三、 BOPET薄膜的表面結(jié)構(gòu)性能及其對(duì)薄膜印刷、 鍍鋁性能的影響
從上述的附著機(jī)理分析，可以看出，BOPET薄膜的表面結(jié)構(gòu)與性能直接影響著其后序加工如鍍鋁、印刷及復(fù)合的性能和效果，以下就分別從BOPET薄膜的表面極性與張力、表面粗糙度、摩擦系數(shù)、薄膜界面層等幾個(gè)方面來說明其表面的性能特征及對(duì)其印刷、鍍鋁性能的影響。
1 表面極性與表面張力
材料本身的分子結(jié)構(gòu)決定了材料極性的大小，而材料的表面張力又與其表面極性有關(guān)，極性越大，表面張力也越大。PET大分子鏈中含有極性基團(tuán)酯基，因此，BOPET薄膜表面具有一定的極性，其表面張力較一般的非極性塑料薄膜如BOPP大，未經(jīng)表面處理的BOPET薄膜的表面張力可達(dá)到40～42達(dá)因/cm[4]。當(dāng)薄膜用于印刷時(shí)，為了使油墨能夠完全浸潤(rùn)(潤(rùn)濕)薄膜表面，要求薄膜的表面張力要等于或大于油墨的表面張力，故在印刷時(shí)，要求薄膜的表面張力要至少大于38達(dá)因/cm[5]，對(duì)于真空鍍鋁，由于鋁表面具有很高的表面能，表面極性和表面張力很大，且其表面常帶有羥基，而BOPET薄膜表面因酯基的存在，也具有一定的極性，因此薄膜與鋁層間一方面靠范德華力結(jié)合；另一方面，在BOPET薄膜型流體場(chǎng)中，PET呈平面層狀聚集態(tài)，其苯環(huán)平躺在膜面方向，苯環(huán)的存在形成了冗電子體系，與鋁原子外層的電子云疊加，形成配價(jià)鍵[6]。
實(shí)踐證明，在一般情況下，未處理BOPET薄膜已經(jīng)能滿足印刷、鍍鋁的要求。但為了進(jìn)一步增加油墨及鋁層與薄膜間的附著牢度，通常仍要對(duì)BOPET薄膜進(jìn)行表面處理。薄膜表面處理方法有電暈處理、等離子體處理、化學(xué)處理、光化學(xué)處理、火焰處理、涂層處理等。其中電暈處理是應(yīng)用最普遍的一種。電暈處理的作用表現(xiàn)為：①通過電極在電極和電暈處理輥之間放電，使空氣電離，形成臭氧和氧化氮。同時(shí)高能的電子和離子攻擊薄膜表面，使其鏈狀分子斷裂，產(chǎn)生自由基，并同空氣的電暈產(chǎn)物發(fā)生氧化交聯(lián)等反應(yīng)，生成羥基、羰基等極性基團(tuán)，提高了薄膜的表面張力及極性。②高能電子和離子注入薄膜，在塑料薄膜表面產(chǎn)生微凹的密集孔穴，使薄膜表面粗化，增大表面活性。薄膜表面的潤(rùn)濕張力與電暈處理的強(qiáng)度有關(guān)。而電暈處理的強(qiáng)度則與電極電壓的高低和電極——電暈輥之間的間隙有關(guān)。電極電壓高，與電暈輥之間的距離小，電暈處理效果強(qiáng)；與薄膜和電暈輥之間是否夾入空氣有關(guān)，如果膜輥之間夾有空氣將會(huì)導(dǎo)致薄膜背面也被處理；與電暈輥和電極表面清潔度有關(guān)，電暈輥和電極表面很臟，則會(huì)減弱電暈處理的效果。
添加劑的加入也可能對(duì)薄膜表面的極性及表面張力產(chǎn)生一定的影響。BOPET薄膜中常用的添加劑為抗粘連劑，通常采用二氧化硅。二氧化硅中的硅氧鍵具有較強(qiáng)的極性，且二氧化硅粒子表面常吸附有一定的化合水和羥基，因此，二氧化硅粒子具有較高的表面能，這樣裸露在薄膜表面的二氧化硅粒子有助于增加薄膜表面的極性及表面張力，有利于鍍鋁和印刷。有時(shí)，為了提高二氧化硅粒子與PET的相容性，促進(jìn)其在PET聚合過程中的分散，要采用表面處理劑(分散劑、偶聯(lián)劑等)，對(duì)其進(jìn)行表面處理，以降低其表面張力和極性。在此種情況下，薄膜表面分布的二氧化硅粒子會(huì)影響膜面的極性和表面張力，而且過量的表面處理劑可能會(huì)遷移到薄膜表面，導(dǎo)致其鍍鋁和印刷性能變差。但是，如果當(dāng)所采用的表面處理劑其疏水端具有長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)或反應(yīng)性的官能團(tuán)時(shí)，會(huì)與印刷油墨中的樹脂成分發(fā)生擴(kuò)散或化學(xué)作用，在這種情況下，經(jīng)表面處理的添加劑的加入反而有利于提高薄膜與印墨間的附著牢度。
