電暈處理對(duì)聚乙烯薄膜熱封性能的影響

王 敏

（江陰寶柏包裝有限公司，江蘇 無錫214433）

0 前言

熱封性能對(duì)于包裝，特別軟包裝是一項(xiàng)重要性能。良好的熱封性能對(duì)于包裝的整體結(jié)構(gòu)，包裝物的保存和存儲(chǔ)周期都是至關(guān)重要的。聚乙烯薄膜具有良好的熱封性能，還具有價(jià)廉、易加工等特點(diǎn)，廣泛用于包裝材料的熱封層。聚乙烯薄膜屬于非極性材料，在進(jìn)行復(fù)合、印刷工序前必須進(jìn)行電暈處理，才能增加與膠黏劑和油墨的附著力。通常經(jīng)電暈處理的表面不參與熱封，但一些表面印刷的產(chǎn)品，其印刷面（電暈面）在后期加工中可能作為熱封面，如衛(wèi)生巾、紙尿褲等個(gè)人護(hù)理用品制袋工藝，牙膏片材的制管工藝等。作者就電暈處理對(duì)聚乙烯薄膜熱封性能的影響進(jìn)行討論。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料

LDPE 2420H，揚(yáng)子石化-巴斯夫有限公司；

LLDPE 1002YB，陶氏化學(xué)有限公司；

mLLDPE 1881G，?？松梨诨び邢薰?；

HDPE F920A，三星道達(dá)爾石化有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

三層共擠出吹膜機(jī)組241-14D-34，加拿大賓頓公司；電暈處理裝置CW3008，南通三信塑膠裝備科技有限公司；萬(wàn)能拉力儀 AGS-1KN，Shimadzu Corporation；五點(diǎn)熱封儀GBB-F，廣州標(biāo)際包裝設(shè)備有限公司。

1.3 試樣制備

試樣Ⅰ LLDPE-67%，LDPE-33%，表示質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為66.7%的LLDPE，33%的LDPE（下同），薄膜厚度45μm

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

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

若無特殊說明，試驗(yàn)中薄膜的電暈強(qiáng)度均為40mN／m。

1.4 熱封試驗(yàn)方法

熱封試驗(yàn)參照QB／T2358—1998進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

從宏觀上看，兩個(gè)熱封層表面相互接觸時(shí)，加熱棒提供足夠的熱量以融合熱封層表面，被熔化的熱封內(nèi)層表面變?yōu)轲ち鲬B(tài)。在一定的壓力和時(shí)間條件下，兩熔融流體完全匯合，界面嵌合達(dá)到了較高的強(qiáng)度，最后冷卻使得薄膜內(nèi)部重新結(jié)晶。一般薄膜熱封層融化的表面分子會(huì)相互纏繞進(jìn)而變?yōu)檩^厚的單層。該過程所需時(shí)間一般小于1s，但仍然受溫度、時(shí)間、壓力等條件的影響。

從微觀上看，當(dāng)兩種相容的高聚物相互緊密接觸時(shí)，由于分子的布朗運(yùn)動(dòng)和鏈段的擺動(dòng)而產(chǎn)生了相互的擴(kuò)散。這種擴(kuò)散是在高聚物-高聚物的界面層進(jìn)行的。溫度對(duì)高分子的熱運(yùn)動(dòng)有兩方面的作用：一種作用是溫度升高使運(yùn)動(dòng)單元活化；另一種作用是溫度升高使聚合物發(fā)生體積膨脹，加大了分子間的自由空間。它是各種運(yùn)動(dòng)單元發(fā)生運(yùn)動(dòng)所必須的。這兩種運(yùn)動(dòng)都使分子鏈運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，有利于熱封層界面的分子相互擴(kuò)散彼此纏結(jié)在一起，形成良好的熱封效果［1］。

聚乙烯是一種非極性材料，表面張力小，不能很好地吸附油墨和黏結(jié)劑，在進(jìn)行印刷和復(fù)合時(shí)，電暈強(qiáng)度達(dá)到38mN／m以上才能產(chǎn)生良好的油墨附著力和復(fù)合強(qiáng)度，所以在這些工序前必須對(duì)聚乙烯薄膜進(jìn)行電暈處理。

電暈處理的原理是，在電極上施加高頻電壓，使電極相鄰的薄膜處理面的空氣電離放電，氣體電離的高能粒子在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下快速?zèng)_擊運(yùn)行中的薄膜，使表層分子鏈的化學(xué)鍵斷裂而降解。放電過程中伴隨臭氧的生成，它可以使薄膜表面分子氧化，并產(chǎn)生極性［2］。

