獲得塑料薄膜最佳熱合條件的研究探討

馮利軍

（西南技術(shù)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(shù)工程研究所，重慶，400039）

本文研究了塑料薄膜熱合強(qiáng)度的影響因素。首先，從微觀的角度分析了溫度、壓力對(duì)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(dāng)?shù)臒岷蠒r(shí)間可減小薄膜不同分子鏈段間距離，分子間作用力增強(qiáng)，分子鏈段之間相互纏繞，最終使薄膜熱合層熔合。進(jìn)而，以溫度為例，探討了通過(guò)檢測(cè)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(yàn)數(shù)據(jù)，模擬建立該因素與熱合強(qiáng)度間的關(guān)系式，求得最佳熱合條件的研究方法。

塑料薄膜；熱合強(qiáng)度；最佳熱合條件

塑料薄膜在整個(gè)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(jīng)廣泛地應(yīng)用于日常生活的各個(gè)領(lǐng)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(jīng)過(guò)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(duì)薄膜熱合部位進(jìn)行處理，使其變?yōu)槿廴谡沉鳡顟B(tài)，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(dá)到一定強(qiáng)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(duì)內(nèi)裝物具有重要的保護(hù)作用，因而熱合強(qiáng)度是塑料包裝袋物理性能中的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本文分析影響塑料薄膜熱合強(qiáng)度的因素，介紹了熱合強(qiáng)度檢測(cè)方法，并根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)模擬建立數(shù)學(xué)方程進(jìn)行分析，以獲得最佳的熱合條件，達(dá)到最佳熱合強(qiáng)度。

1 影響塑料薄膜熱合強(qiáng)度的因素

熱合是熱與力共同作用的結(jié)果。熱作用加速了分子的熱運(yùn)動(dòng)，分子鏈段被激發(fā)，隨著熱作用的增強(qiáng)，分子鏈熱運(yùn)動(dòng)愈發(fā)強(qiáng)烈，塑料熱合層進(jìn)入熔融狀態(tài)。分子熱運(yùn)動(dòng)使分子鏈段之間相互擴(kuò)散，相互滲透；在力作用下，熔融狀態(tài)下的分子鏈段發(fā)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(kuò)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(dǎo)力和色散力）增強(qiáng) [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(méi)有固定的熔點(diǎn)，只是存在一個(gè)熔融溫度范圍，即在固相與液相的轉(zhuǎn)換之間存在一個(gè)溫度區(qū)域，當(dāng)溫度達(dá)到此范圍，薄膜進(jìn)入到粘流態(tài)[2]。薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)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(yīng)力下的形變-溫度曲線，D區(qū)域?qū)?yīng)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(yīng)力下的形變-溫度曲線A—玻璃態(tài) B—過(guò)渡區(qū) C—高彈態(tài)（橡膠態(tài)） D—粘流態(tài)（流動(dòng)區(qū)）Tx—脆化點(diǎn) Tg—玻璃花溫度 Tf—流動(dòng)溫度 Td—分解溫度

合適的熱合溫度可使薄膜熱合部位達(dá)到一個(gè)比較理想的熔融狀態(tài)。熱合溫度比較低時(shí)，薄膜分子鏈難以進(jìn)入到理想的粘流態(tài)，熱合層表面分子鏈之間難以完全熔合，同時(shí)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(qiáng)度較低；熱合溫度比較高時(shí)，薄膜表面容易被燙化，熱合強(qiáng)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(yuǎn)程結(jié)構(gòu)即高聚物高分子鏈段的構(gòu)象，高分子鏈段的柔順性和高分子鏈段的內(nèi)旋轉(zhuǎn)阻力等決定了高聚物的熔融溫度[3]。一般來(lái)講，高分子鏈段短，分子鏈柔順性好，分子鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)阻力小的高聚物，熔融溫度低，其熱合需求溫度也相對(duì)低。反之，高分子鏈段長(zhǎng)，分子鏈柔順性差，分子鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)阻力大的高聚物，熔融溫度高，其熱合溫度也相對(duì)高。