另外，對(duì)薄膜表面進(jìn)行涂層，以徹底改變BOPET薄膜的表面性質(zhì)，也有利于其與鍍鋁層及油墨的附著，并且能夠克服由于PET的蠕變而產(chǎn)生的鍍鋁層轉(zhuǎn)移。因?yàn)樵趯?duì)傳統(tǒng)的鍍鋁復(fù)合膜用顯微鏡觀察時(shí)可以發(fā)現(xiàn)：鍍鋁層存在大量的紋隙和空隙，鍍鋁層致密度差。這是由于在真空蒸鍍過程中BOPET在張力、溫度的作用下產(chǎn)生拉伸形變，收卷后PET蠕變恢復(fù)而產(chǎn)生的結(jié)果。復(fù)合以后粘合劑分子會(huì)通過這些空隙滲入鍍鋁層和薄膜界面，嚴(yán)重降低兩者的附著牢度，從而造成剝離時(shí)鍍鋁層的轉(zhuǎn)移。若在BOPET薄膜表面上先涂一層丙烯酸類樹脂專用涂層，再進(jìn)行真空鍍鋁，這樣丙烯酸專用涂層介于鍍鋁層和BOPET薄膜間起到一個(gè)緩沖層的作用，使PET在真空蒸鍍收卷后蠕變產(chǎn)生的應(yīng)力釋放在該涂層，從而減小了對(duì)鍍鋁層的破壞，鍍鋁層的致密度大大提高，復(fù)合以后粘合劑分子無法通過空隙滲入鍍鋁層和薄膜界面。此外，專用涂層與鍍鋁基材BOPET、鋁層的界面結(jié)合牢度好，所以與其它基材復(fù)合后剝離強(qiáng)度很高，鍍鋁層不會(huì)向任何一層轉(zhuǎn)移。
2 表面粗糙度
未經(jīng)處理且不含有添加劑(抗粘連劑)的BOPET薄膜表面是非常光滑的。這不但不利于其收卷與分切，也不利于其后序的鍍鋁、印刷等加工。通過電暈處理及加入添加劑，可使表面粗化，具有一定的粗糙度，從而增大了粘附面積，并利用機(jī)械錨固作用提高薄膜與油墨及鍍鋁層間的附著牢度。
電暈處理使薄膜表面粗化的原理前面已述。
添加劑對(duì)薄膜表面粗糙度的影響與添加劑的種類、形狀、粒徑、粒子分布、加入量等因素有關(guān)。BOPET薄膜中常采用的抗粘連劑為二氧化硅，形狀為不規(guī)則的球狀。二氧化硅粒子的粒徑越大，加入量越多，則薄膜表面粗糙度也越大，在一定程度上有利于薄膜的印刷及鍍鋁。但粗糙度過大，可能會(huì)造成油墨及鋁粉填不滿薄膜表面的凹陷，形成空隙，進(jìn)而降低兩者之間的附著，導(dǎo)致成品的脫鋁或脫墨。另外，粒子粒徑的分布及在薄膜中的分散均勻性會(huì)直接影響薄膜表面粗糙度的均勻性。因此，應(yīng)在聚合及加工過程中，盡量防止粒子的凝聚，并促使其在薄膜表面分散均勻，從而使整個(gè)薄膜表面的粗糙度均勻一致。若粗糙度分布過于不均，則可能會(huì)在粗糙度過大或過小的區(qū)域形成比較薄弱的附著界面，剝離時(shí)就會(huì)在這些薄弱界面發(fā)生優(yōu)先脫落，從而降低了整體的附著牢度。
3摩擦系數(shù)
在生產(chǎn)金屬化鍍鋁膜時(shí)，如果薄膜摩擦系數(shù)較高會(huì)對(duì)鍍鋁產(chǎn)生阻隔作用，降低薄膜鍍鋁性能，因此需要控制薄膜摩擦系數(shù)較低，最好是低于035。而需要特別強(qiáng)調(diào)的是為了達(dá)到這個(gè)摩擦系數(shù)，絕對(duì)不能加入任何爽滑劑，一個(gè)原因是這些爽滑劑通常都是遷移性的，在遷移過程會(huì)降低薄膜的表面張力而降低了金屬的附著，另一個(gè)原因是在真空鍍鋁過程這些爽滑劑有可能被真空吸出，造成鍍鋁設(shè)備產(chǎn)生隔層干擾了金屬的附著。所以為了達(dá)到較低的摩擦系數(shù)，生產(chǎn)金屬化鍍鋁膜時(shí)需要選用有機(jī)物的抗粘連劑[7]。
4薄弱界面層
