獲得塑料薄膜最佳熱合條件的研究探討

馮利軍

（西南技術工程研究所，重慶，400039）

獲得塑料薄膜最佳熱合條件的研究探討

馮利軍

（西南技術工程研究所，重慶，400039）

本文研究了塑料薄膜熱合強度的影響因素。首先，從微觀的角度分析了溫度、壓力對薄膜分子間作用力的作用效果。分析表明合適的溫度范圍、壓力及適當的熱合時間可減小薄膜不同分子鏈段間距離，分子間作用力增強，分子鏈段之間相互纏繞，最終使薄膜熱合層熔合。進而，以溫度為例，探討了通過檢測在單一影響因素變化的條件下獲得的薄膜熱合層，分析試驗數據，模擬建立該因素與熱合強度間的關系式，求得最佳熱合條件的研究方法。

塑料薄膜；熱合強度；最佳熱合條件

塑料薄膜在整個塑料包裝材料中具有十分重要的地位，是塑料包裝材料中使用最為廣泛的一種。塑料薄膜制品已經廣泛地應用于日常生活的各個領域，其中，塑料薄膜包裝袋已成為一種主要的薄膜包裝制品。

塑料薄膜包裝袋是塑料薄膜經過熱合加工而制成。熱合是利用電加熱、高頻加熱或超聲波等方式對薄膜熱合部位進行處理，使其變為熔融粘流狀態，并在該部分施加一定的外力，使熱合部位的兩層薄膜熔合在一起達到一定強度的一種封合方式。薄膜特性不同，適用的熱封合方法也不同，例如超聲波封合和高頻熱封合更適用于易熱變形的薄膜，然而最常用的熱封合方法還是普通熱壓封合法。密封良好的塑料薄膜包裝袋對內裝物具有重要的保護作用，因而熱合強度是塑料包裝袋物理性能中的一項重要指標。本文分析影響塑料薄膜熱合強度的因素，介紹了熱合強度檢測方法，并根據測試數據模擬建立數學方程進行分析，以獲得最佳的熱合條件，達到最佳熱合強度。

1 影響塑料薄膜熱合強度的因素

熱合是熱與力共同作用的結果。熱作用加速了分子的熱運動，分子鏈段被激發，隨著熱作用的增強，分子鏈熱運動愈發強烈，塑料熱合層進入熔融狀態。分子熱運動使分子鏈段之間相互擴散，相互滲透；在力作用下，熔融狀態下的分子鏈段發生形變，相互接近，分子鏈間間隙減小。隨著熱合表面分子鏈段之間的相互擴散和滲透，不同鏈段分子間距離減小，分子間作用力（包括靜電力、誘導力和色散力）增強 [1]，分子鏈段之間相互纏繞，最終使薄膜熱合層之間相互熔合。

1.1 溫度

塑料薄膜沒有固定的熔點，只是存在一個熔融溫度范圍，即在固相與液相的轉換之間存在一個溫度區域，當溫度達到此范圍，薄膜進入到粘流態[2]。薄膜轉變為粘流態的溫度為熱合溫度范圍的下限，薄膜的分解溫度為熱合溫度范圍的上限，上下限溫度的差值大小反映了塑料薄膜材料熱合程度的難易。差值越大，熱合溫度范圍越寬，熱合性能越好。圖1所示為線性聚合物在恒定應力下的形變-溫度曲線，D區域對應的溫度范圍就是薄膜的熱合溫度。

圖1 線性聚合物在恒定應力下的形變-溫度曲線A—玻璃態 B—過渡區 C—高彈態（橡膠態） D—粘流態（流動區）Tx—脆化點 Tg—玻璃花溫度 Tf—流動溫度 Td—分解溫度

合適的熱合溫度可使薄膜熱合部位達到一個比較理想的熔融狀態。熱合溫度比較低時，薄膜分子鏈難以進入到理想的粘流態，熱合層表面分子鏈之間難以完全熔合，同時熱合部位被融化的參與熱合的薄膜厚度比較薄，最終可能造成熱合不牢，熱合強度較低；熱合溫度比較高時，薄膜表面容易被燙化，熱合強度下降。

