摩擦系数在BOPA薄膜使用过程的影响
http://www.packltd.cn 时间:2021年10月25日 关注数:1494 次 |
摘要：摩擦系数是BOPA薄膜的基本物性之一。当两个相互接触的物体之间有相对运动或相对运动趋势时，其接触表面产生的阻碍相对运动的机械作用力就是摩擦力。BOPA薄膜的摩擦性能可以通过材料的动、静摩擦系数来表征。
摩擦系数是BOPA薄膜的基本物性之一。当两个相互接触的物体之间有相对运动或相对运动趋势时，其接触表面产生的阻碍相对运动的机械作用力就是摩擦力。BOPA薄膜的摩擦性能可以通过材料的动、静摩擦系数来表征。静摩擦力是两接触表面相对移动开始时的最大阻力，其与反向力之比就是静摩擦系数；动摩擦力是两接触表面以一定速度相对移动时的阻力，其与反向力之比就是动摩擦系数。
摩擦系数是量度包装材料滑动特性的指标，薄膜材料表面爽滑并具有适当的摩擦系数对于薄膜在印刷、复合、制袋、加工及包装运输来说非常重要，生产不同摩擦系数的塑料薄膜对使用范围及在不同地域、环境的包装材料组合产品中各有不同的需求和影响。
一、BOPA薄膜的表面摩擦系数、粗糙度和爽滑性：
BOPA薄膜的表面摩擦系数、粗糙度和爽滑性，此三项指标的关系是相辅相承的。
静态摩擦系数与使物体从静止到移动所需要的力有关，动摩擦系数是指维持物体运动所需要的力。薄膜滑爽性的好坏可以用摩擦系数大小来进行评价。评价滑爽性，这两个参数都具有重要的参考价值。静动摩擦系数一般都具有相同的变化趋势，滑爽性有所改善时，静动摩擦系数都会有所下降。另外，为了更加符合生产和下游客户的使用需求，可以模拟在不同温度及不同时间条件下的变化进行检测摩擦系数的。对于迁移型滑爽剂，由于润滑层的形成和变化可能会引起薄膜表面润湿张力的变化，所以薄膜润湿张力（电晕值）的变化也可以作为薄膜滑爽性变化的一个参考数据。
1、BOPA薄膜表面的摩擦系数：
在BOPA薄膜的生产中，薄膜的摩擦系数是一项重要的技术指标。一方面它和薄膜抗粘连性能一起成为薄膜开口性的量化评定指标，另一方面又可作为自动包装机运行速度、张力调节、薄膜运行中磨损的参考数据之一。在印刷、复合、制袋、加工、包装运输的过程中，同样对塑料薄膜的摩擦系数有一定的要求．薄膜表面摩擦系数与其表面的粗糙度成直线关系。在一定条件下，表面粗糙度越大，摩擦系数越小。也就是说，降低薄膜表面的摩擦系数对印刷、复合、镀铝有利，利于增加它们与塑料薄膜之间的结合面，利于提高它们之间的粘合力。摩擦系数的大小是通过添加剂量进行调节的。
2、BOPA薄膜的表面粗糙度：
表面粗糙度是指薄膜表面所具有的在较小间距上的微小峰谷不平度的微观几何尺寸特征的综合评价。适当的表面粗糙度有利于油墨印刷、复合和真空镀铝，这是肯定的。当然，粗糙度过大则可能会造成油墨、胶液或铝分子不能填满薄膜表面凹陷，形成空隙而影响两者之间的附着力，严重时会导致油墨、胶液或镀铝层与薄膜脱离分层，印刷时小网点丢失等弊病。
一般BOPA薄膜的表面非常光滑，光滑的表面在薄膜收卷时会产生粘连，无法正常收卷，也不容易放卷。同时，光滑的薄膜表面对油墨印刷、复合和真空镀铝也非常不利，因为光滑的表面会大大降低油墨、胶粘剂与薄膜之间的附着力，包括油墨、胶粘剂与铝箔和薄膜之间的附着力。为了使薄膜表面具有一定的粗糙度（除电晕处理外），以增加其与其它物质的黏结力，通常采用在薄膜树脂中添加某种抗粘连剂的方法，使在塑料薄膜成膜过程中的薄膜表面形成一定的粗糙度。薄膜表面粗糙度的大小与添加剂(抗粘连剂)的种类、添加剂添加的数量、添加剂的粒径与形状、添加剂的分散性、添加剂的表面处理等因素有关。根据不同类型薄膜和用途的不同而选用不同的添加剂。随着薄膜中添加剂含量的增加，薄膜的摩擦系数μs下降，表面粗糙度增大，膜面粗糙度一般控制在Ra=0.08~0.16较为适合。
