擠出涂布工藝對熱封強(qiáng)度的影響題

黃湘暉 李全布 陸錦霞 孫永慶

（江陰寶柏包裝有限公司）

擠出涂布工藝對熱封強(qiáng)度的影響題

黃湘暉 李全布 陸錦霞 孫永慶

（江陰寶柏包裝有限公司）

擠出涂布作為復(fù)合軟包裝主要的生產(chǎn)工藝之一，具有生產(chǎn)效率高，綜合成本低，復(fù)合制品可熱封等優(yōu)勢。擠出涂布的工藝對制品的熱封強(qiáng)度存在不同程度的影響。本文以聚乙烯擠出涂布為例，通過一系列實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)分析了熔體溫度、氣隙高度、涂布速度對復(fù)合制品熱封強(qiáng)度的影響。

擠出涂布 軟包裝 熱封強(qiáng)度

擠出涂布是將熱塑性樹脂通過一臺或多臺擠出機(jī)熔融后，經(jīng)衣架型或T型模頭連續(xù)均勻的擠出涂覆在一種基材上，經(jīng)壓貼并冷卻成型后收卷成復(fù)合制品的一種工藝。

該工藝的主要作用在于賦予基材的可熱封性，因此在復(fù)合制品的擠出涂布層常作為熱封功能層使用。此工藝在軟包裝生產(chǎn)制造中的應(yīng)用十分廣泛和成熟，自上世紀(jì)60年代開始至今已取得了長足的進(jìn)展，其復(fù)合制品已成為軟包裝的發(fā)展主流。

據(jù)研究調(diào)查報告表明，國外如北美、歐洲等地，擠出涂布已占到復(fù)合工藝的68%以上，而國內(nèi)由于起步較晚，目前擠出涂布僅占復(fù)合工藝的25%左右，仍有較大的發(fā)展空間。

擠出涂布常用的熱塑性樹脂包括聚乙烯、聚丙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、離子聚合物等，涂布的基材包括紙張、織布、鋁箔、塑料薄膜等。擠出涂布工藝流程如圖1所示：

圖1 擠出涂布示意圖

1.作為一種典型的復(fù)合加工方式，擠出涂布具有如下特點(diǎn)：

1）生產(chǎn)速度快，加工成本低，可以連續(xù)性批量生產(chǎn)。目前已知的最高生產(chǎn)速度達(dá)到600米/分鐘；

2）復(fù)合制品衛(wèi)生性好，不需要使用大量的溶劑膠，更符合食品及藥品相關(guān)的安全法規(guī)；

3）對環(huán)境的影響較小。

我們知道熱塑性樹脂擠出涂布在基材上，一方面需要保證它與基材有足夠的剝離強(qiáng)度，避免復(fù)合制品分層，另一方面作為熱封功能層，它又必須要有良好的熱封性以滿足終端的封合應(yīng)用。大量的研究表明，擠出涂布復(fù)合薄膜的剝離強(qiáng)度與熱封強(qiáng)度是一個反向的關(guān)系，即剝離強(qiáng)度表現(xiàn)的高，熱封強(qiáng)度相應(yīng)會偏低。

結(jié)合圖1可以清楚的知道熱塑性樹脂在一定的溫度下熔融擠出后，在與基材接觸之前是暴露在環(huán)境當(dāng)中的。由于樹脂擠出后本身帶有大量的熱量，表面活化能高，空氣中的氧氣與熔體表面接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成極性基團(tuán)，從而與基材之間產(chǎn)生化學(xué)粘合力，同時由于壓輥壓力的作用，熔融的高分子鏈段會逐漸擴(kuò)散到基材表面上產(chǎn)生物理的結(jié)合力。但過度的氧化使淋膜表面極性物質(zhì)增加反而不利于薄膜的熱封，這就需要我們在擠出涂布生產(chǎn)過程中做好剝離強(qiáng)度和熱封性能之間的平衡。

2.理論證明，擠出涂布工藝中熔體溫度，氣隙高度，涂布速度三項(xiàng)對復(fù)合制品熱封強(qiáng)度的影響最大。

本文將以軟包裝應(yīng)用為例，在保證一定的剝離強(qiáng)度條件下，以聚乙烯樹脂作為擠出涂布的熱封涂層，分析研究擠出涂布工藝對復(fù)合制品熱封強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)所用原材料及復(fù)合制品的結(jié)構(gòu)如下：

基材：12μmPET/7μmAlu復(fù)合半成品，厚度20μm

樹脂：LLDPE，熔融指數(shù)7.5，密度0.910 g/cm3

結(jié)構(gòu)：12μmPET/7μmAlu/AC/25μmLLDPE

1）熔體溫度

熔體溫度是擠出涂布工藝中一個非常重要的參數(shù)，它是指在擠出機(jī)中熱塑性樹脂經(jīng)過剪切加溫由晶相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合?，并保持熔融狀態(tài)時的溫度。一般可通過安裝在擠出機(jī)內(nèi)部的電子測溫儀進(jìn)行測量，在外接儀表中顯示讀出。