不同薄膜材料的熔融溫度都各不相同。高聚物高分子鏈的遠程結構即高聚物高分子鏈段的構象，高分子鏈段的柔順性和高分子鏈段的內旋轉阻力等決定了高聚物的熔融溫度[3]。一般來講，高分子鏈段短，分子鏈柔順性好，分子鏈內旋轉阻力小的高聚物，熔融溫度低，其熱合需求溫度也相對低。反之，高分子鏈段長，分子鏈柔順性差，分子鏈內旋轉阻力大的高聚物，熔融溫度高，其熱合溫度也相對高。

1.2 壓力

壓力的作用是使處于熔融狀態的薄膜熔合界面之間產生高分子鏈段的相互擴散，相互滲透，也促使薄膜表面的氣體逸出，高分子鏈段的形變使分子鏈相互接近，分子鏈間間隙減小，分子間產生相互作用力。熱合壓力作為促使分子運動的外力，其實質上是更多地抵消掉分子鏈段與外力施加方向相反方向的熱運動，促使分子運動取向更有序，沿著外力方向，提高了分子鏈段躍遷的幾率，使分子鏈重心發生位移，促使分子鏈運動。

熱合壓力過低，會導致薄膜間難以實現真正的貼合和互熔，易導致局部熱合不上或難以消除熱合層中的空氣而造成熱合不牢固；熱合壓力過高，可能會造成處于熔融材料被擠出的現象，擠走了部分熱合材料，使熱合縫邊出現半切斷狀態，降低了熱合強度。

不同薄膜材料的熱合壓力因材質的不同，薄膜厚度的不同，熱合寬度的不同等因素影響而不同。熱封壓力值上限的控制應以不損傷薄膜熱合部位為宜。

1.3 時間

熱合時間是指薄膜停留在熱封塊下的時間。相同的熱合溫度和壓力下，熱合時間越長，外力作用時間也就越長，分子鏈段流動性增強，有助于熱合層熔融更充分，結合更牢固。但熱合時間過長，容易造成塑料薄膜表面被燙化，造成熱合界面密封性能下降，熱合強度下降。

不同的薄膜材料厚度也對熱合強度有著影響，薄膜越厚，熱合層要達到的相應熱合溫度所需要的時間就越長。可以通過提高熱合溫度和熱合壓力來調整，減短熱合時間亦達到同樣的熱合強度效果。

2 塑料薄膜熱合強度的檢測

在實驗室進行熱合強度試驗時，通常使用熱封試驗機和萬能試驗機共同完成。通過對設定條件下獲得的薄膜試樣熱合強度的檢測，對測試數據進行分析，以獲得最佳的熱合條件，達到最佳熱合強度。

2.1 設備

在進行熱合強度測試時，先用熱封試驗機制作熱合試樣，然后在萬能材料試驗機上檢測試樣的熱合強度。

2.1.1BCL型熱封試驗機

實驗室用BCL型熱封試驗機為熱壓封口模式，可控制和調節熱合溫度、壓力及時間。溫度調節范圍0～400℃，壓力調節范圍0～400kN/m2。

2.1.2 萬能試驗機

萬能試驗機為QJ-211型，測量精度為0.01N，試驗速度0～500mm/min，測試壓力范圍（0～500）N。

2.2 試驗方法

2.2.1 薄膜的熱封合

選取PE薄膜（厚度：0.10mm），裁成合適的寬度（BCL型熱封試驗機試樣寬度要求小于30mm）。要求熱合壓力：200 kN/m2，熱合時間：0.8s，選定五個熱合溫度：110℃、120℃、130℃、140℃、150℃，分別制備出五種不同熱合溫度下的薄膜熱合樣品。

2.2.2 薄膜熱合強度的檢測[4]

