包裝膜用高壓聚乙烯性能的分析與對比

余瑩波

(中國石化上海石油化工股份有限公司塑料部，上海200540)

高壓聚乙烯(LDPE)薄膜料主要應(yīng)用于包裝膜、農(nóng)業(yè)用膜、重包裝膜以及醫(yī)用包裝膜等領(lǐng)域。其中包裝膜占主導(dǎo)地位，約為44.6%，包裝膜中應(yīng)用最廣泛的是收縮膜，可以用于食品、書籍等的散件包裝，或采用現(xiàn)場收縮包裝方法包裝小轎車、賽艇等體積龐大的產(chǎn)品或設(shè)備。LDPE農(nóng)用薄膜廣泛應(yīng)用于地面覆蓋薄膜、各種類型棚膜等，LDPE棚膜由于質(zhì)地輕、柔軟、透明、無毒，已成為中國用量最大的溫室棚膜品種。LDPE在重包裝膜應(yīng)用方面的量相對較少，主要用于塑料原料、水泥、化肥和谷物等的集合包裝，可以部分代替木箱和瓦楞紙箱[1]。

與進口重包裝膜袋相比，國產(chǎn)重包裝膜袋主要存在膜的耐穿刺強度低、印刷性不好和易吸塵等缺點。材料表面的摩擦因子是包裝機器運行速度以及包裝物易開啟性的主要影響因素之一，實際包裝中的摩擦力常常既是動力又是阻力，因此必須有效地控制摩擦因子的大小，使它在適當?shù)姆秶鷥?nèi)[2]。從包裝機器運行速度以及包裝物易開啟性方面來做好質(zhì)量指標，以開拓重包裝膜新市場，滿足廣大客戶的需求。

中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)塑料部高壓聚乙烯裝置有成熟的三菱油化超高壓管式“E”法生產(chǎn)工藝，已成功開發(fā)出各種LDPE薄膜專用料，在此基礎(chǔ)上開發(fā)多用途包裝膜產(chǎn)品。

1 實驗部分

1.1 主要原料

1#為上海石化樣品，2#為某進口樣品，3#為某國產(chǎn)樣品，三種樣品均為LDPE包裝膜產(chǎn)品，1#和3#產(chǎn)品為管式法生產(chǎn)，2#產(chǎn)品為釜式法生產(chǎn)。

1.2 分析儀器和設(shè)備

密度測試：儀器型號為LLOYD DC/02，使用密度梯度管法測密度，樣品經(jīng)熔條、水煮后進行測試，測試標準為GB/T 1033.2—2010。

差示掃描量熱分析(DSC)：測試儀器為美國TA公司的DSC Q100，在氮氣保護下以10 K/min的速率升溫到180 ℃，并停留10 min，然后以10 K/min的速率降溫到室溫。

熔融指數(shù)(熔體每10 min通過標準口模毛細管以g計的質(zhì)量)：儀器型號為TINIUSOLSEN 987，測試標準為GB/T 3682—2000，測試溫度為190 ℃，壓力為216 kPa。

透光率、霧度：儀器型號為山東中量測試技術(shù)有限公司的WGT-ZL型，測試標準為GB/T 2410—2008，測試樣品厚度為0.48 mm。

邵氏硬度：儀器型號為B7206.100/SHORE D，測試標準為GB/T 2411—2008，將規(guī)定形狀的壓針壓入試驗材料，測量垂直壓入的深度。

扭矩流變：測試儀器為德國ThermoFisher公司的HAAKE PolyLab OS扭矩流變儀，測試溫度為140 ℃，轉(zhuǎn)速為45 r/min。

簡支梁沖擊強度：儀器型號為ATLAS/14204，測試標準為GB/T 1043.1—2008，在室溫(23 ℃)條件下，擺錘升至固定高度，以恒定的速度單次沖擊支撐成水平梁的試樣，沖擊線位于兩支座的中點，缺口試樣側(cè)向沖擊時，沖擊線正對單缺口。

