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(lèi)很多，包括傳統(tǒng)的氨類(lèi)爽滑劑以及新近的專(zhuān)業(yè)化無(wú)遷移型爽滑劑。在碾壓完成前后，專(zhuān)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)爽滑劑。這類(lèi)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(lèi)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(lèi)及雙酰胺類(lèi)爽滑劑：與伯酰胺類(lèi)爽滑劑相比，這些具有較大分子量的氨類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)爽滑劑，會(huì)在聚丙烯類(lèi)共聚物表層發(fā)生遷移，但是不會(huì)在聚丙烯類(lèi)均聚物的核心層發(fā)生遷移。與伯酰胺類(lèi)爽滑劑相比，仲酰胺類(lèi)爽滑劑以及雙酰胺類(lèi)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(lèi)爽滑劑以及雙酰胺類(lèi)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(lèi)爽滑劑以及雙酰胺類(lèi)爽滑劑產(chǎn)生的影響通常也小于伯酰胺類(lèi)爽滑劑。
氨類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)似于metalloceneLLDPE（茂金屬線(xiàn)型低密度聚乙烯）這類(lèi)的高度無(wú)定形類(lèi)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(lèi)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(lèi)爽滑劑和仲酰胺類(lèi)爽滑劑的30倍到50倍。由于這類(lèi)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(lèi)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(lèi)爽滑劑材料在一些專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域中有所應(yīng)用。這類(lèi)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?lèi)爽滑劑的薄膜在擠出之后，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(lèi)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(lèi)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(lèi)問(wèn)題時(shí)，都會(huì)向其中加入無(wú)機(jī)或者有機(jī)類(lèi)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(lèi)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(lèi)、硬脂酸鹽、硅樹(shù)脂以及聚四氟乙烯（PTFE）在內(nèi)的有機(jī)類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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?？刂坪梦⒘３叽绲姆植疾⑶冶M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(lèi)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(lèi)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(lèi)材料的成本是高于無(wú)機(jī)類(lèi)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(lèi)抗粘連劑包括：氨類(lèi)化合物、有機(jī)硬脂酸鹽、金屬硬脂酸族類(lèi)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(lèi)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(lèi)抗粘連劑來(lái)提高無(wú)機(jī)類(lèi)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(lèi)抗粘連劑需要一定的時(shí)間以遷移到薄膜表層。在類(lèi)似于EVA（乙烯乙基丙烯酸酯）這樣的軟性高分子材料中，氨類(lèi)抗粘連劑比無(wú)機(jī)類(lèi)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(lèi)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(lèi)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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