1.2 壓力

壓力的作用是使處于熔融狀態(tài)的薄膜熔合界面之間產(chǎn)生高分子鏈段的相互擴(kuò)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(chǎn)生相互作用力。熱合壓力作為促使分子運(yùn)動(dòng)的外力，其實(shí)質(zhì)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(yùn)動(dòng)，促使分子運(yùn)動(dòng)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(fā)生位移，促使分子鏈運(yùn)動(dòng)。

熱合壓力過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致薄膜間難以實(shí)現(xiàn)真正的貼合和互熔，易導(dǎo)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(guò)高，可能會(huì)造成處于熔融材料被擠出的現(xiàn)象，擠走了部分熱合材料，使熱合縫邊出現(xiàn)半切斷狀態(tài)，降低了熱合強(qiáng)度。

不同薄膜材料的熱合壓力因材質(zhì)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(yīng)以不損傷薄膜熱合部位為宜。

1.3 時(shí)間

熱合時(shí)間是指薄膜停留在熱封塊下的時(shí)間。相同的熱合溫度和壓力下，熱合時(shí)間越長(zhǎng)，外力作用時(shí)間也就越長(zhǎng)，分子鏈段流動(dòng)性增強(qiáng)，有助于熱合層熔融更充分，結(jié)合更牢固。但熱合時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，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(qiáng)度下降。

不同的薄膜材料厚度也對(duì)熱合強(qiáng)度有著影響，薄膜越厚，熱合層要達(dá)到的相應(yīng)熱合溫度所需要的時(shí)間就越長(zhǎng)。可以通過(guò)提高熱合溫度和熱合壓力來(lái)調(diào)整，減短熱合時(shí)間亦達(dá)到同樣的熱合強(qiáng)度效果。

2 塑料薄膜熱合強(qiáng)度的檢測(cè)

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行熱合強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，通常使用熱封試驗(yàn)機(jī)和萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)共同完成。通過(guò)對(duì)設(shè)定條件下獲得的薄膜試樣熱合強(qiáng)度的檢測(cè)，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以獲得最佳的熱合條件，達(dá)到最佳熱合強(qiáng)度。

2.1 設(shè)備

在進(jìn)行熱合強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，先用熱封試驗(yàn)機(jī)制作熱合試樣，然后在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上檢測(cè)試樣的熱合強(qiáng)度。

2.1.1BCL型熱封試驗(yàn)機(jī)

實(shí)驗(yàn)室用BCL型熱封試驗(yàn)機(jī)為熱壓封口模式，可控制和調(diào)節(jié)熱合溫度、壓力及時(shí)間。溫度調(diào)節(jié)范圍0～400℃，壓力調(diào)節(jié)范圍0～400kN/m2。

2.1.2 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)

萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)為QJ-211型，測(cè)量精度為0.01N，試驗(yàn)速度0～500mm/min，測(cè)試壓力范圍（0～500）N。

2.2 試驗(yàn)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(yàn)機(jī)試樣寬度要求小于30mm）。要求熱合壓力：200 kN/m2，熱合時(shí)間：0.8s，選定五個(gè)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(qiáng)度的檢測(cè)[4]

檢測(cè)依據(jù)：QB/T 2358-1998

試樣尺寸：寬度為15±0.1mm，展開(kāi)長(zhǎng)度為100±1mm的長(zhǎng)條形試樣

預(yù)處理?xiàng)l件：23℃±1℃，50%RH±5%RH，處理時(shí)間≥4h

試驗(yàn)速度：300mm/min

夾具間距離：50mm

試驗(yàn)方法：將經(jīng)過(guò)狀態(tài)調(diào)節(jié)后的試樣，以熱合部位為中心，打開(kāi)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(yīng)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(guò)程中從夾具中滑落或斷裂在夾具內(nèi)。開(kāi)始進(jìn)行測(cè)試，上夾具夾持試樣條上端，在移動(dòng)橫梁的帶動(dòng)下勻速上升，試樣條在上下夾具間發(fā)生拉伸形變至試樣條發(fā)生開(kāi)裂，此時(shí)的強(qiáng)度值為熱合強(qiáng)度值。

