聚烯烃热收缩薄膜收缩曲线的测定及其应用研究

塑料包装 2001年 第 11卷 第 3期 聚烯烃热收缩薄膜收缩 曲线的测定 及 其应 用研 究 温绍 国 周持 兴 王松 尧 【上海 交通大学高分 子材料研究所 ) (浙江绍兴富陵塑料制 品有 限公 司 ) 摘 要 本文探讨 了聚烯烃热收缩薄膜 (PSF)热收缩曲线的测定和热收缩曲线 应 用 关键词 热 收缩膜 收缩率 收缩速 率 1前言 热 收缩聚烯 烃薄膜 fPOSF)．是近年 来 出现的新 型热 收缩 包装材料 ‘“ 与单 层 PP或 PE收缩 薄膜不同 ，POSF采用 PP／PE／PP三层共挤 双泡管膜法制 备技 术．uT同时具有高透明 、耐低 温 、高强度 、 耐揉搓 的综合性能 。改变组成 、调节工 艺．町有效控制薄膜的收缩率 (SR)、收缩 速率 (V )，制备出高、中、低收缩率的系 列热收缩膜。因此 ．POSF的生产应用发 展非常迅速。 1998年 “绍兴 富塑”引进 I：'OL't3"ECH 公司 三 层 共 挤 POST生产 线 以前 ．国内 POsF设计产量不足 6OO0吨／ 年 ，而现 已有 同类生产线 9条 ，总设计产 量近 2万吨。虽然 20～30％的 POSF目前 仍靠进口，但中国食品、出口产品包装用 POSF依赖进 口的局面 已经结束 ： 目前 ，有关 POSF生 产经验积 累和技 术研究不多 ，相关理论 研究报道更 少 ‘ 引进生 产线 多停 留在能 生 产 POSF的技 术水平上 ，缺乏创新 ，甚至 常常 因制备和 储存工艺机理不理解 ，对薄膜性能了解 不够 ，而造成重 大损失 ：因此 ，有效组织 相关技术理论研 究 ，对促 进技术消化 、推 动 POSF的进一 步发展是非常重要 的：为 探索 POSF的收缩热力学和 动力学基础 ， 发展热 收缩薄膜 的生产和应用技 术 ，本 文用不 同的测定方法 ，详细考察 了 POSF 收缩特性 。 2 实验部分 原 料 ： PP． 美 国 Montell 5C59F； LLDPE，美 国 DOW 2045C；抗静 电剂为 ICI 公司抗静电剂 A；爽滑剂、抗粘连母粒均 为进 口产品。原料预混台 ，采用多旋转桨 高速拌混机混合时间 2分钟后备用。 设备 ：POSF用 PLOYTECH三层共挤 采用双泡管膜法生产线制备 ，成品最大 折径幅宽 1900nma：工艺参数采用筛选后 维普资讯 http://www.cqvip.com 2001年 第 1】卷 第 3期 塑料乜装 l5 针 对待定配方 的最优化设 置： 热 收缩 率 测 定 ：将 薄 膜 按 1 -r r-× lOcm 的样片放八烘箱或油 浴 ．在设定 的 温度 、时间测定受热后薄膜 的残 留尺寸 ， 可 按 下 式 计 算 薄 膜 沿 机 器 拉 伸 方 向 (MD)和吹胀横 向方 向 (TD J的收缩 率 (SR) SR：l(1I1二生 ×100％ d o 其 中 dO为式样的原始尺寸 ，dt为收 缩后样品的尺寸：通过 MD和 TD方 向的 薄膜收缩 率 (MDSR和 TDSR)，可求 TOSF 薄膜的平均收缩率： 薄膜在线厚度用 NDC动态在线检 测仪测定 ，下机后厚度用德 国产手提 测 厚仪测定 薄 膜光学性 能 ，用 英 国 DIFFUSION SYSTEMS公 司 M57雾度计测定 。 3 结果与讨 论 3．