擠出涂布產(chǎn)品根據(jù)涂布的基材、客戶的產(chǎn)品性能、設(shè)備的不同，大部分聚乙烯樹脂通常會在265-330℃高溫下進(jìn)行擠出涂布，其目的一方面是保證樹脂在高溫下具有穩(wěn)定的流動狀態(tài)，便于生產(chǎn)的順利實(shí)施，另一方面是為了獲得較高的熱量和不同的氧化程度以保證與基材的粘結(jié)性能。

不同的熔體溫度會對復(fù)合制品的熱封強(qiáng)度造成怎樣的影響呢？下面將通過實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)方案：在保持其它工藝參數(shù)不變的情況下，通過控制不同的熔體溫度制成復(fù)合制品，如表1所示。

表1 不同熔體溫度實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：對以上方案所生產(chǎn)的復(fù)合制品分別進(jìn)行熱封強(qiáng)度的檢測（壓力2bar，時間1sec），檢測數(shù)據(jù)如圖2：

圖2 不同熔體溫度下的熱封強(qiáng)度曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：從上圖可以看出，隨著熔體溫度的升高，熱封強(qiáng)度的值呈現(xiàn)出下降的趨勢。這是由于較高的熔體溫度會導(dǎo)致淋膜表面的氧化程度增高，表面產(chǎn)生更多的極性基團(tuán)。熱封時如果沒有足夠的能量破壞高分子的結(jié)晶狀態(tài)，高分子鏈段就無法充分?jǐn)U散、滲透并相互纏繞，從而造成熱封強(qiáng)度偏低。

但過高的溫度會導(dǎo)致熔體加速降解，尤其是在擠出機(jī)和模頭中停留超過了一定時間。如果發(fā)生了降解，熔體流動性將會受到影響，造成復(fù)合制品的缺陷和瑕疵。

故在擠出涂布生產(chǎn)過程中應(yīng)注意讓熔體溫度處于合理的設(shè)定范圍內(nèi)并保持穩(wěn)定，防止出現(xiàn)熔體溫度的波動或不均勻，否則可能會導(dǎo)致涂層厚度、寬度的不均勻，延垂性降低，透明度和光澤度變差，成品中會出現(xiàn)淋空、褶皺和熱封缺陷。

對于目前用于擠出涂布級別的熱塑性樹脂而言，供應(yīng)商一般都會在樹脂中添加一定含量的抗氧劑，其目的就是用以防止淋膜產(chǎn)生過度的氧化，賦予樹脂合理的熱封性能。

2）氣隙高度

氣隙高度是指熔融的樹脂從口膜出口處到冷卻鋼輥和橡膠壓輥接觸點(diǎn)之間的距離。如下圖所示：

圖3 氣隙高度

氣隙高度可通過調(diào)整擠出機(jī)的平臺升降來實(shí)現(xiàn)。在氣隙高度的這段距離內(nèi)，高溫下的熔體因接觸空氣中的氧氣發(fā)生氧化，使熔體表面產(chǎn)生極性基團(tuán)從而與基材產(chǎn)生化學(xué)粘合力。但正如前面提到的一樣，過度的氧化會對制品熱封性能產(chǎn)生影響，故氣隙高度需控制在合理的范圍內(nèi)防止樹脂氧化過度才能避免熱封的不良。

實(shí)驗(yàn)方案：在保持其它工藝參數(shù)不變的情況下，通過調(diào)整氣隙高度來驗(yàn)證其對熱封強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)方案如表2所示。

表2 不同氣隙高度實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：檢測各樣品的熱封強(qiáng)度（壓力2bar，時間1sec），得出曲線如圖4所示：

圖4 不同氣隙高度下的熱封強(qiáng)度曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：從圖4的曲線可以得知，在其它工藝條件不變的情況下，隨著氣隙高度的升高，熱封強(qiáng)度表現(xiàn)出一定程度的下降。直觀的顯示為熔融的樹脂以固定的速度通過的距離長短，氣隙高度越高，熔體通過的距離長，氧化的程度隨之增加。在熱封時需要更大的能量才能破壞結(jié)晶，保證熱封層充分的融合以獲得較高的熱封強(qiáng)度。

3）涂布速度

涂布的速度即代表了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時的機(jī)速，速度的快慢將直接影響生產(chǎn)的效率。由于擠出機(jī)螺桿設(shè)計(jì)的差異，設(shè)備本身的加工狀態(tài)，擠出樹脂的類型不同，終端客戶的應(yīng)用不同，生產(chǎn)時的機(jī)速往往需要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用進(jìn)行控制以求達(dá)到最佳的生產(chǎn)效率并保證擠出淋膜的穩(wěn)定性，防止產(chǎn)生斷料、淋空等不良現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)方案：固定氣隙高度并穩(wěn)定熔體溫度，通過調(diào)整涂布速度以驗(yàn)證其對熱封性能的影響。如表3所示：