檢測依據：QB/T 2358-1998

試樣尺寸：寬度為15±0.1mm，展開長度為100±1mm的長條形試樣

預處理條件：23℃±1℃，50%RH±5%RH，處理時間≥4h

試驗速度：300mm/min

夾具間距離：50mm

試驗方法：將經過狀態調節后的試樣，以熱合部位為中心，打開呈180°，把試樣的兩端分別夾在上下夾具上，試樣條的中心線應該與上下夾具的中心線重合，并要求松緊適宜，以防止試樣條在拉伸過程中從夾具中滑落或斷裂在夾具內。開始進行測試，上夾具夾持試樣條上端，在移動橫梁的帶動下勻速上升，試樣條在上下夾具間發生拉伸形變至試樣條發生開裂，此時的強度值為熱合強度值。

數據記錄：測試結束，觀察試樣條開裂位置，試樣條在熱合層被分開，則測試值為熱合強度的真實值；若試樣條不是在熱合層被分開，而是在其余未熱合部位開裂，則試樣條真實的熱合強度應該比測試值稍高一些。測試結果取10個試樣條的熱合強度算術平均值，單位N/15mm，取三位有效數字。

3 測試數據的分析

對5個不同熱合溫度下制備的熱合樣品進行熱合強度的檢測，其檢測結果見表1：

表1 熱合樣品的熱合強度

根據五組試驗數據畫出熱合強度的變化曲線，見圖1。根據曲線分析不同溫度與熱合強度的關系。壓力和熱合時間數據。

圖2 不同熱合溫度的熱合薄膜其熱合強度的變化曲線

4 總結

塑料本身的性能決定了其熱合的難易程度。對于可熱封的塑料薄膜，熱合時的熱合溫度、熱合壓力及熱合時間均會對熱合強度產生一定的影響。分析表明溫度激發了分子鏈的熱運動，壓力作用使得分子鏈段發生形變，分子間距減小，分子鏈排列更整齊。隨著熱合層之間分子鏈段之間的相互擴散和滲透，不同鏈段分子間距離減小，分子間作用力增強，分子鏈段之間相互纏繞，最終使薄膜熱合層之間牢固的結合。但薄膜熱合強度與溫度、壓力及熱合時間并不簡單地呈現直線關系，各個因素對于熱合強度的影響趨勢需要通過在固定其他因素，單一因素變化的條件下進行分析，最終取得各個最佳的熱合條件，獲得最優熱合強度。

圖2顯示的熱合溫度和熱合強度曲線圖類似于二元二次方程曲線的一部分，以熱合溫度為變量x，熱合強度為變量y，按熱合溫度和熱合強度曲線模擬建立數學方程：

將表1中的熱合溫度值和熱合強度值帶入方程式(1)求解，得

a = - 0.007

b = 2

c = - 120

把a、b、c帶入數學數學方程式(1)，則

根據二元二次方程曲線特性，y值在曲線上有最大值和相對應的x值。即為曲線頂點坐標值，求解頂點坐標：

頂點坐標為x = - b/2a ≈ 142.9，此值即為該PE薄膜獲得最佳熱合強度的溫度值。

熱合壓力、熱合時間對熱合強度的影響也可以通過在其他因素不變，規律性地變化某一因素獲得熱合層，再通過熱合強度的檢測獲得可靠的數據，分析實驗數據，尋找該因素與和熱合強度之間的關系，分析其中的規律，最終獲得取得最佳熱合強度的相應熱合

Study on the Optimal Conditions of the Heat Gain of Plastic Film

FENG Li-jun

This paper studies the factors affecting the heat sealing strength of plastic film. Firstly, the effect of temperature and pressure on the intermolecular force is analyzed from the microscopic point of view. Analysis shows that the distance appropriate temperature range, pressure and moderate heat time can reduce the film between different molecular chains, enhanced intermolecular forces, intertwined between molecular chains, the film heat sealing layer. Then, taking the temperature as an example, discusses the film heat sealing layer through the detection in single factor changes under the influence of the simulation analysis of the test data, setting up the relation of the factors and the joint strength between the research methods to obtain the optimum conditions of heat.

the best condition of plastic film; heat seal; strength

TS206

A

1400 (2017) 01-0033-04

10.19362/j.cnki.cn10-1400/tb.2017.01.002

馮利軍（1980—），男，碩士研究生，工程師，主要研究方向為高分子物理與化學。