來(lái)講，當(dāng)摩擦系數(shù)大于0.50時(shí)，可以認(rèn)為是防滑表面；當(dāng)摩擦系數(shù)小于0.20時(shí)，則認(rèn)為是可以用于輾軋的高滑表面。
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爽滑劑的種類很多，包括傳統(tǒng)的氨類爽滑劑以及新近的專業(yè)化無(wú)遷移型爽滑劑。在碾壓完成前后，專業(yè)化無(wú)遷移型爽滑劑可以達(dá)到在更高的溫度下，具有更好的可靠性以及穩(wěn)定的COF值的要求。爽滑劑可以作為適用于不同的擴(kuò)散速率、終端使用溫度、以及不同的基體樹(shù)脂的母粒配方，并且可以添加到不同的印刷油墨中。
傳統(tǒng)類型的爽滑劑是基于脂肪酸氨基化合物（伯酰胺、仲酰胺、雙酰胺）合成的。由于這些材料在聚合物中并不是可以完全溶解的，因而它們會(huì)向薄膜的表層遷移并且包覆在表面從而會(huì)降低表面的摩擦力。在選擇氨類爽滑劑時(shí)，所要考慮的重要因素就是爽滑劑在降低摩擦系數(shù)COF方面的效果，溫度穩(wěn)定性以及遷移速率。氨基化合物的選擇、基體聚合物、爽滑劑濃度以及使用溫度都會(huì)影響到遷移速率。而由于越來(lái)越多的聚合物都在更高的溫度下進(jìn)行加工，所以爽滑劑的耐熱氧化穩(wěn)定性能也成為了日益重要的一個(gè)因素。爽滑劑的氧化降解行為可以導(dǎo)致爽滑劑的性能損失、變色、變臭等。而具有較高熱穩(wěn)定性的氨類化合物也比較不容易揮發(fā)，并且即使在提高了的加工溫度下也可以繼續(xù)保留在聚合物中。
伯酰胺類爽滑劑：應(yīng)用的*為廣泛的是油酸酰胺以及芥酸酰胺不飽和伯酰胺類爽滑劑。這類爽滑劑具有相對(duì)較小的分子量，可以迅速的遷移至聚合物表面，當(dāng)添加率較低時(shí)具有較低的摩擦系數(shù)COF值，而且這類爽滑劑的價(jià)格相對(duì)來(lái)說(shuō)也較為便宜。芥酸酰胺是從非動(dòng)物油脂中提煉出來(lái)的，與油酸酰胺相比具有較好的熱穩(wěn)定性。而由于其具有更高的熔點(diǎn)、更高的耐熱性能以及可以在更高的加工溫度下進(jìn)行加工的重要性質(zhì)，芥酸酰胺正在逐漸取代油酸酰胺，而有著更為廣泛的應(yīng)用。
仲酰胺類及雙酰胺類爽滑劑：與伯酰胺類爽滑劑相比，這些具有較大分子量的氨類化合物有著較低的遷移速率，從而使得COF值較為容易控制，并且這類爽滑劑有可能應(yīng)用到多層薄膜結(jié)構(gòu)中以限制層間的滑移效應(yīng)到一層當(dāng)中。例如，類似于油基棕櫚酰胺(十八碳-9-烯基十六烷酸酰胺)以及硬脂酸芥酸酰胺這樣的仲酰胺類爽滑劑，會(huì)在聚丙烯類共聚物表層發(fā)生遷移，但是不會(huì)在聚丙烯類均聚物的核心層發(fā)生遷移。與伯酰胺類爽滑劑相比，仲酰胺類爽滑劑以及雙酰胺類爽滑劑同樣具有較低的揮發(fā)性能以及更好的熱穩(wěn)定性。這就使得仲酰胺類爽滑劑以及雙酰胺類爽滑劑在工程塑料方面以及在較高溫度條件下進(jìn)行膜澆鑄的過(guò)程中更為有用。而在印刷以及密封這樣的二級(jí)操作中，仲酰胺類爽滑劑以及雙酰胺類爽滑劑產(chǎn)生的影響通常也小于伯酰胺類爽滑劑。
氨類爽滑劑的性能受諸多因素影響：
· 爽滑劑濃度：對(duì)于給定的爽滑劑，擴(kuò)散速度隨著爽滑劑在聚合物中濃度的增大而增大 。