3、BOPA薄膜的爽滑性
滑爽性主要受到添加剂种类和含量等的影响，同时也受电晕处理的影响。另外，薄膜使用环境、下游使用工艺条件、生产环境也会对滑爽性造成影响。薄膜的滑爽性对薄膜生产过程和下游客户的使用过程的顺利进行都很重要。这就要求薄膜生产过程要对滑爽性进行控制，以便能够提供适当的滑爽性，同时又不会由于添加剂的析出对下游客户的使用造成其他故障。
爽滑剂又被称作润滑剂。润滑剂分为内润滑和外润滑两类。在加工CPP（IPP）、CPE（IPE）薄膜时，爽滑剂通常会被加在热封层当中，在加工BOPP薄膜时，爽滑剂通常会被加在芯层当中。这些润滑剂的分子会迁移至薄膜的表面（"外迁"）形成一层油性表面，而起到改善薄膜表面性能的润滑作用，降低摩擦系数。添加量视薄膜的厚度及客户所要求的摩擦系数值而定。在BOPET和BOPA薄膜的加工过程中并不需要使用酰胺类的爽滑剂。
二、摩擦系数对BOPA薄膜在凹版印刷工艺的影响：
1、印刷中一般要求有较小的内层摩擦系数和合适的外层摩擦系数，外层摩擦系数太大，会引起印刷过程中阻力过大，引起材料拉伸变形影响印刷效果，若太小可能又会引起拖动机构打滑，造成纠偏系统不准，印刷牢度降低，还会影响包装速度。另外，油墨的细度低，颜料颗粒粗，印刷过程中摩擦系数大，印版的耐印率就低，印刷时还容易产生糊版、积墨以及传墨不均的情况。以尼龙薄膜为例：常温下一般要求BOPA薄膜表面（非处理面）的动摩擦系数在0.2~0.4之间。而四川、重庆等湿度较高地区，BOPA薄膜表面（非处理面）的摩擦系数应小于0.25。为适应成品袋快速打码要求，因此BOPA薄膜推出高爽滑和超爽滑产品，以适应市埸需求。（图1）为不同湿度条件下BOPA薄膜非/非的摩擦系数，从表中可以看出，吸潮性大的尼龙膜一般在20分钟内吸湿达饱和状态，而薄膜吸湿饱和后其摩擦系数变化不大。
要说明的是：在GB/T20218--2006标准中，摩擦系数（动）非处理面/非处理面指标为0.6，而在此提出0.2~0.4之间是由于原标准制定已有十年之久，而这十年间正是尼龙膜及其使用具有飞越发展的十年，许多特性原指标已远不适应目前市场和产品发展需求。
不同湿度条件下BOPA薄膜非/非的摩擦系数（图1）
2、在高温高湿使用条件下，考虑摩擦系数的影响时，应特别注意的是为提高油墨与基材的结合牢度和提高印刷速度。一般在使用中，机台金属部件大都是在 50℃左右的高温条件下运转。而温度的提高对摩擦系数影响却很大，因为高温条件下高分子材料大分子热运动能力加强，活动速度加快，分子间隙变大，表面性能发生变化会使薄膜摩擦系数随之变化。一般来讲，随着环境温度的升高，材料表面的摩擦系数会有一定的变化，但变化的大小因材料对温度的敏感程度和所加助剂种类及多少而有较大差异。在印刷前不仅要测量BOPA膜在常温下的摩擦系数，还应检测实际使用环境温湿度下的摩擦系数变化。
三、摩擦系数对BOPA薄膜在复合、熟化工艺的影响:
1、对薄膜收卷张力和质量的影响:
BOPA薄膜在实际使用中虽然有做印刷层，复合中间夹层, 也有做为热封层的PE和CPP。但在复合中，由于热封层材料的摩擦系数的变化也会影响到其复合剥离牢度等，其中以爽滑剂的种类、含量最为重要。
