普通向拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜用于新鲜蔬菜、 水果、鲜花、寿司等生鲜商品的包装时,由于生鲜商品水分含量高,且销售过程中温差大,包装袋内容易产生一层不透明的水雾,导致商品可见度大幅降低。水雾为微生物的繁殖和生长创造了有利条件,一定程度上缩短了生鲜商品的保质期和上架期,对于存在机械损伤的生鲜商品,更易腐败变质。
 
双向拉伸聚丙烯防雾滴薄膜的制备及性能研究
 
随着人们生活质量的提高,普通 BOPP包装膜已经很难满足客户要求。BOPP防雾膜是一种防止水汽在薄膜表面结雾而影响透明度的功能性薄膜,主要用于上述生鲜商品的展示性包装,极大地提高了商品的观赏效果,增加了客户的购买欲望。 
 
本文探讨薄膜产生雾滴的原因,并改进配方体系, 优化工艺参数,采用平膜法在双向拉伸生产线上生产出 BOPP防雾滴薄膜,产品防雾等级达到1级。 
 
1 防雾性能的实现 
 
1.1 水雾产生的原理 
水雾的产生是因为水蒸气与薄膜表面的接触角过大,导致水蒸气无法润湿薄膜表面,从而形成水雾。接触角θ是衡量液体对固体表面润湿性能的重要指标,液体能否润湿固体表面取决于接触角θ大小,接触角θ示意图如图1。
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图1 接触角θ示意图
θ<90°,则固体表面是亲水性的,即液体较易润湿固体表面,其θ角越小,润湿性越好;若θ>90°,则固体表面是疏水性的,即液体不容易润湿固体,当 θ=180° 时,则表示完全不能润湿。当薄膜表面出现水滴,因水滴对光线的散射作用, 呈现出不透明的视觉效果。 
1.2 薄膜防雾效果实现的原理 
通过在薄膜配方体系中添加双亲组分防雾剂,其有效成分逐渐迁移至薄膜表层,亲水基团朝外,亲油基团朝内。当水蒸气接触到薄膜表面时便被亲水基团掠住, 使得水蒸气在薄膜表面均匀铺展,形成一层极薄的“水膜”,从而达到防雾滴的效果,见图2。
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图2 防雾剂迁移示意图
1.3 防雾剂的筛选 BOPP 
防雾滴薄膜一般为 ABC 三层结构(图 3),需要在配方中添加含有防雾剂的功能母料。
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图3 BOPP防雾滴薄膜结构图
防雾剂目前主要有多元醇脂肪酸酯类低分子亲水基聚合物类胺和季铵盐类。不同类型的防雾剂在防雾效果、防雾起效时间和防雾有效期区别较大,单一类型的防雾剂很难达到优异的防雾性能。可将几类防雾剂以不同配比搭配使用,以达到良好的防雾效果。一般使用《GB/T 31726-2015塑料薄膜防雾性试验方法》来表征评价防雾效果,见图4。
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图4 防雾性能测试图
多元醇脂肪酸酯类防雾剂常用的多元醇有甘油山梨糖醇及其醇酐,常用的脂肪酸有C11、C12的饱和酸不饱和酸。一般来说,由于长碳链的防雾剂具有较大的分子结构,与PP树脂缠绕较多,因而防雾剂迁移速率变缓,薄膜防雾有效期延长。一般可选择单硬脂肪酸甘油酯山梨糖醇酐单硬脂肪酸酯。 
防雾剂的添加量直接影响薄膜的防雾效果和有效期,通过测试防雾剂的添加比例对薄膜防雾效果的影响,并且综合考虑生产成本和光学性能,一般选择添加1%~8%的防雾剂,防雾效果可达到1~2级。 
2 BOPP防雾滴薄膜的生产流程 
BOPP防雾滴薄膜是将添加有功能助剂的聚丙烯通 过挤出机加热熔融,将熔体输送至模头挤出,经水浴急冷形成铸片,再进行纵拉、横拉分步拉伸,经冷却、测厚、 电晕处理,收卷成卷材,时效后,分切成最终成品,见图5。
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图5 BOPP防雾滴薄膜生产工艺流程图
 

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图源:华都城集团

3 薄膜主要物理性能的控制 
3.1透明度的控制 
聚丙烯是一种半结晶聚合物,其内部存在晶区和非晶区两种相态。因两种相态对光线的折射率不同,当光通过聚合物时,在两种界面上发生折射和反射,一般结晶度越小,薄膜透明度越高。可从以下2个方面进行优化,提高薄膜透明度。 
 

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图源:金能化学

3.1.1 抗粘连剂的选择 
抗粘连剂可分为无机抗粘连剂和有机抗粘连剂,无机抗粘连剂主要有硅藻土滑石粉碳酸钙合成二氧化硅等。滑石粉和碳酸钙对薄膜光学性能影响较大,不适合生产高透明度BOPP 薄膜;硅藻土硬度高,易划伤膜面,造成薄膜阻隔性能下降;合成二氧化硅折光指数与聚丙烯非常接近,对光学性能影响小。
 
有机抗粘连剂主要为有机硅聚合物甲基丙烯酸聚合物。有机抗粘连剂光学性能好,对薄膜的透明度几乎没有影响,同时兼具增滑的功能,使薄膜具有较低的摩擦系数。
 
表1为 不同抗粘连剂生产出的薄膜物性对比表。经过综合对比,选择有机球形抗粘连剂制成的BOPP 防雾滴薄膜具有高光泽度、低雾度和超低摩擦系数。 
表1 薄膜物性对比表
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3.1.2 工艺参数的优化 
BOPP薄膜的结晶度和晶体尺寸对薄膜的光学性能有重要影响。薄膜结晶度和晶体尺寸越小,薄膜光学性能越优秀。BOPP薄膜生产时,可通过加快冷却速度降低结晶度及晶体尺寸,但过低的冷却温度会导致薄膜脆化,导致生产破膜。通过研究激冷辊和水槽温度对薄膜雾度和生产稳定性的影响,激冷辊和水槽温度可设定为 15℃~40℃。 
3.2 薄膜热封性能的控制 
一般用于生鲜食品的包装,都需要薄膜具有热封效果,方便制袋,但防雾剂的迁移会影响薄膜的热封效果。通过研究,可以通过在普通 BOPP 热封料中添加5%~30%乙烯丙烯丁烯三元共聚物,使得薄膜热封防雾层起始热封温度降至 135℃以下,热封强度达到 2.5 N/15 mm以上,满足蔬菜、水果包装的需求。 
4 结论 
本文论述了冷热温差下薄膜表面起雾机理,同时研究了配方、加工参数对薄膜防雾效果、雾度、起始热封温度、热封强度等物理性能的影响,制备出双面均可防冷热雾滴的BOPP功能薄膜,满足了下游生鲜食品防雾包装的需求。

资料来源:《双向拉伸聚丙烯防雾滴薄膜的制备及性能研究 》王红兵,张 涛,张少伟,陈铸红 ,安徽国风塑业股份有限公司,安徽 合肥 230088
 

原文始发于微信公众号(艾邦高分子):双向拉伸聚丙烯防雾滴薄膜的制备及性能研究

作者 808, ab