1 POSF的基本性能表征 选定配方、工艺下 ，制备出的 POSF 的厚 度 、密度和三层结构 比例 ，见表 1 表 l POSF的基本性能表征 项 目 单位 数值 注释 厚 度设 定 m 误差设 置 ％ 测定厚度 m 宽度方 向误差 ％ 密度 g／cm3 结构 比例 Wt％ PP／ PE／ 雾度 ％ l9 在线检测 ≤ 3％ 19±0 05 测定 5％ O 9l6 l2．5／ 74 5／12．5 2．8 注 ：★薄膜下生产线 24小时后测定 。 3．2 POSF的热收缩曲线测定方法 及收缩 曲线 薄 膜 的收缩率 SR的测 定 可采用 三 种方法 ：1 J是将薄膜 表面涂上滑石粉 ，置 于两片薄纸 中．平 放在烘箱 中 一定时 间 后取 出，测定薄膜样 品的残 留尺寸 ，后按 定义进行计算 ；2)是直接将薄膜样品用 钩针 垂直挂 在烘 箱 中一定 时 间后 取 出 ； 3)将薄膜样品浸八 指定温度的油浴装置 中，达到 指定时 间后取 出测定计算。 从实验精度 上，方法 3)容易操作 ．数 据更为准确 ，因其避免 了薄膜的预热时 间引起 的测定误差 ；方法 2)更接 近薄膜 使用过程经历 的热收缩过程 ：数据在实 际应用中，更为合理化 ；但基于常规的测 定 ，方法 1)则是最 常用 的收缩率测定方 法 。三种方法测定 的收缩率 见表 2。 表 2 不同方法测定的热收缩率 注 ：T：120 实验表明 ，三种方法测定 的数据是 比较接 近的。本文涉及 的热 收缩 曲线 的 测定均采用第 1)种操作方法。 薄膜的 SR随收缩温度 (T)或收缩时 间 (t)变化 曲线 ，通称 为收缩 曲线。恒 定 收缩时间获得的温度收缩 曲线 (T—SR) 和恒 定 温度 获得 的时 间收 缩 曲线 (t— sR)反映的薄膜收缩 内函是不 同的? 3．3 POSF的定性温度收缩率曲线 POSF的 温 度 收 缩 曲 线 是 收 缩 率 维普资讯 http://www.cqvip.com 16 蚪包 装 2001年 第 1I卷 第 3期 ISR)随收缩温度 }变化 曲线 制 备样 典型的 T～SR曲线 见幽 1 7'emperature／ 图 【 POSF的温 度收 缩 曲线 样 品号 ：4 23S—A．19／zrt1Jl：5rain 从图 1可知 ．POSF的温度收缩 曲线 可分为四 个阶段 ：I}SR的低温不敏感 区 ： 在 ≤40 下 ，POSF的 SR基 爿t不 随温度 变化．其值 ≤0．5％，50～80q{2．SR随T增 ，缓慢增加 ．最 高逃 3～4％；II)SR的温 度敏感区 ：8O～J3O℃． )sF的 SR随温 度增加呈指数增 加．达到最大值 65％；lI— I-SR的高温不敏感 区 ：在于 130～J40T：． POSF的 SR随温度增加 ，再次呈现不 耍 的趋势 ；IV)薄膜熔融区 ：收缩 温度继续 增加 ，虽然 POSF的 又迅速增 加，但收 缩后的薄 膜呈融化状 态 ．这一 温度 区实 不 应归入 于 POSF的热收缩 温度曲线 ： 显然 ，POSF热 收缩温度 曲线 中阶段 I越宽 ．上限温度越高 ．薄膜 的储存稳定 肚越好 ：热收缩 PVC须在 ≤20℃的环境 储存 ，而 POSF则可在 50℃下 的 自然环境 中稳定储存 ，就是这个道理。