· 樹(shù)脂類型：爽滑劑在結(jié)晶型樹(shù)脂中具有較低的遷移速率。例如，在高密度聚乙烯（HSPE）以及聚丙烯（PP）中的爽滑劑遷移速率要低于在低密度聚乙烯（LDPE）中的相應(yīng)值。類似于EVA（乙烯乙基丙烯酸酯）的極性樹(shù)脂則會(huì)與爽滑劑的官能團(tuán)發(fā)生相互反應(yīng)從而降低它的遷移速率。類似于metalloceneLLDPE（茂金屬線型低密度聚乙烯）這類的高度無(wú)定形類聚合物以及粘結(jié)型聚合物，要想達(dá)到與低粘結(jié)性和具有較少的無(wú)定形結(jié)構(gòu)的聚合物相同的摩擦系數(shù)COF值，需要施加更高的滑移負(fù)荷。
· 其他添加劑：由于抗靜電劑、防霧劑以及其他的添加劑都可以遷移到薄膜的表面，因而它們會(huì)在向表面位置擴(kuò)散的過(guò)程中與爽滑劑形成競(jìng)爭(zhēng)。
· 下游加工過(guò)程：受聚合物的氧化性的影響，印刷之前的電暈處理工藝會(huì)在增加薄膜表面的極性的同時(shí)燒掉表面的爽滑劑，從而使得薄膜表面形成了爽滑劑的濃度梯度。而爽滑劑濃度梯度的形成則會(huì)使得爽滑劑向已經(jīng)處理過(guò)的一側(cè)遷移，而這則有可能在印刷過(guò)程引起并發(fā)問(wèn)題。
· 卷繞張力：爽滑劑從緊繞型薄膜一側(cè)向具有較低卷繞張力的一側(cè)以遞減的速率發(fā)生遷移。
· 薄膜厚度：在加厚型薄膜中，爽滑劑需要較長(zhǎng)的時(shí)間變得均衡，而與較厚的薄膜相比，在較薄的薄膜中需要加入更高比例的爽滑劑才可以達(dá)到與厚膜相同的COF水平。
在對(duì)包括爽滑劑在內(nèi)的任意一種添加劑進(jìn)行評(píng)估時(shí)，都需要從整體考慮配方，從而更好的去了解可能潛在的相互反應(yīng)以使添加劑水平可以達(dá)到*優(yōu)化。氨類爽滑劑的性能同樣也會(huì)受到層壓粘合等下游操作的影響。這些下游操作可以改變薄膜的極性，并且使得爽滑劑從薄膜表面流失。不論是爽滑劑與其他物質(zhì)之間發(fā)生了不可預(yù)期的相互作用，還是爽滑劑的配方量過(guò)大，過(guò)多的爽滑劑都會(huì)導(dǎo)致其在導(dǎo)輥和拉緊裝置上發(fā)生粉狀殘留，也會(huì)引發(fā)印刷問(wèn)題或者潮濕粘連的問(wèn)題。所謂潮濕粘連是指過(guò)量的爽滑劑會(huì)導(dǎo)致薄膜表面過(guò)分光滑，而使得層與層之間發(fā)生融合現(xiàn)象。
硅氧烷等無(wú)遷移型爽滑劑具有非常高的分子量，它們的分子量是伯酰胺類爽滑劑和仲酰胺類爽滑劑的30倍到50倍。由于這類爽滑劑的分子量較大，無(wú)法在聚合物基體中擴(kuò)散，因而這類爽滑劑摩擦系數(shù)COF值的降低是通過(guò)在聚合物擠出過(guò)程中，爽滑劑到達(dá)樹(shù)脂表面完成的。這類爽滑劑材料在一些專業(yè)領(lǐng)域中有所應(yīng)用。這類爽滑劑可以迅速還原COF值，而不會(huì)受到高貯藏溫度或者高使用溫度的影響。正因?yàn)槭褂迷擃愃瑒┑谋∧ぴ跀D出之后，其COF值的變化*小，因而爽滑劑只需加入多層薄膜的表層中，從而降低了相應(yīng)的成本。
