流延聚丙烯薄膜生产工艺流延薄膜(Cast film)是通过熔体流延骤冷生产的一种无拉伸、非定向的平挤薄膜膜。
与吹膜相比,其特点是生产速度快,产量高,薄膜透明性、光泽性、厚度均匀性良好,各向性能平衡性优异。
同时,由于是平挤薄膜,后续工序如印刷、复合等极为方便,因而广泛的应用于纺织品、鲜花、食品、日用品的包装。
聚丙烯薄膜占世界PP总消费量的20%,是仅次于注塑、纤维(包括扁丝)的第三大应用产品,我国PP薄膜占PP消费结构份额相对低,仅为10%左右。
聚丙烯薄膜按制法、性能和不同用途可分为流延聚丙烯(CPP)薄膜、吹胀聚丙烯(IPP)薄膜和双向拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜三种。
流延聚丙烯薄膜(CPP)是以流延未经取向的生产工艺而制成的薄膜,符合GB/T 27740-2011国家质量监督检验检疫总局标准,其具有生产能力大,厚薄均匀性好,透明度高,尺寸稳定,热封性能好等特点而被广泛的应用于塑料复合软包装领域。
流延聚丙烯薄膜经印刷、制袋后可单独用于食品、服装、卫生纸巾、鲜花等等的外包装。
除此之外,由于其优良的透明性、低的热封温度,也可以作为各种复合膜的基膜使用,如:与PET薄膜、BOPP薄膜等进行复合,用于包装快餐类产品、茶叶等;与阻隔性树脂EvoH、PA、PVDC等通过粘合剂复合,来包装含油脂或汤汁类的食品。
其它如高温、中温蒸煮膜,金属化膜即真空镀铝膜等也是其重要的应用领域。
典型的薄膜性能见下表。
表:CPP薄膜性能CPP薄膜生产工艺CPP工艺一般采用T型模头法,这种制法特点为:(1)平膜法省去管膜法的吹膜阶段,容易开车,废料少;(2)平膜法生产时,PP分子排列有序,故有利于提高薄膜的透明性、光泽及厚薄均匀度,适合于高级包装;(3)平膜内设有特殊滞留槽,能与模隙成为一体,调整方便。
挤出机先将原料树脂熔化,熔融树脂经机头流延到表面光洁的冷却辊上迅速冷却成薄膜。
经厚度测量、牵引、电晕处理、展平后,切去边缘较厚的边料,再次展开并收卷为薄膜卷。
流延薄膜简易生产流程图如下:CPP膜生产工艺要点T型机头是生产关键设备之一,机头设计应使物料沿整个机唇宽度均匀地流出,机头内部流道内无滞留死角,并且使物料具有均匀的温度,需考虑包括物料流变行为在内的多方面因素。
要采用精密加工机头,常用的是渐减歧管衣架式机头。
冷却辊的表面应经过精加工,表面粗糙度不大于0.15mm,转速应稳定,以免产生纵向的厚度波动。
采用β射线或红外测厚仪对薄膜厚度进行监测,以达到满意的厚薄公差。
要生产合格的CPP薄膜,不仅要有好的原料,而且要掌握好加工工艺条件。
对薄膜性能影响最大的温度。
树脂温度升高,膜的纵向(MD)拉伸强度增大,透明度增高,雾度逐渐下降,但膜的横向(TD)拉伸强度下降。
比较适宜的温度为230~250℃。
冷却辊上风刀使薄膜与冷却辊表面形成一层薄薄的空气层,使薄膜均匀冷却,从而保持高速生产。
风刀的调节必须适当,风量过大或角度不当都可能使膜的厚度不稳定或不贴辊,造成折皱或出现花纹影响外观质量。
冷却辊温度升高,膜的挺度增加,雾度增大。
冷却辊筒表面若有原料内部添加物析出,必须停机清理,以免影响薄膜外观质量。
CPP薄膜比较柔软,收卷时必须根据膜的厚度、生产速度等因素调整好压力和张力。
否则会产生波纹影响平整性。
张力选择要根据产品的拉伸强度大小而定,通常收卷张力越大,卷取后的产品不易出现卷筒松驰和跑偏现象,但在开始卷取时易出现波纹,影响卷平整。
反之,卷取张力小,开始效果好,但越卷越易出现膜松驰、跑偏现象。
因此,张力大小应适中,并控制张力恒定。
多层复合CPP膜流延聚丙烯薄膜(CPP)的生产有单层流延和多层共挤流延两种方式。
单层薄膜主要要求材料低温热封性能和柔韧性好;多层共挤流延膜一般可分为热封层、支撑层、电晕层三层,在材料的选择上较单层膜宽,可单独选择满足各个层面要求的物料,赋予薄膜以不同的功能和用途。
所用材料,有均聚聚丙烯、二元无规共聚聚丙烯和三元无规共聚聚丙烯。
热封层因要进行热封合加工,要求材料的熔点较低,热熔性要好,热封温度要宽,封口要容易:支撑层对薄膜起到支撑作用,增加薄膜的挺性,同时降低成本;电晕层要进行印刷或金属化处理,要求有适度的表面张力,树脂中对助剂的添加应有严格的限制。
材料典型性能见下表。
表:CPP专用料典型性能多层共挤流延膜可根据不同用途,设计不同的如用于自动包装机上的面包包装、衣料(特别是内衣、裤)包装、水果包装等,或用于与印刷后BOPP膜复合成BOPP/CPP二层膜,用于衣料、干燥食品(如快餐面袋、碗盖等)包装,这一类称为通用型,结构是共聚PP/均聚PP/共聚PP。
