熱收縮聚酯(PET)薄膜的加工與應(yīng)用

熱收縮塑料薄膜的要求是在常溫下穩(wěn)定,加熱時(玻璃化溫度以上)收縮,并且是在一個方向上發(fā)生50%以上的熱收縮較為理想。熱收縮塑料薄膜包裝的特點是:貼體透明,體現(xiàn)商品形象;緊束包裝物,防散性好;防雨、防潮、防霉;無復(fù)原性,有一定防偽功能。熱收縮塑料薄膜常用于方便食品、飲料、電子電器、金屬制品等的包裝,特別是收縮標簽為其最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。

熱收縮塑料薄膜除了用作收縮標簽外,近年來也開始用于日用商品的外包裝。因為它既可使包裝物品避免受到?jīng)_擊,防雨、防潮、防銹,又能使產(chǎn)品以印刷精美的外包裝贏得用戶,同時它能很好地展示生產(chǎn)廠家的良好形象。目前,越來越多的包裝廠家采用印花收縮薄膜來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的透明薄膜。因為印花收縮薄膜可以提高產(chǎn)品的外觀檔次,有利于產(chǎn)品的廣告宣傳,可使商標品牌在消費者心中產(chǎn)生深刻的印象。

熱收縮塑料薄膜一般多以無定形塑料加工制得,例如聚苯乙烯、聚氯乙烯、PVDC等。聚苯乙烯(PS)收縮膜強度低、不耐沖擊,故很少被使用;而聚氯乙烯(PVC)不利于回收處理,不符合環(huán)保要求。在國外,特別是在歐洲,聚氯乙烯(PVC)塑料薄膜已被禁止在包裝領(lǐng)域尤其是食品包裝方面的使用。

聚酯(PET)熱收縮薄膜則是一種新型熱收縮包裝材料。由于它具有易于回收、無毒、無味、機械性能好,特別是符合環(huán)境保護等特點,在發(fā)達國家聚酯(PET)已成為取代聚氯乙烯(PVC)熱收縮薄膜的理想替代品。

熱收縮聚酯(PET)薄膜的共聚改性

聚酯(PET)薄膜是一種結(jié)晶型材料,普通聚酯薄膜經(jīng)過特殊工藝處理只能得到30%以下的熱收縮率。若要獲得熱收縮率較高的聚酯薄膜,則必須對其進行改性。也就是說,為了制備高熱收縮率的聚酯薄膜,需要對普通聚酯即聚對苯二甲酸乙二醇酯進行共聚改性。共聚改性后的PET薄膜其最高熱收縮率可高達70%以上。

普通聚酯一般是由對苯二甲酸(PTA)與乙二醇(EG)經(jīng)過酯化、縮聚反應(yīng)而制得,屬于結(jié)晶型聚合物(嚴格講是結(jié)晶區(qū)和非晶區(qū)共存的聚合物)。所謂共聚改性就是除了對苯二甲酸(PTA)與乙二醇(EG)兩種主要組分之外,再引入第三甚至第四組分參與共聚,目的是使之生成不對稱的分子結(jié)構(gòu)而形成無定形的PET共聚物。

引入的第三甚至第四單體可以是二元酸或二元醇。其中,二元羧酸有間苯二甲酸、丙二酸、丁二酸、己二酸、癸二酸等;二元醇有新戊二醇、丙烯二醇、二甘醇、1.4環(huán)己烷二甲醇等。如以二元羧酸(Acidic)進行共聚改性時,所制得的PET共聚物,稱之為APET;若以二元醇(Glycolic)進行共聚改性時,所制得的PET共聚物,則稱之為PETG。

上述引入的第三單體中,最常采用的二元羧酸是間苯二甲酸(IPA)。IPA的加入可改變聚酯對稱的緊密結(jié)構(gòu),破壞大分子鏈的規(guī)整性,從而降低大分子間的作用力,使聚酯分子結(jié)構(gòu)變得比較柔順。同時,由于IPA的引入,使聚酯難于成核結(jié)晶,并且隨著IPA引入量的增加,APET共聚物由部分結(jié)晶向非結(jié)晶聚合物過渡,由于這種改性聚酯APET的結(jié)晶能力下降,無定形區(qū)變大,故可用于制造高收縮薄膜。推薦IPA的加入量在20%左右為宜。

引入的第三單體也可以是二元醇。最常用的二元醇是1.4環(huán)己烷二甲醇(CHDM)。在聚酯共聚過程中,加入CHDM對改變聚酯的tg、tm和結(jié)晶速率均會產(chǎn)生很大的影響。隨著CHDM含量的增加,共聚酯PETG的熔點下降、玻璃化溫度上升、共聚物變?yōu)榉蔷B(tài)結(jié)構(gòu)。不過,1.4環(huán)己烷二甲醇(CHDM)的加入量須控制在適當?shù)姆秶鷥?nèi),通常推薦CHDM加入量為30~40%。這種用二元醇改性的PETG不僅可用于制備高收縮薄膜,也可用來生產(chǎn)熱封膜、高透明膜片等,用途十分廣泛。