薄膜的爽滑性主要是通过添加爽滑剂来实现的，在薄膜成型后，爽滑剂从薄膜内迁移到表面，聚积成均匀的薄层，能够显著地降低薄膜的摩擦系数，使薄膜具有良好的爽滑效果。PP、PE的爽滑剂大多都是无机高分子材料(如胺类)，与树脂相溶性不好，通常从30℃开始，常用的爽滑剂已接近其熔点而变得粘结，薄膜的摩擦系数便急剧上升，测试时施加的力会波动很大，呈现一种间歇性滑动或粘结效果。如果爽滑剂含量过高的话，还会影响到薄膜的印刷、复合适性，这对印刷、复合是极为不利的。复合收卷后的复合薄膜层间的压力及距离还与构成复合薄膜的各基材自身的厚薄均匀度及印刷图案的设计、墨层的厚度有着密切的关系。墨层越厚，则收卷后该部位的硬度就越大，则意味着该处的复合薄膜层间的压力越大、层间的距离越小，从膜中"外迁"出来的滑爽剂"迁移"到另一薄膜中去的机率就会更大、数量就会越多。其结果就是上述墨层厚的区域所对应的热封层表面的摩擦系数明显大于墨层薄或无油墨的区域所对应的热封层表面的摩擦系数。
此外，若复合膜摩擦系数太小，收卷时复合膜内表层和外表层的摩擦力很小，当卷径越来越大时，摩擦力就不能支撑膜收卷端面整齐，形成窜卷，不能进入下道工序生产。有时还会产生散卷而使收卷失败。若收卷时，摩擦系数太大，则又会带来其他质量问题，如严重皱折、断膜等。
3、熟化后摩擦系数下降:
有软包装企业反映：原本要求热封层薄膜的非处理面的摩擦系数应在0.1~0.2间，进厂的薄膜的摩擦系数的实测结果可能会大于0.4。若将该种薄膜放入熟化室中一段时间后，摩擦系数就能降到0.1~0.2间。这就是已加入薄膜中的爽滑剂需要一定的温度与时间才能完成"外迁"。从而破坏了复合层牢度，特别关注高温蒸煮袋产品和热封层超60um以上产品复合剥离牢度的变化。
四、摩擦系数对自动包装、制袋过程的影响:
在实际包装过程中的摩擦力常常既是拖动力又是阻力，因此必须有效地控制摩擦系数的大小，使它在适当的范围内。如果摩擦系数过大，如复合膜摩擦系数超过0.3，（BOPA与钢材接触面）那么卷筒膜在一些宽幅较大的制袋或自动包装机台上会出现拉不动的情况，制袋产品的摩擦系数（处理面）如果超过0.25，规格较小的袋子就容易出现开口不良的现象。摩擦系数也不是越小越好，如自动包装用卷筒膜，内层薄膜摩擦系数过小时，有可能引起制袋成品叠料不稳定而产生错边混乱，外层摩擦系数太小可能又会引起拖动机构打滑造成电眼跟踪和切断定位不准。
复合薄膜制品热封层的表面摩擦系数是从事复合软包装材料加工企业非常关注的一项指标。不同用途的包装材料对摩擦系数有不同的要求。终端企业对卷筒膜包材的热封层的表面摩擦系数也提出越来越严格的要求。目前，在自动包装机、制袋机使用中，随着设备的不断更新，生产速度不断提高。自动包装材料的表面摩擦系数的验收指标基本上都在0.15左右（膜与钢板的摩擦系数值）。在复合材料的加工过程中，热封层的表面摩擦系数会随着气候及工艺条件的不同而表现出某种程度的变化。BOPA膜非处理面的摩擦系数,在快速打码（制袋）中（250个/min以上）则要求更小一些。(约0.15~0.20)，一些特殊工艺要求或有针对性产品，对于特别低的摩擦系数则应慎重对待。可将膜与金属的摩擦系数控制在一定范围内，还应考虑薄膜在使用中的吸潮性，如尼龙膜、玻璃纸在吸潮后(未达饱和状态)的摩擦系数肯定更高。摩擦系数太小，走料不稳、牵动打滑、错位，制袋裁切出血或成品规格长短不一等。摩擦系数太大，膜与机摩擦力加大，材料拖动困难，会引起走料拉不动，使材料拉伸变形或拉断，同样不能生产。
一般越厚的薄膜加入的添加剂越多，出现脱层的现象越严重。如果滑爽剂含量过高的话就会影响薄膜的印刷和复合性, 这对印刷、复合是极不利。特别是60um厚度以上的PE膜，生产中加入的添加剂量多, 出现脱层的机会也增大, 这是因为在同等的表面积下，随着薄膜厚度的增加，其内部所含添加剂的量度也相应增长。添加剂含量超过一定量后，就会影响到复膜的牢度。所以生产水煮、蒸煮产品时要特别注意热封层材料所含添加剂量多少，一般选择少加或不加添加剂的薄膜。