阶段 Ⅱ、III 在 定 程 度 上 反 映 ， POSF的使 用 范 围 众多的实验结果表 明 ．不 同 POSF样 的 sR—T曲线 ．阶段 l1、I¨ 的 区域和斜率 是不 同的 ．取决 于 原料 组 成 和成 型工 艺 ， POSF的 SR～T曲线 ，反映了薄膜 收 缩热 力学 的概念 ，从 中可获得薄膜 的极 限收缩 率和收缩率 的温度敏感性 但实 验 发 现 ： 1) 热 收 缩 温 度 曲 线 相 同 的 t~tSf ，在高速包装线上 的收缩 效果不同： 21有的 POSF虽然具有较高的极限 SR， 但在 高速包装线上却达不到满 意的收缩 效果 ．提高收缩温度虽有利 于收缩效 果 的改善．却 叉会产生破包率高的负面效 应：这说明 ，表征和应用 POSF还必须考 虑其 收缩速率 3 4 POSF的恒温时间收缩率曲线 定时温度 F，收缩率 (SR)随收缩时 间 (t)变化 的曲线 称为时 间收缩 曲线 POSF典型的 t SR曲线 见图 2 Time／s 图 2 POSF的时间收缩曲线 (样 品号 ；4—23S—A、19 m T：120℃ } 从 图 2可知 ，POSF的 SR随 t增加而 增加 ，开始时增加迅速 ，后 期渐缓直 至不 维普资讯 http://www.cqvip.com 2001年 第 11卷 第 3期 塑料包装 17 变 薄膜 sR—t曲线，反映了薄膜收缩动 力学概念．从 中 求薄膜 Vm的大小 鉴 于 目前有关热收缩薄膜 的研究很 少 ，热 收缩速率 (v s )尚无通量表示 ，此定 义薄 膜收缩到最终 收缩率 一半所需时间 1 的倒数为薄膜收缩速率 ，单位 S 其中，t 。由SR t曲线中求取 、 120 给 定 样 品 的 为 60S， V 为 0．O167S一 尼然 ，收缩温度升高 ， 增加 ，根据 不 同 温 度 下 的 v 可 以求 出收 缩 活 化 能。从而可理论计算给定操作条件下 ， POSF在包装线上 的理论包装速度。 3．5 收缩 曲线的应用 定时温度收缩 曲线 和恒温时间收缩 曲线叠加，可获得薄膜收缩率随温度、时 间变化的三维薄膜收缩表征图 (略) 该 图中收缩 区域将是一个立体 的收缩通 道：由图可确定给定薄膜在任何温度 、时 间下能达到的收缩率。用于指导薄膜在 包装生产线上 应用 ．应该是很方便的。但 多数 POSF的应用 者，并不希望经常性调 节生产状态 ，所关心 的只有 两条 ：其一 ， 该薄膜的物理和光学性能指标是否满足 包装强度、外观和货架期要求 ；其二是给 定薄膜收缩速度 和收 缩率是否满足包装 线的使用。在一定程度上，对薄膜的收缩 速率则更 为注重 。 POSF收缩 曲线 的应用主要 为 ：1)获 得薄膜储存环境的要求 ；2)测定薄膜收 缩的最敏感温度 区域 ；3)确定薄膜的最 高使用温度极限；4)求算薄膜的收缩率 ； 5)确定薄膜的收缩速率；6)确定薄膜使 用前的有效储存 期 但主要是判断薄膜 储存环境温度 、应用温度、和薄膜的储存 有 限期 限： 一 般 地 ．应用 温 度视包 装生 产线的 速度而定。包装生产线速度高 ，热收缩炉 烘道不长，则收缩炉烘道温度应提高 ，以 使薄膜经过烘道时达到的收缩温度的时 间尽可能延长些。例如 ，确定的包装线速 度为 6 8包／分钟，手工包装笔记本的 尺寸为 12x 8×1cm，烘道为 1米 的常规 红外收缩炉 ．