熱收縮薄膜的收縮機理

以BOPET薄膜的生產(chǎn)工藝為例,其生產(chǎn)流程是先將PET共聚樹脂進行干燥處理,然后加入擠出機中熔融擠出、通過模頭/冷鼓鑄片,隨后將鑄片加熱到玻璃化溫度以上、熔融溫度以下的某一適當溫度范圍內(nèi),并在外力作用下,進行單向或雙向一定倍數(shù)的拉伸,通常要求進行橫向3.5~4.0倍的拉伸。通過拉伸使PET大分子鏈沿外力方向取向,接著使之冷卻定型,使已取向的PET分子結(jié)構(gòu)“凍結(jié)”定型。這種外力作用下的高彈形變具有熱收縮的“記憶效應(yīng)”,當把這種具有“記憶效應(yīng)”的薄膜再加熱到拉伸溫度以上時,被凍結(jié)了的大分子取向結(jié)構(gòu)開始松馳,在宏觀上表現(xiàn)為PET薄膜發(fā)生收縮。值得一提的是這種PET薄膜熱收縮主要是由取向的無定形部分所貢獻。這也是為什么共聚改性的無定形PET薄膜(APET或PETG)要比普通結(jié)晶型PET薄膜熱收縮率大得多的緣故。因此,通過增加薄膜中取向的無定形區(qū)便可以達到大大提高薄膜熱收縮率的目的。如前所述,普通聚酯薄膜的熱收縮率僅在30%以下,而共聚改性的聚酯的熱收縮率可高達70%以上。

熱收縮聚酯薄膜的生產(chǎn)工藝條件及其影響簡單介紹如下:

1. 干燥處理:由于聚酯大分子鏈中含有酯基,有吸濕性傾向,在受熱的情況下,即使有微量的水分存在,也極易發(fā)生水解。其結(jié)果是,在成型加工的過程中,會產(chǎn)生大量的氣泡,影響正常生產(chǎn);同時,因水解降解,使分子量下降,PET品質(zhì)變劣。所以在熔融擠出加工之前,必須進行干燥處理。推薦采用真空轉(zhuǎn)鼓干燥,干燥溫度70~75℃,干燥時間>6h 。

2. 熔融擠出:經(jīng)過干燥處理的共聚PET樹酯便可加入單螺桿擠出機進行熔融擠出 ,各段溫度設(shè)定為:180—240—260—270—275℃,熔體溫度約270℃。

如果采用排氣式雙螺桿擠出機進行熔融擠出,則可省去真空轉(zhuǎn)鼓干燥系統(tǒng)。因為排氣式雙螺桿擠出機一般設(shè)置有兩個排氣口,它們分別與兩個抽真空系統(tǒng)相連。通過真空泵抽真空可將PET樹酯中所含水分及熔融擠出過程中產(chǎn)生的低分子物抽走,達到同樣的效果,而且可以大大節(jié)省投資和運行成本。

3. 流延鑄片:熔融擠出的熔體通過熔體計量泵、過濾器、熔體管道進入衣架式模頭后從模唇口流延至冷卻轉(zhuǎn)鼓上而形成鑄片。冷卻轉(zhuǎn)鼓的冷卻水溫度控制在30℃左右。

4. 單向拉伸:高熱收縮聚酯薄膜常要求單向收縮,特別要求是橫向熱收縮。橫向拉伸的預(yù)熱溫度為90~100℃,拉伸溫度為105~110℃,拉伸倍數(shù)3~3.5倍。鏈夾須加強風(fēng)冷,控制夾子溫度在110℃以下,以防止共聚樹脂粘夾。拉伸后的PET薄膜立即進行冷卻而無須進行熱定型處理。

5. 收卷、分切:經(jīng)過單向拉伸的PET薄膜通過在線測厚、牽引收卷,最后根據(jù)用戶要求的規(guī)格進行分切、檢驗、包裝,即為熱收縮薄膜成品。

隨著中國塑料包裝工業(yè)的不斷發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,果汁、汽水等飲料大多采用綜合性能優(yōu)良、有較好阻隔性能、無毒無味的PET塑料瓶進行包裝,其用量十分可觀。據(jù)統(tǒng)計,目前全國PET飲料瓶用量至少達25萬噸以上,與之配套的PET熱收縮標簽薄膜用量則可達2~3萬噸。另外,自中國加入WTO以后,對外貿(mào)易不斷擴大,為了提高出口商品的形象和價值,也必須使用聚酯熱收縮薄膜等較高檔的包裝材料。總之,熱收縮PET薄膜的應(yīng)用前景十分看好!

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