BOPP薄膜的高性能化和功能化發(fā)展方向
瀏覽次數(shù)：6052 發(fā)布時間：2015年12月14日 10:49:44
[導讀] 雙向拉伸聚丙烯薄膜（biaxially oriented polypropylene，BOPP）經(jīng)過這幾年的市場消化，迎來了新的發(fā)展時期，而且基本上的是寬幅高速的生產(chǎn)線。盡管有些企業(yè)想以規(guī)模體現(xiàn)效益，但越來越多的企業(yè)正在更加關(guān)注技術(shù)的進步與創(chuàng)新，提升產(chǎn)品的技術(shù)含量，以期增加BOPP薄膜在市場上的競爭力。
雙向拉伸聚丙烯薄膜（biaxially oriented polypropylene，BOPP）經(jīng)過這幾年的市場消化，迎來了新的發(fā)展時期，而且基本上的是寬幅高速的生產(chǎn)線。盡管有些企業(yè)想以規(guī)模體現(xiàn)效益，但越來越多的企業(yè)正在更加關(guān)注技術(shù)的進步與創(chuàng)新，提升產(chǎn)品的技術(shù)含量，以期增加BOPP薄膜在市場上的競爭力。
BOPP薄膜的高性能化
在現(xiàn)有薄膜物質(zhì)性能的基礎(chǔ)上，提升和改善BOPP薄膜重要的性能控制指標，是提高BOPP薄膜市場競爭力的重要手段。
長效抗靜電性能
在BOPP薄膜包裝使用過程中，薄膜的靜電由薄膜本身帶有的靜電和在包裝過程中因摩擦而產(chǎn)生的靜電兩部分組成。薄膜本身所帶的靜電較易控制，但在包裝過程中產(chǎn)生的靜電則較難于控制。薄膜的靜電會使其產(chǎn)生靜電粘附，這對切割、輸送、折疊薄膜等有不良影響，會造成薄膜上機運行故障。因此，若只強調(diào)薄膜本身的靜電值，而忽略了包裝過程中產(chǎn)生的靜電值，就會使薄膜的檢測性能很好，但上機運行時卻總是出現(xiàn)故障。
一般包裝機上，靜電可通過金屬或靜電消除器的快速傳導而轉(zhuǎn)移，另外，濕度較大的環(huán)境也有利于薄膜表面的靜電消除。遇上靜電比較大的薄膜或干燥的季節(jié)（例如冬季），使用企業(yè)可以提前將薄膜放入包裝車間，對包裝車間進行調(diào)節(jié)濕度處理，也可采用水潑濕車間地面或?qū)衩矸笤谀ぞ矶嗣娴姆椒?，以提高環(huán)境的濕度，易消除薄膜表面的靜電。
抗靜電特性是保證包裝順利進行的基本條件之一。大部分BOPP薄膜都要求具備良好的抗靜電性能，以防止薄膜放卷和與設(shè)備摩擦產(chǎn)生的靜電粘附，因此，抗靜電是BOPP薄膜要求的基本特性之一。 目前，通常選用內(nèi)添加型抗靜電劑，這些抗靜電劑大多是表面活性類助劑，它們具有遷移性，都將對薄膜的光學性能和摩擦性能產(chǎn)生影響。實際生產(chǎn)中，薄膜的光學性能在3個月后都將因為抗靜電劑的遷移而超出控制標準。因此，在目前的技術(shù)基礎(chǔ)上，以較少的抗靜電劑加入量獲得理想、平穩(wěn)和持續(xù)的抗靜電性將是主要的研究方向之一。長效抗靜電性能的BOPP薄膜的深入研究可以從兩方面考慮：一是BOPP薄膜表面的極性化；二是擺脫抗靜電性對濕度的依賴，直接在表層加入導電物質(zhì)。長效或者永久型抗靜電劑已有工業(yè)化應(yīng)用，但是加入量太大，成本較高，而且對光學性能的負面影響較大。
差異化摩擦性能