选定薄膜的温度最敏感期 为 120~C，薄膜的该温度下的收缩速率 v 为 0．0167S一，则烘道温度设定应高于 160℃．才能获得满意的收缩效果：计算 依据是传热方程 和收缩速率和收缩速 度：试验发现，在保证收缩薄膜达到收缩 敏感温度下保持 t 的时间 ，均可获得非 常理想的贴体包装效果。 薄膜有效储存 的时间 ，是根据 POSF 本身的配方和储存环境而定的。常规的 自然环境储存 ，主要是考虑薄膜收缩速 率不能降低到很小。关于薄膜储存时效 的研究和探讨，另有文述 4 结论 通过上述研究 ，可以得到以下结论 1)收缩 率和 收缩速 率是 表征 POSF 的两大性质 。从收缩 曲线 中可获得薄膜 收缩温度敏感性和收缩速率。 2)应用收缩曲线 ，可判断薄膜稳定 储存的环境温度、应用温度和有效储存 (下转第 13页) 维普资讯 http://www.cqvip.com l3 都有其优缺点 ．如 ： 搭桥造 成熔融树挤 出不均 匀；旁路挤 Ⅲ压 力和主机 均衡导致 呵收料和新料混 合不均 ： 等 闲此 ，}l前 没 f 一种在线 嘲收 力式足完 美 的 图 l1 切边装置 lI．收卷 薄膜 的收 巷装置在整条生 绂 中 占 有 很重要 的地 泣，成 品膜 卷的质 要求 一 般为 ：膜卷张力均衡 、端面整齐 、不网 度误 差小等 ，这就 埘收卷装 置的张 JJ控 制 系统要求很 高．而在卷取结构 【．．大 多 采用转塔 式收卷或摆 臂式 收卷 ；张 控 制通过几种办法控制 ：张力辊控制 ．卷取 轴 中心张 力控制 ．表而接触 收卷等 l2．自动控 制 系统 早期 的生产线控制系统 ，一般 是各 ；件的 手lI_独 控制 ，生产线 的 自动 化 程度底 、产品质量难 以保证 、操作难 度 大 、对操作 ：[的水 平和经验要求高等 ，随 着：[控芯片 的技术 水平 的 但提 高 ，对 生产线 的 动化控 制 [i王成 为 1]j能 ，口 u 采用 的有 SIMENS公 司 的 STEP一7系 列 等，自动控制不仅包括了生产的 自动化 控制 ，同时具有历 史数据库记忆 、故障 自 动诊断 、通过 m~Mtem进行远程控制和修 改程序 、程序升级 、故障诊断和排除等工 作 一 } i 图 J2 自动控制系统 以 ：，我们 探讨 了用流延法生产薄 膜 的生产设备 的基本配置 、各模块组件 的功用 ，以 及各模块对 薄膜生产 的影响 、 各模 块 的部 件 的调 整 对 薄 膜 质 量 的影 响 ，以及在生产 过程 中，为了保证产品质 量应 注 意 的 关 于 设备 的部 件 调 节等 问 题 ，仅供参考 。 一 + ⋯ 一 一 一一 + + ⋯ 一 一 -一 + + + ⋯ 一 (上徭第 17页) 期。POSF的 T～SR曲线表 明其具有 良好 的自然环境储1c罕稳定性： 参 考 文 献 l Ij苏小刚 ，中国包装工业．1999 ：6I：16 l 2】黎 坛 ，中善恒装 ，20~7o 1。：86 3j周祥兴 ．塑料包装材料成型与彩日 一 ． 田物质 出版社 ．1997：449 4lK sIl【1as ，w．R K ：Suk[mdia．A ．Pu]5 T r 2 4 20I：9205 51温绍 ．阍持 兴 ，工 橙 荛等 ．高分 于材 料 科学 与 _I 程 ，I接收待发表 I 维普资讯 http://www.cqvip.com