拉伸測試：儀器型號為ZWICK/Z005，測試標準為GB/T 1040.2—2006，沿試樣縱向主軸恒速拉伸，直到斷裂，測量在這一過程中試樣承受的負荷及其伸長。

薄膜撕裂強度：儀器型號為ZWICK BT1-FI0.5TH.D14，測試標準為GB/T 16578.1—2008，在試樣長軸方向上切縫至1/2處，使其切口所形成的兩“褲腿”上經(jīng)受拉伸試驗，測試沿長軸方向撕裂試樣所需的平均力，計算材料的撕裂強度。

摩擦因子：儀器型號為ZWICK Z2.5/TS1S，測試標準為Q/SPC 4028—2017，靜摩擦力是兩接觸表面在相對移動開始時的最大阻力，其與法向力之比就是靜摩擦因子。

環(huán)境應(yīng)力開裂：測試標準為GB/T 1842—2008，把表面帶有刻痕的試樣彎曲并放置入表面活性劑的介質(zhì)中，觀察試樣發(fā)生開裂的時間。

2 結(jié)果與討論

2.1 基礎(chǔ)性能比較

表1列出了3種樣品的基礎(chǔ)性能，從中可以看出1#樣品的霧度最為優(yōu)異，三者的透光率相差不大，3#樣品的硬度相對較好。

表1 各樣品基礎(chǔ)性能比較

2.2 結(jié)晶性能

結(jié)晶度影響聚合物多方面的性能，結(jié)晶度越大，透明性越差，收縮率越大。各樣品結(jié)晶度比較見表2。

表2 各樣品結(jié)晶度比較

* 結(jié)晶度為(△Hm/△Hc)×100%，其中△Hm為PE實測結(jié)晶焓，△Hc為PE完全結(jié)晶的結(jié)晶焓，293 J/g。

從表2可以看出：1#樣品的結(jié)晶度最低，霧度測試可以論證這一結(jié)果，結(jié)晶度越低透明度越高，霧度越低。

2.3 收縮率比較

收縮率的影響因素有很多，其中最主要的因素是結(jié)晶狀態(tài)，結(jié)晶后分子鏈緊密排列，結(jié)構(gòu)有序規(guī)整，宏觀表現(xiàn)為制品尺寸減小，即結(jié)晶程度越高，收縮率會越大。各樣品收縮率比較見表3。

表3 各樣品收縮率比較 %

從表3可以得知：橫向收縮率受取向的影響較小，可以更為直觀地看出結(jié)晶度對它的影響程度，1#的結(jié)晶度較小，橫向收縮率也較小。收縮率的另一影響因素為取向，熔體流動導(dǎo)致熔體產(chǎn)生取向結(jié)構(gòu)，取向后分子鏈熵值減小，趨向有序排列，導(dǎo)致收縮率變大，因此縱向收縮率比橫向收縮率要大。

2.4 流變性能

HAAKE扭矩流變儀是模擬在擠出機等加工設(shè)備中材料的熔融塑化流動過程，并檢測扭矩隨時間的變化以及平衡扭矩的大小，反映加工過程中流動性的好壞和能量的消耗情況(見圖1～2)。

從圖1～2可以看出：3#樣品的扭矩最小，說明推動聚合物熔體流動的機械力較小，即聚合物熔體的黏度較低，也就是流動性較好。而2#樣品開始時扭矩上升很快，最大扭矩遠高于其他兩種樣品，在加工中表現(xiàn)為剪切力很大，隨時間延長后的平衡扭矩也是三者中最大的，說明流動性較差。

圖1 各樣品HAAKE流變扭矩

圖2 各樣品HAAKE流變扭矩

2.5 力學(xué)性能

各樣品力學(xué)性能比較見表4。

表4 各樣品力學(xué)性能比較

從表4可以看出：1#樣品的沖擊強度相對來說處于中等，但是斷裂標稱應(yīng)變和拉伸斷裂應(yīng)力明顯高于2#和3#樣品。

3種專用料都可以用在重包裝袋、內(nèi)襯袋，農(nóng)業(yè)及建筑用膜等方面，包括工業(yè)用、食品用高收縮膜。應(yīng)用在高收縮膜時，搬運過程中會發(fā)生提拉、碰撞等情況；應(yīng)用在農(nóng)業(yè)及建筑用膜時，由于施工或者自然天氣原因，也會受到外力撞擊等問題，因此專用料的韌性尤為重要。上海石化開發(fā)的專用料在韌性方面的表現(xiàn)很突出，遠遠高于進口樣品，與同類國產(chǎn)樣品相比也是較為優(yōu)異的。