數(shù)據(jù)記錄：測(cè)試結(jié)束，觀察試樣條開(kāi)裂位置，試樣條在熱合層被分開(kāi)，則測(cè)試值為熱合強(qiáng)度的真實(shí)值；若試樣條不是在熱合層被分開(kāi)，而是在其余未熱合部位開(kāi)裂，則試樣條真實(shí)的熱合強(qiáng)度應(yīng)該比測(cè)試值稍高一些。測(cè)試結(jié)果取10個(gè)試樣條的熱合強(qiáng)度算術(shù)平均值，單位N/15mm，取三位有效數(shù)字。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)的分析

對(duì)5個(gè)不同熱合溫度下制備的熱合樣品進(jìn)行熱合強(qiáng)度的檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1：

表1 熱合樣品的熱合強(qiáng)度

根據(jù)五組試驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出熱合強(qiáng)度的變化曲線，見(jiàn)圖1。根據(jù)曲線分析不同溫度與熱合強(qiáng)度的關(guān)系。壓力和熱合時(shí)間數(shù)據(jù)。

圖2 不同熱合溫度的熱合薄膜其熱合強(qiáng)度的變化曲線

4 總結(jié)

塑料本身的性能決定了其熱合的難易程度。對(duì)于可熱封的塑料薄膜，熱合時(shí)的熱合溫度、熱合壓力及熱合時(shí)間均會(huì)對(duì)熱合強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響。分析表明溫度激發(fā)了分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)，壓力作用使得分子鏈段發(fā)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(kuò)散和滲透，不同鏈段分子間距離減小，分子間作用力增強(qiáng)，分子鏈段之間相互纏繞，最終使薄膜熱合層之間牢固的結(jié)合。但薄膜熱合強(qiáng)度與溫度、壓力及熱合時(shí)間并不簡(jiǎn)單地呈現(xiàn)直線關(guān)系，各個(gè)因素對(duì)于熱合強(qiáng)度的影響趨勢(shì)需要通過(guò)在固定其他因素，單一因素變化的條件下進(jìn)行分析，最終取得各個(gè)最佳的熱合條件，獲得最優(yōu)熱合強(qiáng)度。

圖2顯示的熱合溫度和熱合強(qiáng)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(qiáng)度為變量y，按熱合溫度和熱合強(qiáng)度曲線模擬建立數(shù)學(xué)方程：

將表1中的熱合溫度值和熱合強(qiáng)度值帶入方程式(1)求解，得

a = - 0.007

b = 2

c = - 120

把a(bǔ)、b、c帶入數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)方程式(1)，則

根據(jù)二元二次方程曲線特性，y值在曲線上有最大值和相對(duì)應(yīng)的x值。即為曲線頂點(diǎn)坐標(biāo)值，求解頂點(diǎn)坐標(biāo)：

頂點(diǎn)坐標(biāo)為x = - b/2a ≈ 142.9，此值即為該P(yáng)E薄膜獲得最佳熱合強(qiáng)度的溫度值。

熱合壓力、熱合時(shí)間對(duì)熱合強(qiáng)度的影響也可以通過(guò)在其他因素不變，規(guī)律性地變化某一因素獲得熱合層，再通過(guò)熱合強(qiáng)度的檢測(cè)獲得可靠的數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，尋找該因素與和熱合強(qiáng)度之間的關(guān)系，分析其中的規(guī)律，最終獲得取得最佳熱合強(qiáng)度的相應(yīng)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?yàn)楦叻肿游锢砼c化學(xué)。