多层薄膜使用的改良型聚酰胺6(PA6)具有流变特性,这将使其基本兼容多层共挤流延膜中用到的烯烃。改良的PA6在约两年前被引进,在市场上销售的是由帝斯曼工程塑料公司生产的Akulon® XP树脂,它提供了剪切属性的加工优势,与烯烃应用特性相匹配。这种特性将允许不同材料层能够在相同的温度和压力下进行共挤流延,其主要优势是在相对宽泛的加工条件下实现匹配和层厚控制。
在简要考察共挤多层膜中不同树脂的作用之后,我们概要说明本改良PA6的流变特性,并简要阐述在日常生产中复杂薄膜制造方面的内容。
共挤流延包装膜的成分
共挤流延热塑膜将每个成分树脂层的功效融合成一种复杂的结构,用以满足特定应用需求。许多共挤多层膜在食品包装中用作阻隔包装。这些阻隔层不仅可以防止水分损失或吸收,还可以防止气体的渗透。以保持卫生、芳香和气味。
除了在食品应用之外,此类薄膜还可应用于制药和化学包装领域,延长保存期,防止微生物或化学攻击。流延膜可以制作成复合膜、袋子、盖子以及盘子。
例如,对于奶酪常用的共挤
膜而言,聚烯烃层(通常为线性低密度聚乙烯,即LLDPE)提供一个防潮阻隔层。第二层的聚酰胺(PA)提供一个防氧的阻隔层,防止产品中的合成蛋白质被破坏,该层还能防止其他气体和气味,这些气体或气味危害不大,但可能产生异味。此外,PA层还提供一定的强度。薄薄的中间连接层(通常由烯烃、丙烯酸乙脂或顺丁烯二酸酐制成)起到了粘合剂的作用,连接PA和LLDPE(图 1) 。

点击看原图
更多复杂的共挤膜应用于鲜肉包装(图 2)。

点击看原图
流变因素
虽然多层膜原理相对简单,如何经济有效地共挤出这些在技术上复杂的构造是相当具有挑战性的。每种聚合物具有不同的热性能如结焦、冷却时收缩率以及流变性(迄今最大的难题)等状况均有不同的反应。

点击看原图
流变不匹配表现为在不同的温度下,粘性有所不同,它可能因各层之间不同的熔化、冷冻和收缩比率而产生生产问题。在食品包装领域,这些问题将会被放大,因为食品包装包括美学因素:它必须 “纯净”,大多数情况下表现为透明度和表面平滑度。在极端情况下,不匹配粘性可能产生令人厌恶的皱纹,一种拖车轨迹缺陷(图3)
在生产过程中,特定聚合物流至挤出膜头时的粘性不仅仅是材料用热的一种特性。当材料流入铸塑成品时,剪切变稀通常是材料流过螺杆,分流块和膜头制成流延膜成品时的主要特性之一。烯烃具有显著的剪切稀化特性;未改良的聚酰胺则不具备此特性。因此,在生产温度的工作范围内,未改良的聚烯烃和PA具有明显不同的粘性曲线(图 4)。

点击看原图
图4 – 粘性曲线,未改良聚酰胺6(PA6)和LLDPE。PA6级("Akulon")基本显示出相同的较平直的曲线,而LLDPE("Stamylan")的粘性曲线在剪切速率超过1 sec-1时,明显向下方(更稀薄处)移动。在共挤流延膜产品加工中,材料的剪切速率的典型范围为10 - 300 sec-1,这是本图的最大差异区域。
流变不匹配性能 – 导致粘性不匹配 – 不仅影响美观,还影响薄膜边缘属性。对于具有匹配流变属性的树脂所生产出的薄膜而言,它的层级保持各自特定的厚度,近乎满幅。然而如果在加工期间因高温或剪切变稀影响,内层的流动性比外层更强的话,它们将在外层周边流动。相反,如果外层流动性更强的话,它们包裹内层一起流动。上述两种不匹配现象都需裁剪去废边以满足产品规范。
解决流变性能难题
此后,关键在于控制材料或生产参数,使得每层均显示出相同的粘性。要想解决PA6和烯烃之间的流变不匹配问题,有两大途径:第一种方法需要特殊模具和高等级控制。第二种方法提供了一套更为出色的解决方案,即通过改变PA6的分子结构,使其流变行为与共挤膜中的其他树脂相匹配。
模具和控制(以下简称“硬件”)解决方案要求在加工期间,对于每一套需密切控制的流程,所有细节均已按特定协议精密设计和操作,其目的在于配制和运行流延流程,使每种树脂均处于最佳的压力/剪切/温度点。
所有树脂的加工设备均须不得有任何锐弯、直径改变(导致流速改变)、冷热点、或不匹配压力 – 即不得存在任何可能导致生产期间出现不必要的温度或剪切变化的特性。因此,在生产期间,树脂批次必须经过全面检测,所有加热器、螺杆和压力必须保持在不实际的狭窄公差范围之内。一旦加工操作脱离理想区域,成分树脂的流变差异会导致不合规的薄膜。设计如此