2.6 摩擦因子

摩擦因子是考察包裝薄膜的一項重要指標，因為在包裝過程中的摩擦力常常既是動力又是阻力。摩擦因子是包裝機器運行速度以及包裝物易開啟性的主要影響因素之一。包裝機運轉(zhuǎn)過程中，一般要求薄膜內(nèi)層摩擦因子比較小，但不能過小，否則可能引起制袋成型時疊料不穩(wěn)定而產(chǎn)生錯邊；而薄膜外層與包裝機拖動金屬面時摩擦因子需適中，太大會引起包裝過程中阻力過大致使材料拉伸變形，太小可能又會引起拖動機構(gòu)打滑，造成電眼跟蹤和切斷定位不準[2]。

1#、2#、3#樣品的摩擦因子分別為0.46,0.41,0.49。2#進口樣品的優(yōu)點在于其靜摩擦因子很低，包裝機器運行速度能保持優(yōu)勢，但是客戶在應(yīng)用過程中，出現(xiàn)了堆疊錯位以及運轉(zhuǎn)打滑等問題，而3#樣品則影響了生產(chǎn)效率。上海石化使用了適當?shù)奶砑觿┎⒄{(diào)整了工藝，使得1#樣品的摩擦因子穩(wěn)定在一個適當?shù)臄?shù)值。

2.7 耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能

環(huán)境應(yīng)力開裂指由低于塑料短時機械強度的各種應(yīng)力引起的塑料內(nèi)部或外部的開裂。這類開裂常常受所處環(huán)境的影響而加速發(fā)展，存在于外部或內(nèi)部的應(yīng)力或兩種應(yīng)力的共同作用可以引起開裂。聚乙烯的環(huán)境應(yīng)力開裂機理一般認為，在應(yīng)力作用下，聚乙烯的非晶區(qū)存在一些微小的空洞和缺陷，它可以吸收環(huán)境試劑并造成內(nèi)壓力，此壓力引起球晶間連接分子重排，誘發(fā)銀紋，最終導(dǎo)致開裂，并認為在防止環(huán)境應(yīng)力開裂過程中，晶片間連接分子起到了關(guān)鍵作用[3]。

1#、2#、3#樣品的環(huán)境應(yīng)力開裂時間見表5。

表5 各樣品環(huán)境應(yīng)力開裂比較

從表5可以看出：1#樣品的耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能非常優(yōu)異，決定了產(chǎn)品使用的環(huán)境多樣性和時效性，能很好地應(yīng)對所處環(huán)境影響而產(chǎn)生的應(yīng)力開裂問題，提高了產(chǎn)品使用壽命。

3 結(jié)論

(1)1#樣品的斷裂標稱應(yīng)變和拉伸斷裂應(yīng)力相對較好，韌性性能尤為突出，有利于解決提拉、撕拉、撞擊等外力造成的穿刺損傷問題。

(2)2#樣品摩擦力低的優(yōu)點突出，但是存在堆疊和打滑的問題，1#樣品在保證生產(chǎn)效率的同時，也規(guī)避了進口樣品的缺點。

(3)1#樣品的耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能優(yōu)異，能很好地應(yīng)對所處環(huán)境影響而產(chǎn)生的應(yīng)力開裂問題，提高了產(chǎn)品使用壽命。

(4)對流動性能、韌性、摩擦力以及耐環(huán)境應(yīng)力開裂各項性能進行綜合分析，并考慮到客戶在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的各種問題，1#產(chǎn)品的綜合性能較優(yōu)，能很好地應(yīng)用在重包裝袋、內(nèi)襯袋、農(nóng)業(yè)及建筑用膜、工業(yè)用及食品用高收縮膜等各種領(lǐng)域。