盒式包裝用BOPP薄膜，通常要求其具有差異化滑動性能，即要求薄膜內(nèi)層和外層的摩擦系數(shù)不同。在包裝過程中，薄膜外表層在下膜通道、成型輪槽、折疊板、烙鐵等金屬部件上運行時，其摩擦系數(shù)應(yīng)該控制在較低水平，但由于這些金屬部件大都是在50℃以上的高溫條件下運轉(zhuǎn)的，隨著溫度的升高，薄膜的摩擦系數(shù)升高，特別是45℃之后，摩擦系數(shù)上升更快，因此，控制高溫條件下薄膜對金屬的熱摩擦系數(shù)更加重要，這樣才能確保薄膜在熱金屬部件上滑動運行順暢。薄膜的內(nèi)面在包裝過程中與紙接觸，其摩擦系數(shù)應(yīng)該控制在稍高水平，以利于盒式產(chǎn)品在成型輪內(nèi)與薄膜的定位良好，提高薄膜的折疊質(zhì)量，從而獲得緊湊和挺括的包裝效果。該方向上進一步的研究，可以從如何調(diào)整內(nèi)外層的差異化摩擦系數(shù)，以適應(yīng)定位和高速包裝的需求方面著手。
在BOPP薄膜中，影響摩擦系數(shù)的因素很多。
1）爽滑劑的種類。硅油類和酰胺類爽滑劑具有良好的高低溫爽滑性能，而蠟類的常溫滑動性能較好。爽滑劑能顯著降低摩擦系數(shù)，是影響薄膜摩擦性能的主要因素。
2）抗黏連劑?？桂みB劑一般是粒徑為2～5μm的固體粉末，將其添加到薄膜表層可以形成許多凸起，會使薄膜層與層之間、薄膜與外介面之間的實際接觸面積減少，從而降低其黏結(jié)力，相互滑動就會較容易，有利于摩擦系數(shù)的降低。當然，抗黏連劑的種類對摩擦系數(shù)的影響大小不一樣。
3）抗靜電劑。常用的內(nèi)添加型抗靜電劑都是表面活性劑，能降低薄膜的表面張力，從而降低摩擦系數(shù)。
4）表層料。如果薄膜表層使用聚丙烯均聚物，由于均聚聚丙烯（polypropylene，PP）的結(jié)晶度較高，用其生產(chǎn)的薄膜不僅剛性高而且表面硬度好，所以薄膜的摩擦系數(shù)較低。但若要求薄膜具有良好的熱封性能，則必須在其表層使用共聚物，由于共聚PP的結(jié)晶度較低，生產(chǎn)的薄膜相對較柔軟，薄膜表面較黏，所以薄膜的摩擦系數(shù)相對較高。
企業(yè)生產(chǎn)中，對產(chǎn)品的摩擦系數(shù)要求有很大不同，如有的要求薄膜的摩擦系數(shù)超過1，即生產(chǎn)防滑BOPP薄膜；有的要求薄膜的摩擦系數(shù)低于0.15，生產(chǎn)超爽滑BOPP薄膜。
低溫熱封性能
薄膜的熱封性能表現(xiàn)為熱封溫度和熱封強度，熱封溫度一般應(yīng)控制在85～110℃之間。熱封溫度范圍窄的薄膜，在包裝機上的可調(diào)整熱封溫度范圍很窄。設(shè)定的熱封溫度稍高，就會使得燙口起皺；而設(shè)定熱封溫度稍低，又會出現(xiàn)封口不緊等問題。不同的包裝機，其熱封條件也不同，且同型號的設(shè)備在不同運行環(huán)境中，其需要的熱封溫度也不同。因此，較寬的熱封溫度范圍，使得薄膜有較好的熱封適應(yīng)性，可以確保其在各種包裝機上的運行暢順。
薄膜生產(chǎn)企業(yè)采用的專用熱封材料一般為乙丙二元共聚物、乙丙丁三元共聚物和它們的混合物，這3種熱封材料的熔點依次為135, 125, 115℃，呈逐步降低的趨勢，因而以2.0N/mm2作為薄膜的最低熱封強度時，它們的初始熱封溫度分別由高降至低為115, 105, 100℃。這3種熱封材料的熱封范圍依次為：115～150℃，105～150℃，100～150℃。從無規(guī)則共聚物到混合物，由于多相的存在及乙烯含量的增加，薄膜的熱封范圍逐步增大，因此，在薄膜生產(chǎn)配方設(shè)計時，不同的包裝速度應(yīng)選用不同的熱封材料。如包裝速度小于400包/min的薄膜選用聚丙烯無規(guī)二元共聚物較為合適，而速度大于400包/min的薄膜應(yīng)選用三元共聚物或低溫混合物。