用于金属镀的CPP,要求产品表面对蒸煮金属(如铝)具有极强的附着强度,蒸镀后仍能保持较好的尺寸稳定性和刚性,另一表面具有较低的热封温度和较高的热封强度,这种多层膜称为金属化型(镀金属)CPP膜,其结构亦为共聚PP/均聚PP/共聚PP。
用于蒸煮的二层共挤CPP,能承受120℃和15MPa压力的蒸煮杀菌。
既保持了内部食品的形状、风味,且薄膜不会开裂、剥离或粘结,并具有优良的尺寸稳定性,常与尼龙薄膜或聚酯薄膜复合,包装含汤汁类食品以及肉丸、饺子等食品或食前加工冷冻食品,蒸煮型三层PP膜结构为共聚PP/共聚PP/共聚PP。
包装烧鸡、烧排骨和果酱、饮料需121~135℃高温杀菌的三层共挤CPP膜,其中共聚PP要求比一般蒸煮型用共聚PP性能更好。
除三层膜外,还有共挤流延阻隔性五层包装,其结构为:PP/粘合剂/PA/粘合剂/共聚PE;PP/粘合剂/PA/粘合剂/EA;PP/粘合剂/EVOH/粘合剂/共聚PE;PP/粘合剂/EVOH/粘合剂/EVA;PP/粘合剂/EVOH/粘合剂/PP。
一些典型的三层共挤流延膜性能列于表2。
CPP膜原料CPP膜生产要选用专有牌号的树脂,一般要求熔体流动速率(MFR)为6~12g/10min的树脂,有一定熔体流动性,如上已述,流延生产树脂有PP均聚物和PP共聚物,PP共聚物特点是低温下仍具有优良的冲击强度,热封性好。
对三层共挤CPP的各层原料要求如下:(1)电晕处理层(电冲击层)MFR为6-12g/10min用作复合基材的三层共挤CP膜,为了提高其对油墨的粘着牢度以及与其他材料的复合强度,必须对它进行电晕处理。
利用高频发生器(H1F1G)产生的大量等离子气体及臭氧与聚烯烃表面分子直接或间接作用,使其表面分子链上产生羰基和含氨基团等极性基团,并粗化其表面,同时还能除去油污、干燥水气和尘垢。
为满足印刷和复合的需要,表面润湿张力达到318×1024N/cm就可以了,但是薄膜成型后总是要搁置一段时间才投入下道工序,在这段时间内表面润湿张力将会有所衰减,特别是头十天内,衰减速度较快。
为了抵销上述衰减,要求初始的表面润湿张力值必须达到414×1024~418×10-4N/cm。
当然表面润湿张力值不能处理得过高,否则薄膜表面因氧化过度而发脆,造成机械强度下降。
表面润湿张力的下降幅度与树脂中低分子添加剂的含量有直接关系。
低分子物越多,表面润湿张力的下降幅度越大。
据报道,当润湿剂含量大于2000μg/g时,表面润湿张力在一周内衰退得很快。
润湿剂含量控制在800~1200μg/g以内时,情况就大为好转。
综上所述,对电晕处理层原料的要求是:既要有一定的抗粘连性,又要严格控制低分子物的含量。
(2)中间层(芯层) MFR最佳为6~10g/10min。
芯层首先要有出色的刚性,所以芯层大多使用均聚物制成。
三层共挤CPP膜的芯层,其重量占全部膜重的60%~70%。
刚性是否达到要求,直接关系到后道工序能否顺利进行。
其次三层共挤CPP膜的良好光学性能(低雾度、高光泽度)也主要取决于芯层。
总之,CPP 薄膜的优越性能基本上靠芯层来体现,芯层的加工条件是最为苛刻的。
(3)热封层(非处理层)MFR为6~12g/10min。
除了滑爽性、抗粘连性、析出量少、挥发成分少等特性外,热封层首先要具备良好的热封性能。
如前所述,多层共挤CPP薄膜可分为蒸煮型和非蒸煮性两种。
蒸煮型又分为两种:一种是用于100~120℃蒸煮,原料用无规共聚物;另一种用于120℃以上蒸煮杀菌,原料必须用三元共聚物。
由此可见,一般的无规共聚物并不能满足CPP热封层的全部要求,而开发三元共聚物才具有较强的竞争力。
CPP膜应用和发展CPP薄膜品种繁多,有一般单层膜、复合膜、低温热封膜、超低温热封膜、耐低温冲击膜、抗静电膜、高温蒸煮膜、一般蒸煮膜、金属蒸镀膜、面包包装膜、蔬菜包装膜、纤维包装膜、容器复合用膜、纵向易撕开膜等。
CPP膜以复合用膜和蒸煮包装袋为主要市场,日本CPP复合用膜占总用量的50%。
由于CPP膜耐热性好,蒸煮包装是发挥其特长的领域,这两个领域的应用也是增长较快的市场。
复合膜主要用于食品包装,需求增长也快,而非食品包装增长相对较慢。
由于包装发展向分包化、小袋化、个人用包装、方便性和保鲜方向发展,有利于CPP膜的应用发展。
而金属蒸镀膜的阻氧、防湿、紫外线隔断性好,随阻隔包装增长而增长,与金属蒸镀PET膜比,综合性能差,但价格便宜,适用于小型包装。
金属蒸煮膜在农作物、小产物、蓄产物加工食品包装应用呈稳定和适度增长,而面包、纤维包装和规格袋应用呈负增长。
CPP膜应用由单层膜向复合膜方向发展,与LLDPE一起成为热封膜主要材料,CPP在耐热性、挺度、阻湿性方面优于LLDPE,但高熔点带来的低温密封性差和耐冲击性能差等缺点,需要开发优质改性CPP 树脂和共挤出技术来解决。