表3 不同涂布速度實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：對樣品分別進(jìn)行熱封強(qiáng)度測試（壓力2bar，時間1sec），結(jié)果如下圖所示：

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：涂布速度的快慢將直接影響復(fù)合制品的熱封性能，隨著涂布速度的增加，熱封性能將會逐步提高。簡單的說是由于熔體通過氣隙高度的時間縮短了，熔體表面的氧化程度不高，同時熔體在冷卻輥處得到了快速冷卻，熱塑性樹脂無法充分結(jié)晶。在進(jìn)行熱封時，兩面的高分子更容易熔融滲透在一起完成密封。

圖5 不同涂布速度下的熱封強(qiáng)度曲線

故在擠出涂布生產(chǎn)過程中，保持穩(wěn)定的機(jī)速才能使復(fù)合制品的質(zhì)量保持一致，降低因速度不均產(chǎn)生的質(zhì)量風(fēng)險。

4）氣隙時間

氣隙時間（TIAG）是指熔體以一定的速度通過固定的氣隙高度所用的時間，是氣隙高度和涂布速度的綜合表現(xiàn)，單位為毫秒（msec）?？梢杂脕沓醪酱_定這兩個因素的關(guān)聯(lián)性，計(jì)算公式如下：

據(jù)相關(guān)資料顯示和研究表明，擠出涂布聚乙烯樹脂時，氣隙時間控制在70-120msec之間將會得到最佳的復(fù)合制品性能，對于多孔基材或在不需要非常好的粘結(jié)力時它可能會少一點(diǎn)。上文已分別提到氣隙高度和涂布速度對熱封強(qiáng)度的影響，這里不再詳細(xì)驗(yàn)證說明，如有興趣可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)摸索。

需要特別注意的是，擠出涂布工藝對于高速自動灌充包裝等應(yīng)用來說，除熱封強(qiáng)度外，起封溫度和熱粘強(qiáng)度也是軟包裝從業(yè)者需要重點(diǎn)關(guān)注的熱性能指標(biāo)。起封溫度越低的薄膜其熱封條件可調(diào)整的范圍會相對較廣，熱粘性不好的薄膜在充氣灌裝過程中更容易產(chǎn)生漏包的風(fēng)險。

隨著擠出涂布技術(shù)不斷進(jìn)步，對某些特殊用途或需要高速擠出涂布的產(chǎn)品而言，由于自然氧化在氣隙的時間很短，氧化程度受到限制，生產(chǎn)廠商會在淋膜區(qū)域增加臭氧裝置來解決氧化的問題。臭氧空氣產(chǎn)生于臭氧發(fā)生器，在淋膜進(jìn)入復(fù)合輥之前作用于淋膜上，目的是讓淋膜獲得更充足的氧化程度產(chǎn)生極性基團(tuán)，以改善與基材的粘結(jié)力。

3.臭氧處理有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）可提高粘結(jié)強(qiáng)度；

2）可降低熔體溫度，從而減少異味的產(chǎn)生；

3）可更高線速度運(yùn)行，從而降低生產(chǎn)成本；

4）可在較小的氣隙高度下運(yùn)行，提高熔體穩(wěn)定性，改善縮頸現(xiàn)象；

5）可改善熱封性能。

換言之，臭氧處理可有效提高粘結(jié)性能，并最大限度地降低由于熔體過度氧化造成的負(fù)面影響如氣味、污點(diǎn)、粘輥以及差的熱封性能。但目前國內(nèi)絕大部分?jǐn)D出涂布復(fù)合制品生產(chǎn)速度較低，自然氧化已能滿足日常的生產(chǎn)需要，臭氧處理設(shè)備的應(yīng)用受到限制。

綜上所述，在擠出涂布的生產(chǎn)過程中，如何設(shè)定好熔體溫度，掌握好氣隙時間是制作擠出涂布產(chǎn)品的關(guān)鍵所在。各生產(chǎn)廠商需要從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，找出適合于自己產(chǎn)品性能的一套涂布工藝。同時不斷開發(fā)出新的擠出涂布應(yīng)用，促進(jìn)我國擠出涂布工藝的向前發(fā)展。

The effects of heat sealing strength in extrusion coating process

Huang Xianghui Li Quanbu Lu Jinxia Sun Yongqing
（Amcor Flexibles Jiangyin）

Extrusion coating is one of the main processes in flexible packaging，it can be achieved various advantages of higher efficiency，lower cost，heat-sealable performance.Different coating process will affect the heat sealing strength in many ways.This paper analyzed the variables in extrusion coating process such as melt temperature，air gap，coating speed to evaluate the effects of heat sealing strength through series of experiments by using polyethylene.

extrusion coating flexible packaging heat sealing strength