此外， 像PET、BOPA薄膜添加剂量太多会使膜表面的粗糙度增加,也会形成颗粒状麻点而影响表面光泽度和印刷效果。特别是用二氧化硅为抗粘结剂更会产生此现象,同时还会使膜的雾度加大, 因此要提高膜的透明度就必须尽量减少二氧化硅的含量，内层材料的防粘剂和滑爽剂的添加量以及薄膜的挺度、平滑度、光洁度等因素都会影响复合膜摩擦系数。一般情况下，复合膜摩擦系数不稳定与所添加滑爽剂的类型、添加量、迁移量、迁移方向、贮存使用的温湿度等有关。
（附图2）不同含量添加剂及摩擦系数和雾度趋势图：
五、以BOPA薄膜为例的材料组合,在使用中摩擦系数变化产生的影响：
1）PA//PE结构的复合膜剥离强度差：
一部分软包装企业反映：所加工的包装材料，例如：PA//PE结构的剥离强度较差，将其剥开后，在PE膜上可看到一层白色的"霜"样的物质，且可用手将其擦除。将该复合薄膜重新放入熟化室或80℃的电热箱中一段时间，取出后马上进行剥离强度的检查，则剥离强度值会有明显的提高，而且PE膜上也看不到原有的白色的"霜"样的物质；但将该复合薄膜在室温条件下放置二天后，其剥离强度又会随着时间的延长而逐渐降低。
这是因为：一段时间后，PE膜滑爽剂会逐渐迁移至PE膜的表面，形成一层很薄的致密层，这层致密层阻隔了粘合剂与PE膜表面的结合，（在PA膜//胶粘剂与PE界面层）导致粘合剂无法与PE分子接触，造成复合初粘力明显降低。即使随着固化时间的加长，复合强度始终保持很低。对于有特殊要求必须使用高滑爽剂的PE膜，一般情况下不宜放置时间太久。如果由于某种原因造成了PE膜的超期使用，在复合前最好小试或将PE膜置于60~70℃的温度下8h以上，此时的滑爽剂将部分失效，再去复合，会减少复合强度低的问题。
2）PA//PE组合复合一段时间后剥离牢度变差：
加大胶的含固量,复合初粘力尚可，但随着固化时间的加长，复合强度越来越低，两层之间出现一层白色粉末状物质。这是由于生产PE膜时选用了高滑爽的PE原料，由于膜内滑爽剂含量较高，在进行高温（40~50℃）固化的过程中，膜内的滑爽剂分子运动加剧，大量的这些分子向膜的两侧迁移，随着时间的加长，向表面迁移的量逐渐增大，其迁移破坏了粘合剂与PE分子之间的物理粘接过程，将刚形成的不很牢固的粘结力破坏，时间越长，这种破坏力越强，复合强度就越低。遇到这种情况时，一般采取提高固化温度的办法，加速粘合剂的交联速度，使其反应速度超过滑爽剂的迁移速度，以弥补由于PE膜内滑爽剂过多造成的负面影响。已加入薄膜中的爽滑剂在较高的温度条件下会从薄膜的表面向薄膜的内部迁移(内迁)，而在较低的温度环境下会再次向薄膜的表面迁移(外迁)。也就是说：烯烃类材料在较高的温度条件下对油酸酰胺、芥酸酰胺类外润滑剂有相对较好的相容性，较低的温度条件下油酸酰胺、芥酸酰胺类外润滑剂的相容性相对地较差。
3）爽滑剂膜间转移，对BOPA组合卷筒膜复合牢度影响：
PA膜的内表面是通过粘合剂的作用与PE膜的复合面粘接在一起的，PA膜的外表面则是在收卷张力的作用下与PE膜的热封面紧紧地"靠"在一起的。