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所謂粘結(jié)，是指鄰接的薄膜層之間的粘合現(xiàn)象。當(dāng)薄膜在受熱、受壓的情況下都會(huì)發(fā)生粘結(jié)，而在薄膜的加工、使用以及貯藏的過(guò)程中也有可能產(chǎn)生粘結(jié)的情況。當(dāng)這類爽滑劑用于膠卷展開(kāi)、作為薄板層疊、以及用于打開(kāi)塑料袋時(shí)，都有可能產(chǎn)生粘結(jié)的問(wèn)題。對(duì)于PE（聚乙烯）、PP（聚丙烯）以及其他類型的薄膜，薄膜層之間都會(huì)產(chǎn)生這樣的情況，而生產(chǎn)商在遇到這類問(wèn)題時(shí)，都會(huì)向其中加入無(wú)機(jī)或者有機(jī)類的抗粘結(jié)劑。
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粘結(jié)測(cè)試可以用從輥上*新取下的薄膜，通過(guò)Induced Reblock" test ASTMD3354測(cè)試方法獲得重復(fù)性結(jié)果。具體測(cè)試的方法是：首先將已經(jīng)分離了的薄膜重新放在一起，將其貯藏在特定溫度（40℃or 60℃）和溫和壓力（6.9kPa）的環(huán)境中24小時(shí)，然后進(jìn)行測(cè)試。
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無(wú)機(jī)礦物抗粘結(jié)劑以微粒的形式分散在薄膜中，使薄膜表面變得粗糙，微觀水平上避免了相鄰薄膜層間的相互粘結(jié)。包括云母和硅石在內(nèi)的無(wú)機(jī)類抗粘結(jié)劑在實(shí)際生活中有著非常廣泛的應(yīng)用。它們的缺點(diǎn)之一是會(huì)降低薄膜的透明度。而包括氨類、硬脂酸鹽、硅樹(shù)脂以及聚四氟乙烯（PTFE）在內(nèi)的有機(jī)類抗粘結(jié)劑在一些**領(lǐng)域中有著特殊的應(yīng)用。
I相對(duì)而言，無(wú)機(jī)類抗粘連劑價(jià)格便宜并且在大量生產(chǎn)以及日用品方面有著*廣泛的應(yīng)用。云母是一種*為廣泛使用的無(wú)機(jī)類抗粘結(jié)劑，占據(jù)了全球40%的市場(chǎng)份額；硅藻土則是一種天然的硅土礦物質(zhì)，占據(jù)了全球25%的市場(chǎng)份額；人造硅石以及高嶺土、鈣的碳酸鹽之類的其他礦物質(zhì)占據(jù)了另外25%的市場(chǎng)份額；另外10%的市場(chǎng)份額則由云母所占據(jù)。
在使用無(wú)機(jī)類抗粘結(jié)劑時(shí)需要考慮的變量主要有微粒尺寸、形狀、分散型以及薄膜的規(guī)格。其他的重要因素是：硬度、折射指數(shù)（RI）以及密度。硬度會(huì)對(duì)機(jī)械的磨損程度產(chǎn)生影響，而無(wú)機(jī)微粒與聚合物之間折射率（RI）的不同則會(huì)通過(guò)抗粘結(jié)劑影響到材料的透明程度。微粒尺寸同樣會(huì)對(duì)薄膜強(qiáng)度產(chǎn)生影響。而鐵含量也是一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的因素，因?yàn)殍F含量會(huì)使很多有機(jī)添加劑發(fā)生分解降級(jí)反應(yīng)。