BOPP薄膜的熱封強度還與熱封層的厚度有關(guān)，如有研究表明，總厚22μm標準配方薄膜的熱封層料為無規(guī)二元共聚物，對于表層與芯層厚度結(jié)構(gòu)分別為0.8μm/20.4μm/0.8μm和1.5μm/19μm/1.5μm的2種薄膜，在不同的熱封溫度下測定它們的熱封強度，發(fā)現(xiàn)在一定熱封范圍內(nèi)，薄膜的熱封強度隨著熱封層厚度的增加而增加。在實際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)使用需要來控制熱封層厚度，一般情況下，22μm標準薄膜的熱封層厚度為0.8～1.2μm，對包裝速度較慢的薄膜，由于使用時熱封時間稍長，可適當調(diào)整薄膜熱封層厚度。在薄膜的配方設(shè)計過程中，還應(yīng)該考慮各種助劑對熱封性能的影響。熱封材料的選取和使用方法直接影響薄膜的上機包裝性能。用于熱封的聚丙烯樹脂必須具有較低的熱封溫度和較高的熔點，這是高速熱封材料發(fā)展的一個趨勢。
可調(diào)的熱收縮率
對于香煙包裝用BOPP薄膜，一般分為普通型煙膜和熱收縮型煙膜兩類。普通型煙膜的熱收縮性能較小，熱收縮率一般應(yīng)控制在2%～5%，一般用于香煙的小盒軟包和條盒包裝。熱收縮型煙膜的熱收縮性能較高，熱收縮率一般應(yīng)大于7%，在包裝后可使煙包緊湊，具有更加均勻的包裹性，同時能保證煙包長時間的緊繃而不松垮。其主要的特點是具有優(yōu)良的貼體包裝效果，克服了普通型煙膜對硬盒包裝薄膜松弛皺褶問題；此外，熱收縮型煙膜采用特殊的加工工藝和配方，因而具有低溫熱收縮性能，并且具有更好的高速包裝性能。
調(diào)節(jié)薄膜的熱收縮率可從如下幾個方面入手。
1）在芯層加入增剛母料。增剛母料具有較低的熔點，與PP相容性較好，在BOPP薄膜的拉伸過程中易導致高分子鏈具有較高的取向度。增剛母料加入量可在0～30%之間調(diào)節(jié)，因此可以使薄膜獲得0～12%的熱收縮率。但是增剛母料也容易造成薄膜產(chǎn)生較大的后收縮現(xiàn)象。
2）調(diào)整拉伸工藝。BOPP薄膜的縱向收縮率是其主要的控制指標，在拉伸工藝方面，可以通過調(diào)整縱向拉伸比、拉伸預熱溫度和拉伸溫度來調(diào)節(jié)薄膜的熱收縮率。例如縱向拉伸比為6倍、拉伸預熱溫度為115℃、拉伸溫度為95℃時，可以獲得的熱收縮率為4%～5%；而為了提高收縮率，提高拉伸比到6.2倍、降低拉伸預熱溫度和拉伸溫度分別為112℃和90℃，薄膜的熱收縮率可以達到9%～10%。
3）控制定型溫度。熱收縮率還與薄膜橫拉后的定型溫度有關(guān)，薄膜的取向與解取向是一對矛盾，在一定溫度下，薄膜的解取向是自發(fā)進行的。薄膜橫向拉伸后的定型溫度一般為135～155℃，在這樣的高溫下，薄膜的解取向可迅速發(fā)生，實際生產(chǎn)中，通過調(diào)節(jié)定型溫度也能控制薄膜的熱收縮率。
但是在調(diào)節(jié)薄膜的熱收縮率過程中，應(yīng)防止薄膜后收縮的產(chǎn)生。
香煙包裝BOPP薄膜同樣適用于一般的盒式產(chǎn)品包裝。
高光澤、低霧度
在保證薄膜能正常上機包裝以外，BOPP包裝薄膜最重要的功能就是亮麗的包裝外觀。雖然人眼是評估薄膜光學性能的直接工具，而且用戶的最終評價也僅是憑直覺，然而從質(zhì)量管理的角度來看，僅僅靠視覺來進行控制是不夠的，因為照明條件、觀察者心情、甚至觀察的角度都會影響目視效果。為了得到可靠而現(xiàn)實的質(zhì)量保證，需要用客觀的，可測得的參數(shù)來定量外觀。從光學基本原理出發(fā)，出現(xiàn)了BOPP薄膜光學性能的兩個重要的定量指標，即光澤度和霧度。