因此，迁移到热封层表面的爽滑剂就可能向PA薄膜表面及其内部发生迁移。迁移到PE膜复合面的爽滑剂一方面会导致剥离强度的下降，另一方面会导致PE膜热封面有效爽滑剂数量减少，进而导致热封面摩擦系数上升；迁移到PA薄膜表面及其内部的爽滑剂一方面会导致PE膜热封面上有效的爽滑剂数量减少，进而导致PE膜热封面的摩擦系数上升，另一方面会使得PA薄膜外表面的摩擦系数下降。收卷后的复合薄膜层间的压力及距离还与构成复合薄膜的各基材自身的厚薄均匀度及印刷图案的设计、墨层的厚度均有着密切的关系。墨层越厚，则收卷后该部位的硬度就越大，则意味着该处的复合薄膜层间的压力越大、层间的距离越小，从PE膜中"外迁"出来的爽滑剂"迁移"到PA薄膜中去的机率就会更大、数量就会越多。其结果就是上述墨层厚的区域所对应的热封层表面的摩擦系数明显大于墨层薄或无油墨的区域所对应的热封层表面的摩擦系数。
4）摩擦系数在无溶剂复合中对BOPA膜组合的影响：
不同的无溶剂复合粘合剂的种类，复合膜的摩擦系数有较大区别。在进行无溶剂复合时，需要根据摩擦系数的具体要求，选择合适的无溶剂复合粘合剂。
上胶量的增大不但会引起摩擦系数增大，也容易产生其他不利影响：复合膜复合之后其摩擦系数会上升大约0.1~0.2，主要由于复合粘合剂吸收爽滑剂及生产中磨损或消耗掉一部分爽滑剂。因此，在生产中，上胶量的控制也是非常重要的，每平方米增加一克上胶量，摩擦系数大约上升0.025。
上胶量也不能过小，无溶剂复合如果上胶量小，易造成胶水涂布不均、白点、强度偏低等质量问题，特别是白色油墨处，易出现白点、气泡问题。
无溶剂复合粘合剂种类不同，随着熟化温度的提高，摩擦系数上升的程度。在其他条件一致的情况下，熟化温度提高，复合膜的摩擦系数有明显差别，这是因为，一方面，随着温度提高，粘合剂吸附爽滑剂的反应更快，使爽滑剂部分失去作用；另一方面，一些低熔点的爽滑剂在温度提高时出现粘连，自身失去作用。同样，熟化时间延长，摩擦系数随着提高。在无溶剂复合中，一般推荐熟化温度不超过40℃。一般来说，PE膜的摩擦系数规定大约为：对于制袋产品摩擦系数要求：0.1~0.15；对于卷装产品摩擦系数要求：0.2。因此，原料薄膜如PE、CPP摩擦系数的大小直接影响复合膜的摩擦系数，只能从源头上控制，才能保证最终产品有合适的摩擦系数。这样，对于含有PE、CPP组合的产品质量才有保障。
5）复合共挤膜后摩擦系数提高：
使用三层共挤复合膜作为洗衣粉挤出复合的内封层材料，以BOPA/里印为印刷膜面膜， ECPA聚乙烯为挤出复合用中间层，共挤内膜40μm厚度，复合后发现摩擦系数由复合前的0.2~0.3提高到0.7~0.8。为什么？
挤复后内层热封膜摩擦系数提高的原因是挤复时温度较高，内封层膜在较高温度下同外层BOPP膜用钢辊和硅橡胶辊压贴，必须使未复合前的柔软的低熔点（LLDPE熔点为125－135℃）的LLDPE＋LDPE(50:50)的膜表面变得粗糙，再加上生产中的牵引力在钢辊和硅胶辊上引起的摩擦，摩擦系数必然会大大提高。（三层共挤材料为:LLDPE+LDPE(50:50)/LLDPE(100%)/LLDPE+LDPE(50:50)）
6）环境温湿度影响, 产生成品袋表面发粘不好喷码现象：
一段时间多次出现制袋后成品袋表面发粘、不好喷码的现象，出现发粘的袋子材料组合为BOPA//VMPET//PE，每一批次有一卷到几卷不等。
现象表述：1、袋子外表面发粘吸附在一起，很难打开；2、袋子内部开口性良好，无板结现象；
判断原因：原材料受潮，在印刷膜表面形成一层发粘层，袋子放在一起，在袋子与袋子之间形成一个局部真空，导致其很难散开。
这是因为高温高湿季节，车间环境湿度大，原材料受潮，表面摩擦系数变大，摩擦力变大，袋与袋之间产生摩擦吸附，紧贴在一起，袋子间瞬时形成局部低压状态，在外界气压的作用之下，导致袋子相互吸附。高湿高温季节环境比较潮湿,车间湿度大、做好除湿防潮工作，对改善此类质量问题有所帮助。
(来自:包装企业网)