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云母的性能價(jià)格比通常是*低的，而硅藻土則可以使得無(wú)機(jī)物的使用量*小，并且使得其對(duì)薄膜光學(xué)性能的影響*小。傳統(tǒng)的礦物質(zhì)類抗粘結(jié)劑微粒在形狀和尺寸上通常都是不規(guī)則的，從而導(dǎo)致較差的薄膜光學(xué)性能。而薄膜的透明度則受折射指數(shù)RI、微粒尺寸的分布以及裝填水平的影響。當(dāng)抗粘結(jié)劑的折射指數(shù)RI與樹(shù)脂的折射指數(shù)RI相匹配是，可以得到較高的薄膜透明度。無(wú)機(jī)類抗粘結(jié)劑的微粒尺寸越大，相應(yīng)的薄膜耐粘結(jié)性越高，但是與此同時(shí)，微粒尺寸越小，薄膜的透明度越好。控制好微粒尺寸的分布并且盡量使微粒尺寸*大化對(duì)于平衡薄膜的光學(xué)性能和抗粘結(jié)性能是很有用的。
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有機(jī)類抗粘連劑是具有天然可遷移性的，而且人們普遍認(rèn)為有機(jī)類抗粘連劑可以在薄膜表層結(jié)晶從而阻礙薄膜相鄰層與層之間發(fā)生粘結(jié)。在通常情況下，這類材料的成本是高于無(wú)機(jī)類抗粘結(jié)劑的，因此主要應(yīng)用于一些高價(jià)值領(lǐng)域中。通常使用的有機(jī)類抗粘連劑包括：氨類化合物、有機(jī)硬脂酸鹽、金屬硬脂酸族類化合物以及硅樹(shù)脂、聚四氟乙烯（PTFE）等材料。
在對(duì)薄膜透明度要求較高的領(lǐng)域，可以只使用有機(jī)氨類抗粘連劑來(lái)達(dá)到要求，但是更常見(jiàn)的是，加入有機(jī)類抗粘連劑來(lái)提高無(wú)機(jī)類抗粘連劑的抗粘連水平。在抗粘連性和爽滑性產(chǎn)生作用之前，氨類抗粘連劑需要一定的時(shí)間以遷移到薄膜表層。在類似于EVA（乙烯乙基丙烯酸酯）這樣的軟性高分子材料中，氨類抗粘連劑比無(wú)機(jī)類抗粘連劑微粒更為有效，因而也得到了*好的應(yīng)用。在眾多的氨類物質(zhì)中，硬脂酸酰胺以及behan酰胺的抗粘連性能*為有效。behan酰胺有效應(yīng)用于雙軸取向的聚丙烯薄膜中，從而在保持材料透明度的同時(shí)提供良好的爽滑性和抗粘連性。
爽滑劑和抗粘連劑*常使用在聚烯烴類化合物中，并且也應(yīng)用在PP（聚丙烯）、PVC（聚氯乙烯）、PS（聚苯乙烯）、PA（聚酰胺）、PET（聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯）等聚合物中。而PP（聚丙烯）、PVC（聚氯乙烯）、PS（聚苯乙烯）、PA（聚酰亞胺）、PET（聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯）則通常以單層薄膜或者復(fù)合薄膜的形式用于塑料包裝袋和其他包裝領(lǐng)域。在許多應(yīng)用中都要求這些添加劑可以與食品直接或間接接觸。爽滑劑和抗粘連劑可以直接由樹(shù)脂生產(chǎn)商添加到薄膜中，然而更普遍的是由加工者以母粒的方式加入。
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