光澤度用于評估薄膜表面的視覺效果。由薄膜表面上直接反射的光越多，光澤度就越高。高光澤表面反射的光線高度集中，能清晰地反射影像；低光澤的表面反射的光線朝各個方向上漫反射，成像質(zhì)量降低。因此，BOPP薄膜表面應(yīng)具有較高的表面平整度，較高的光澤度能給煙包帶來亮麗的視覺效果。霧度反稱透明度，為測量透射光線偏離入射光線方向大于某個角度光線的百分比。小角度散射時，包裝內(nèi)容物比較清晰；散射角度大且不一致會造成對比度減少，包裝內(nèi)容物朦朧，較低的霧度可以顯示產(chǎn)品外盒商標圖案的清晰鮮艷。
追求高光澤和高透明性一直是BOPP薄膜企業(yè)研究開發(fā)的目標，盡管近年來國內(nèi)BOPP薄膜的質(zhì)量有了很大提高，但是在光學性能方面仍然與國外的薄膜有較大差距。從目前的技術(shù)研究狀況來看，以下幾個方面是今后研究的方向。
1）主體材料的創(chuàng)新應(yīng)用。國內(nèi)三層不對稱結(jié)構(gòu)薄膜芯層一般采用均聚PP，表層采用二元或三元共聚PP。對于能否采用新的材料取代或者共混其它材料做基材，國內(nèi)很少有企業(yè)進行研究。PP是一種半結(jié)晶聚合物，晶體結(jié)構(gòu)對薄膜的光學性能影響很大，如何調(diào)整芯層和表層的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)而獲得較理想的光學性能，國外科研人員已經(jīng)做了許多工作。
2）添加劑的合理使用。添加劑中抗黏連劑、抗靜電劑對薄膜的光澤度和透明性有較大的影響，減少它們的用量將可以大大改善薄膜的光學性能，或者使用對光學性能小的抗黏連劑、抗靜電劑。
3）重新對薄膜的三層結(jié)構(gòu)進行合理設(shè)計。在滿足上機性能要求的前提下，對三層結(jié)構(gòu)的厚度比和總厚度重新設(shè)定。超薄化有利于薄膜光學性能的提高，這也是薄膜開發(fā)的一個重要方向。
4）加大對薄膜光學基礎(chǔ)的研究。BOPP薄膜光學性能一直沒有突破性的進展，最重要的原因在于對薄膜的光學基礎(chǔ)研究不充分，企業(yè)研發(fā)人員在開發(fā)新產(chǎn)品的過程中存在極大的盲目性。對于影響薄膜的表面光澤度和霧度的根本原因沒有系統(tǒng)、深入、規(guī)律性地研究。特別是對于助劑之間、助劑與PP之間、三層結(jié)構(gòu)之間的相互作用及對薄膜光學性能的影響沒有進行廣泛的研究。
挺度、耐磨等
除以上提及的性能之外，挺度也是BOPP薄膜的重要性能。在薄膜產(chǎn)品的指標控制過程中，并不直接測量挺度，而是以彈性模量來反映。彈性模量越大，則挺度越高。薄膜挺度較高時，可以在包裝成型過程中獲得高折疊質(zhì)量，并可以在很短的停頓時間內(nèi)就達到良好的熱封效果。高挺度是提高包裝速度的前提條件，適用于自動變速的高速包裝機。
目前，BOPP薄膜急切要解決的一個技術(shù)問題是提高薄膜的表面耐擦傷性能，雖然有研究在提高基體PP的硬度方面做了一些工作，但是問題沒有得到根本解決，有些廠家推出抗磨花BOPP薄膜，經(jīng)過對比分析，實際上只是一定程度減輕了其表面擦傷。深入研究薄膜表面易擦傷的根本原因，以及抗黏連劑顆粒對表面抗擦傷的負面作用，是BOPP薄膜高性能化的一個重要方向。
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