電暈處理對(duì)聚乙烯薄膜表面產(chǎn)生一系列物理和化學(xué)變化：

（1）在薄膜表面形成許多凹凸不平層面，使表面粗化。

（2）自由基和高速電子作用于薄膜表面，使表面層分子部分?jǐn)噫I，引起自由基加速反應(yīng)。

（3）氧的自由基對(duì)C—C鍵進(jìn)行氧化，生成羰基（--- CO）、羥基（—OH）、羧基（—COOH）等極性基團(tuán)。

（4）電暈層表面分子形成交聯(lián)。

熔點(diǎn)的熱力學(xué)定義［3］見式（1）：

式中：Tm為聚合物的熔點(diǎn)；ΔH為熔融焓。分子或鏈段離開晶格吸收的能量與分子間作用力有關(guān)。分子間作用力越大，熔融焓越大。ΔS為熔融熵。熔融前后分子混亂程度的變化與分子鏈柔順性有關(guān)。分子鏈柔順性越大，熔融熵越大。

電暈后分子間引入極性基團(tuán)，導(dǎo)致分子間作用力增強(qiáng)，相當(dāng)于熱融焓增加；電暈后產(chǎn)生交聯(lián)使得分子鏈柔順性變差，相當(dāng)于熱熔熵減小。這兩點(diǎn)都會(huì)使電暈后薄膜的熔點(diǎn)升高。

電暈處理對(duì)熱封性能的影響主要基于兩點(diǎn)：

（1）氧化導(dǎo)致薄膜電暈層部分分子產(chǎn)生極性基團(tuán)，從而使熔點(diǎn)升高，熱封溫度上升；

（2）電暈處理中伴隨著分子斷裂導(dǎo)致交聯(lián)，使熱封層界面分子的相互擴(kuò)散能力降低，毗鄰分子不能很好地纏繞在一起，使熱封強(qiáng)度降低。

圖1為電暈處理對(duì)試樣Ⅰ熱封性能的影響。

圖1 電暈處理對(duì)試樣Ⅰ熱封性能的影響

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

（1）電暈處理后的薄膜熱封溫度升高。同樣達(dá)到8～9N／15mm的熱封強(qiáng)度，經(jīng)電暈處理的薄膜比未經(jīng)電暈處理的薄膜的熱封溫度升高15℃。

（2）電暈處理后的薄膜熱封強(qiáng)度降低。在140℃熱封溫度下，經(jīng)電暈處理的薄膜的熱封強(qiáng)度比未經(jīng)電暈處理的薄膜的低4N／15mm左右。

（3）未經(jīng)電暈處理的薄膜在125℃時(shí)呈斷裂破壞；經(jīng)電暈處理的薄膜在145℃時(shí)呈剝離性破壞。

上述現(xiàn)象說明：經(jīng)電暈處理后，薄膜表面氧化，部分分子鏈產(chǎn)生極性基團(tuán)，使熱封面熔點(diǎn)升高；而交聯(lián)的產(chǎn)生使熱封層界面分子不能很好地相互擴(kuò)散融合在一起，導(dǎo)致產(chǎn)生剝離性破壞，熱封強(qiáng)度下降。

2.1 電暈功率的影響

電暈功率直接影響電暈強(qiáng)度，也會(huì)對(duì)薄膜的熱封性能產(chǎn)生影響。表1是電暈功率與電暈強(qiáng)度的關(guān)系。

表1 電暈功率與電暈強(qiáng)度的關(guān)系

圖2是電暈強(qiáng)度對(duì)試樣Ⅰ熱封性能的影響。從試驗(yàn)結(jié)果可見：電暈功率大，薄膜的電暈強(qiáng)度大，對(duì)薄膜熱封性能的影響也會(huì)增大。

圖2 電暈強(qiáng)度對(duì)試樣Ⅰ熱封性能的影響

在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，相同的熱封溫度下，電暈強(qiáng)度增大，熱封強(qiáng)度降低。在熱封溫度達(dá)到一定值（140℃）時(shí)，熱封強(qiáng)度趨于一致。一旦經(jīng)過電暈處理的薄膜，電暈強(qiáng)度都會(huì)受到影響，而且熱封試驗(yàn)都呈剝離性破壞，即使電暈強(qiáng)度只有36mN／m的薄膜也是如此。電暈處理小的薄膜在較低溫度下就可以達(dá)到平衡熱封強(qiáng)度。如要達(dá)到8～9N／15 mm的熱封強(qiáng)度，電暈強(qiáng)度36mN／m的薄膜的熱封溫度比電暈強(qiáng)度40mN／m的薄膜的熱封溫度低10℃左右。

2.2 熱封壓力和時(shí)間的影響

塑料薄膜的厚度、熱封溫度、熱封時(shí)間、熱封壓力等對(duì)熱封強(qiáng)度都有一定的影響，其中熱封溫度的影響最為顯著，其次是熱封時(shí)間；薄膜的厚度和熱封壓力的影響不明顯［4］。