塑料薄膜表面普遍存在有薄弱界面層。薄弱界面層的形成一方面是薄膜中的低分子量物質(zhì)(如抗靜電劑、爽滑劑、表面處理劑等)可能析出，匯集在薄膜表面形成的一層強(qiáng)度低、厚度薄的界面層。另外，薄膜在生產(chǎn)及儲(chǔ)存過程中，由于吸附水、灰塵、油污也易形成薄弱界面層。對(duì)于BOPET薄膜，由于一般不添加抗靜電劑、爽滑劑等低分子量物質(zhì)，因此其薄弱界面層主要是由于薄膜表面受水、灰塵、油污、低分子升華物等污染而形成的。其薄弱界面層的表面能一般都較低，由于其屏蔽作用，降低了薄膜的表面張力和潤(rùn)濕性，而使印墨及鍍鋁層表現(xiàn)出很差的粘附性，印刷時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)油墨分散不好，印品出現(xiàn)針孔、白點(diǎn)等缺陷。
在BOPET薄膜生產(chǎn)過程中，薄弱界面層的形成主要有以下幾個(gè)方面：
(1)灰塵污染
塑料薄膜(包括BOPET薄膜)一般都是絕緣性能較好的材料，這些薄膜在生產(chǎn)過程中，由于摩擦或靜電場(chǎng)的作用，薄膜的表面將會(huì)產(chǎn)生大量的靜電。如果薄膜工廠中的空氣中含有較多灰塵時(shí)，帶有靜電的薄膜將會(huì)把灰塵吸附在其表面，影響薄膜的潔凈度，進(jìn)而影響薄膜的印刷、鍍鋁粘合能力。
(2)低分子物污染
BOPET薄膜在橫向拉伸定型后要進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。強(qiáng)制冷卻時(shí)，薄膜內(nèi)升華出來的低分子物遇冷凝聚。生產(chǎn)時(shí)間越長(zhǎng)，冷卻循環(huán)系統(tǒng)中凝聚物的含量會(huì)不斷增多，冷卻區(qū)被污染的程度也會(huì)越來越大，低分子冷凝物沉積在薄膜表面，形成了薄弱界面層，對(duì)薄膜表面造成污染。
BOPET薄膜在電暈處理后要通過一個(gè)冷卻輥進(jìn)行冷卻。電暈處理時(shí)，部分未被抽走的低分子升華物、空氣及薄膜的電離產(chǎn)物等被薄膜帶到冷卻輥上，并遇冷凝聚沉積在輥面，時(shí)間越長(zhǎng)，冷卻輥表面上的冷凝物越多。薄膜在通過冷卻輥時(shí)，這些冷凝物就容易粘附在薄膜表面，造成污染。
(3)油污污染
在鏈條、輥筒高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于密封不好等原因而造成的漏油及油污飛濺對(duì)薄膜造成污染。
(4)電暈出水污染
在相對(duì)濕度較高的環(huán)境下生產(chǎn)時(shí)，由于排風(fēng)的影響，電暈處的溫度相對(duì)較低，因此在電極及電暈輥外的不銹鋼外罩上就容易結(jié)露，凝結(jié)的水珠(水珠中還可帶有低分子物、污泥等電暈產(chǎn)物)滴到薄膜上，造成薄膜表面的污染，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)薄膜的粘連，影響其鍍鋁、印刷等后序加工。
四、 結(jié)束語
隨著人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)包裝產(chǎn)品的要求也越來越高。BOPET薄膜憑借其優(yōu)越的性能，已在包裝材料市場(chǎng)上顯示出很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力及廣闊的發(fā)展前景。由于BOPET薄膜的印刷、鍍鋁性能直接影響著其產(chǎn)品的應(yīng)用，因此，對(duì)BOPET薄膜的表面改性和處理，以及如何更好地減少環(huán)境對(duì)薄膜表面的污染以增加其鍍鋁、印刷時(shí)的附著牢固性，這對(duì)各BOPET薄膜生產(chǎn)廠家來說都有一個(gè)有意義的課題。
作者： 田立斌(天津萬華股份有限公司)
來源：中國(guó)塑料包裝信息網(wǎng)
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