水性聚乙烯亞胺錨固劑在擠出復(fù)合中的應(yīng)用研究

梁艷艷 黃漢雄

（1.華南理工大學(xué)，機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院；2.江門(mén)市輝隆塑料機(jī)械有限公司）

1. 引言

擠出復(fù)合是指采用樹(shù)脂熔體作為粘結(jié)層的一種多層膜復(fù)合方法[1-3]。其中擠出的樹(shù)脂不僅起到層間粘結(jié)作用，還可作為功能層，如熱封層。

相應(yīng)地，與采用膠粘劑粘接的干式復(fù)合相比，擠出復(fù)合制備的多層復(fù)合膜的層間剝離強(qiáng)度較低[4,5]。為了滿(mǎn)足復(fù)合膜對(duì)層間剝離強(qiáng)度的要求，工業(yè)上通常采用少量的膠粘劑輔助聚合物熔體對(duì)基材進(jìn)行粘結(jié)，并將這些膠粘劑稱(chēng)為底涂劑[6,7]。

擠出復(fù)合常用的底涂劑主要有：有機(jī)鈦類(lèi)、聚乙烯亞胺類(lèi)、聚丁二烯類(lèi)、聚氨酯類(lèi)。

有機(jī)鈦類(lèi)底涂劑主要為烷基鈦酸酯，遇水易分解，采用含水量很低或不含水的溶劑稀釋。

聚氨酯類(lèi)底涂劑采用醋酸乙酯為溶劑，溶劑揮發(fā)性高。

聚丁二烯類(lèi)底涂劑的性能較好，但品種較少。

聚乙烯亞胺為水溶性大分子，可采用少量低分子醇（甲醇或乙醇）與水混合作為溶劑稀釋?zhuān)覐?fù)合過(guò)程中幾乎不發(fā)生化學(xué)變化，性質(zhì)穩(wěn)定。

因此，基于聚乙烯亞胺類(lèi)底涂劑的擠出復(fù)合生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程綠色環(huán)保，所制得的復(fù)合膜衛(wèi)生性好。然而，前人研究發(fā)現(xiàn)，聚乙烯亞胺類(lèi)底涂劑的耐水耐油性差，剝離強(qiáng)度較低（BOPP20μ m/AC/LDPE20μ m 的剝離強(qiáng)度為1 N/15 mm），限制了亞胺類(lèi)底涂劑的應(yīng)用。

本文主要針對(duì)水性聚乙烯亞胺類(lèi)底涂劑在擠出復(fù)合生產(chǎn)線(xiàn)上的應(yīng)用進(jìn)行研究，以期通過(guò)設(shè)備、工藝、材料三者的結(jié)合，獲得具備剝離強(qiáng)度高、衛(wèi)生性好的復(fù)合膜制品。

2. 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

雙向拉伸聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（BOPET）薄膜、雙向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜、雙向拉伸聚酰胺（BOPA）薄膜、鍍鋁聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（VMPET）薄膜、吹塑成型聚乙烯（IPE）薄膜，市售；擠出用聚乙烯（exPE），新加坡聚烯烴公司，熔體流動(dòng)速率3.5 g/10 min（190℃/2.16 kg）；聚乙烯亞胺類(lèi)底涂劑（AC 劑），A182，江門(mén)市頓歐技術(shù)有限公司；乙醇，工業(yè)級(jí)；去離子水，自制。

2.2 樣品制備

樣品結(jié)構(gòu)：基材/AC/exPE30μ、基材/exPE30μ、BOPET/AC/exPE15μ/VMPET/AC/exPE15μ/IPE。擠出復(fù)合生產(chǎn)線(xiàn)采用單頭共擠（一個(gè)模頭兩臺(tái)擠出機(jī)）的標(biāo)準(zhǔn)配置，工藝流程為：放卷-極化處理-涂布聚乙烯亞胺底涂劑-擠出（接入夾層二放+電暈處理）-切邊-（測(cè)厚+污點(diǎn)檢測(cè)）-收卷。

2.3 儀器與表征

1）拉力機(jī)——廣東越聯(lián)儀器有限公司，將樣品裁成15 mm 寬樣條，以300 mm/min 的速率進(jìn)行剝離強(qiáng)度測(cè)試。

2）擠出復(fù)合生產(chǎn)線(xiàn)——江門(mén)市輝隆塑料機(jī)械有限公司，無(wú)粘合劑食品藥品包裝用單聯(lián)共擠擠出復(fù)合生產(chǎn)線(xiàn)。

表1 擠出機(jī)各段溫度以及模頭部位的溫度設(shè)置 單位：℃Table 1 The temperature of extruder and T-die during extrusion （℃）

3. 結(jié)果與討論

3.1 基材對(duì)擠出復(fù)合強(qiáng)度的影響

一般地，基材種類(lèi)對(duì)多層復(fù)合膜的層間粘合強(qiáng)度影響較大[8]。本文選擇軟包裝常用基材進(jìn)行研究，包括非極性的BOPP 基材和極性的BOPET、BOPA 基材，結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2 中可以看出，無(wú)AC 劑時(shí)，BOPP/exPE復(fù)合膜的剝離強(qiáng)度為 0.45 N/15 mm，BOPET/exPE、BOPA/exPE 復(fù)合膜的剝離強(qiáng)度分別為1.30 N/15 mm 和1.77 N/15 mm。

其原因在于，復(fù)合膜的粘結(jié)強(qiáng)度與擠出PE和基材表面形成的界面結(jié)構(gòu)有關(guān)。一般地，兩種物質(zhì)粘合的重要條件是浸潤(rùn)，潤(rùn)濕的程度越高，粘合物在被粘物表面上鋪展的越寬廣，粘合的強(qiáng)度越高。