圖3是在熱封溫度125℃、熱封時(shí)間0.5s的條件下，熱封壓力對(duì)試樣Ⅰ的熱封強(qiáng)度的影響。由圖3可見：熱封壓力的升高對(duì)熱封強(qiáng)度的影響很小。

圖3 熱封壓力對(duì)試樣Ⅰ熱封強(qiáng)度的影響

圖4是在熱封溫度125℃、熱封壓力0.2MPa條件下，熱封時(shí)間對(duì)試樣Ⅰ的熱封強(qiáng)度的影響。由圖4可見：熱封時(shí)間對(duì)熱封強(qiáng)度有較大的影響。當(dāng)熱封時(shí)間達(dá)到1.0s時(shí)，熱封強(qiáng)度呈明顯的升高。在聚合物熔點(diǎn)以上，熱封時(shí)間的延長(zhǎng)，相當(dāng)于熱封溫度的升高，使得熱封界面分子有充分的時(shí)間熔融和擴(kuò)散，熱封強(qiáng)度升高。與升高熱封溫度相同，延長(zhǎng)熱封時(shí)間對(duì)電暈面的熱封效果還是呈現(xiàn)剝離性破壞。

圖4 熱封時(shí)間對(duì)試樣Ⅰ熱封強(qiáng)度的影響

2.3 原料的影響

電暈處理對(duì)PE薄膜的影響與薄膜的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。聚合物氧化容易在分子結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，如支鏈、雙鍵處發(fā)生。分子鏈中支鏈越多，越容易被氧化，對(duì)熱封性能的影響也越大。另外，與聚合物的結(jié)晶度也有關(guān)系。電暈處理時(shí)電子沖擊對(duì)非晶區(qū)的破壞程度比晶區(qū)的破壞程度大，所以結(jié)晶度高的聚合物受電暈處理的影響比結(jié)晶度低的聚合物的小。

圖5是試樣Ⅰ和試樣Ⅱ經(jīng)電暈處理后熱封性能的比較。試樣Ⅰ無mLLDPE組分，試樣Ⅱ含mLLDPE組分。通常熱封溫度與熱封層原料的熔點(diǎn)有關(guān)。熔點(diǎn)越低，要達(dá)到一定熱封強(qiáng)度的熱封溫度就越低。茂金屬催化劑具有單一活性中心，相對(duì)分子質(zhì)量分布窄，共聚單體均勻，故晶層薄而且均勻，熔融快。熔點(diǎn)越低，達(dá)到穩(wěn)定熱封合所需傳遞熱量越少，熱封溫度就越低。由于mLLDPE組成分布均勻，結(jié)晶時(shí)形成的晶粒尺寸相對(duì)較小，熱封時(shí)熔融較快，界面易潤(rùn)濕，分子鏈段的擴(kuò)散與纏結(jié)能力較強(qiáng)［5-6］。所以采用密度較低的mLLDPE原料具有更好的熱封性能。由圖5可見：雖然試樣Ⅰ和試樣Ⅱ的熱封性能都受到電暈處理的影響，但由于試樣Ⅱ含有mLLDPE，具有較低的熱封溫度，在較低的溫度下就能達(dá)到較高的熱封強(qiáng)度。所以解決PE薄膜電暈處理后熱封溫度升高的問題，可以適當(dāng)添加mLLDPE。

圖5 mLLDPE對(duì)熱封性能的影響

圖6是試樣Ⅲ添加了HDPE后的薄膜電暈處理前后的熱封性能的比較。較之LDPE和LLDPE，HDPE的支鏈少，結(jié)晶度高。由圖6可見：經(jīng)電暈處理后的薄膜熱封性能還是受到影響，但熱封溫度的影響在10℃左右，熱封強(qiáng)度仍能保持在較高水平。但是添加HDPE后，薄膜的透明度和柔軟性會(huì)受到影響。這在材料選擇中必須予以考慮。

圖6 HDPE對(duì)熱封性能的影響

3 結(jié)論

（1）電暈處理對(duì)聚乙烯薄膜的熱封性能產(chǎn)生影響：熱封溫度升高，熱封強(qiáng)度下降。

（2）經(jīng)電暈處理后的聚乙烯薄膜，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，熱封試驗(yàn)結(jié)果都呈剝離性破壞。

（3）通過降低電暈處理強(qiáng)度（在滿足其它工序要求的前提下），延長(zhǎng)熱封時(shí)間和添加一定比例mLLDPE的方法，可減小電暈處理對(duì)聚乙烯薄膜熱封性能的影響。

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