圖1 無(wú)粘合劑食品藥品包裝用單聯(lián)共擠擠出復(fù)合生產(chǎn)線(xiàn)Fig. 1 Picture of extrusion laminating production line for food and medicine

表2 不同基材以及有無(wú)AC 劑時(shí)基材/（AC 或無(wú)）/exPE 的剝離強(qiáng)度Table 2 Peeling strength of base films/（AC or no）/exPE films based on different kinds of base film

表3 多層復(fù)合膜的剝離強(qiáng)度Table 3 Peel strength of lamination films

因此，BOPET 和BOPA 的表面張力較大，利于exPE 的鋪展，因此BOPET/ exPE 和BOPA/exPE的剝離強(qiáng)度較BOPP/exPE 高。當(dāng)基材表面涂覆了AC 劑后，BOPP/AC/exPE 的剝離強(qiáng)度為2.01N/15 mm，是BOPP/exPE 復(fù)合膜剝離強(qiáng)度的4.5 倍，表明AC 劑大大提高了復(fù)合膜的剝離強(qiáng)度。類(lèi)似地，BOPET/AC/exPE 和BOPA/AC/exPE 復(fù)合膜樣品均未能剝開(kāi)，同樣表明涂覆于 BOPET 和BOPA 基材膜上的AC 劑能夠顯著提高復(fù)合膜的剝離強(qiáng)度。也即，AC 劑對(duì)BOPP、BOPET、BOPA基材均表現(xiàn)出了促進(jìn)粘結(jié)的作用。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能在于，聚乙烯亞胺類(lèi)AC 劑在基材表面的涂覆，一方面提高了exPE熔體膜在基材上的浸潤(rùn)能力，另一方面起到了類(lèi)似于鉚釘?shù)淖饔肹9,10]。

3.2 AC 劑對(duì)多層復(fù)合膜剝離強(qiáng)度的影響

為了進(jìn)一步研究聚乙烯亞胺類(lèi)AC 劑對(duì)多層復(fù)合膜剝離強(qiáng)度的影響，以BOPET 膜為表層，吹膜PE（IPE）為內(nèi)層制備多層復(fù)合膜，結(jié)果見(jiàn)表3。以exPE 為粘接材料制備BOPET/exPE/IPE三層復(fù)合膜，BOPET/exPE 的剝離強(qiáng)度為 1.40 N/15 mm。以AC 劑和exPE 為粘接材料，BOPET/AC/exPE/IPE 復(fù)合膜中BOPET/AC/exPE 的剝離強(qiáng)度為2.80 N/15 mm。也即，涂布AC 劑后，復(fù)合膜的剝離強(qiáng)度提高了1 倍。此結(jié)果表明，制備含有兩種基材的“三明治”結(jié)構(gòu)時(shí)，AC 劑的涂布仍能夠提高復(fù)合膜的剝離強(qiáng)度，但提高幅度較單層基材低。其原因在于，不同種類(lèi)材料的耐熱性和剛性不同，因而復(fù)合后產(chǎn)生的收縮應(yīng)力不同，從而降低復(fù)合膜的層間剝離強(qiáng)度。

BOPET/VMPET/IPE 為軟包裝中常見(jiàn)的高阻隔結(jié)構(gòu)，其阻隔性好、價(jià)格低獲得廣泛關(guān)注[11-14]。然而，BOPET/VMPET 與IPE 的復(fù)合通常需借助干式復(fù)合實(shí)現(xiàn)，擠出復(fù)合難以滿(mǎn)足內(nèi)層剝離強(qiáng)度大于2.5 N/15 mm 的強(qiáng)度要求。采用最新研發(fā)生產(chǎn)的無(wú)粘合劑食品藥品擠出復(fù)合生產(chǎn)線(xiàn)[15]，借助導(dǎo)能裝置，BOPET/AC/exPE/VMPET/ exPE/IPE復(fù)合膜中exPE/IPE 的剝離強(qiáng)度為1.80 N/15 mm，已接近《藥品包裝用復(fù)合膜（通則）》關(guān)于內(nèi)層剝離強(qiáng)度的要求。當(dāng)BOPET/AC/exPE/ VMPET 表面涂覆AC 劑后，BOPET/AC/exPE/VMPET/AC/exPE/IPE 復(fù)合膜中exPE/IPE 的剝離強(qiáng)度可達(dá)到3.20 N/15 mm，完全滿(mǎn)足食品藥品高阻隔薄膜的內(nèi)層剝離強(qiáng)度要求。產(chǎn)生這種效果的原因與上述單層基材的類(lèi)似，AC 劑能夠提高擠出熔體膜的鋪展能力以及起到類(lèi)似于鉚釘?shù)淖饔谩?/p>

4. 結(jié)語(yǔ)

聚乙烯亞胺類(lèi) AC 劑可以促進(jìn) BOPP、BOPET、BOPA 與擠出PE 熔體膜之間的粘結(jié)，且促進(jìn)作用較強(qiáng)。BOPP 基材在涂布AC 劑后，BOPP/AC/exPE 的剝離強(qiáng)度為BOPP/exPE 的4.5倍。含有兩種基材（表層BOPET 和熱封層IPE）的復(fù)合膜，AC 劑的涂布同樣可以提高復(fù)合膜的層間粘合強(qiáng)度。BOPET/AC/exPE/IPE 復(fù)合膜，AC劑的涂布可使BOPET/exPE 的剝離強(qiáng)度提高1倍，提高幅度較單層基材小。借助于AC 劑，高阻隔結(jié)構(gòu)BOPET/AC/exPE/VMPET/AC/exPE/IPE僅依靠擠出復(fù)合，內(nèi)層剝離強(qiáng)度可達(dá)到3.20 N/15 mm，完全滿(mǎn)足食品藥品包裝的常規(guī)應(yīng)用。