塑料與傳統的包裝材料相比(如紙、玻璃、金屬)相比,具有質輕、防潮、耐腐、價廉、易成型等優點,所以塑料在包裝領域應用愈來愈多。主要有塑料包裝袋、包裝容器,廣泛用于食品、飲料、化妝品、醫藥、化工原料等的包裝。常用作包裝材料的塑料種類主要是PE、PP、PVC、PET等,這些塑料表面張力都不大,特別是前兩種塑料的表面張力更小(見表1),導致了對其進行印刷、粘接效果不好。為改善塑料包裝材料的印刷性與粘接性,對其表面進行處理是一種有效方法。塑料包裝材料表面改性的方法很多,主要是電暈放電處理、火焰處理,以下對這兩種方法的實用技術予以介紹。

表1 常用塑料包裝材料表面張力大小mN/m

電暈放電處理

電暈放電處理的原理和裝置

電暈放電處理是將被處理的塑料置于高壓電極與地電極之間,在大氣壓下使兩極電壓控制為15kV左右,導致兩極之間的空氣發生電離,電離后的各種粒子在高頻交變電場的作用下高速沖擊兩極間的塑料表面,使塑料表面性能改變。

電暈放電處理裝置按振蕩方式不同主要有三種類型,即火花間隙式、電子管式和固態式,它們各有特點,其中,固態式電暈放電裝置效率高、質量穩定、能耗低,是電暈處理的首選裝置，三種電暈放電裝置的比較見表2。

表2 電暈放電處理裝置的比較

電暈放電處理的效果當對塑料包裝材料進行電暈放電處理后,其表面張力與表面極性均增大,提高了油墨、粘接劑在其表面的潤濕性及它們之間的作用力。常見塑料包裝材料經電暈放電處理后其表面張力變化見表3。

表3 常見塑料包裝材料電暈放電處理后表面張力的變化mN/m

塑料包裝材料經電暈處理后其表面極性增大,主要是因為電暈處理的過程中塑料表面有羰基等極性基團生成(各種粒子高速沖擊塑料表面,空氣中的氧與材料表面分子發生了復雜的化學反應)。現代科學分析證明,PE材料表面經電暈處理后,其表面含氧量增加。

電暈放電處理的影響因素

電暈放電處理塑料包裝材料的處理效果影響因素很復雜,影響的主要因素有:電極與塑料的相對位置、輸出電流、處理時間、環境溫度、環境濕度、處理后存放材料時間等。

電極與塑料的相對位置

電極與被處理塑料包裝材料的相對位置決定了電暈與被處理材料的接觸程度大小。電暈放電產生電暈的類型有膜狀電暈、火花電暈、梳狀電暈等,對塑料材料進行電暈處理的電暈一般以梳狀電暈較好。

當電極與被處理塑料相距過大,電暈不能充分沖擊塑料,處理效果差,當電極與被處理塑料相距過近,沖擊粒子未被充分加速,處理效果也不理想。故電極與被處理塑料包裝材料間有一最佳距離,且不同類型的電暈處理裝置最佳距離不同。對于梳狀電暈一般3～5mm為宜。

輸出電流的大小

電暈處理時輸出電流大小對處理的效果影響很大,當輸出電流過低時,電暈處理效果差,當輸出電流達到某臨界值后,電暈處理的效果增加不多,即對某種塑料包裝材料進行電暈處理時有一最佳輸出電流。

處理時間

塑料包裝材料電暈處理時間愈長,處理效果愈好,但處理時間過長會導致處理過度,塑料會產生異味,對于薄膜制品則還會發生粘連,若塑料中含有某些助劑,有時由于過度處理而導致助劑向表面遷移,影響透明度。故處理的時間不能過長,以不影響產品質量為度。

環境條件

電暈處理包裝材料時的環境溫度、濕度對處理的效果有較大的影響,環境溫度高,處理的效果好,如處理熱膜比處理冷膜的效果好得多。原因是溫度高時,發生的化學反應快,反應的程度也大,但處理后產品存放的環境溫度高,電暈處理的效果消退也快,這在生產中要予以注意。環境的濕度大,電暈處理的效果會變差,這可能是空氣中的水分子捕捉了部分由電暈使空氣電離而產生的各種粒子,使對塑料包裝材料進行處理的電暈粒子能量減少,從而影響了處理的效果。

處理后存放的時間

對塑料包裝材料進行電暈處理后,隨著存放時間的增長,處理的效果會下降,原因可能是因為隨著存放時間的增長電暈處理所產生的極性基團向塑料內部遷移的結果。所以,經電暈處理后的塑料包裝材料必須盡快地進行印刷或粘接,以保證后處理的效果。

火焰處理

火焰處理是用燃燒可燃氣體產生的火焰與被處理的塑料表面相接觸,從而使被處理塑料材料表面粗化(結晶型塑料產生晶體)并發生復雜的化學反應,使表面產生極性基團(羰基)從而改變表面性能的方法。

火焰處理裝置及原理

火焰處理裝置比較簡單,國內尚無定型的專用設備(國外已有專用設備),可根據處理產品的類型進行自制,主要部分為供氣裝置與燃燒噴口,燃燒噴口要保證燃氣充分燃燒且能夠調節火焰大小。對塑料包裝膜(片)進行火焰處理時,需將膜緊貼在冷卻的金屬輥筒上,以防止處理時塑料包裝材料發生軟化變形甚至熔化。當處理塑料包裝容器時,要求能對容器四周進行均勻的火焰處理。火焰處理的原理是:在高溫下使塑料包裝材料表面的大分子發生氧化反應產生極性基團,另外還對表面分子聚集的結構形態產生影響,如結晶性塑料表面球晶尺寸增大,從而增大了塑料包裝材料的表面粗糙度和表面極性,達到提高印刷質量和粘接強度的目的。

影響火焰處理效果的主要因素

影響火焰處理效果的主要因素:混合氣體的比例、處理的時間、火焰與塑料的相對位置等。

混合氣的比例

用于對塑料包裝材料進行火焰處理的主要燃氣有煤氣、天燃氣、液化石油汽等,這些燃氣燃燒是否完全與產生的火焰溫度高低與混合比例關系很大。如使用煤氣,煤氣與空氣比例為1∶1時,則產生的溫度低于1000℃,處理效果不理想;若改為煤氣∶空氣∶氫氣為3∶5∶1時,則火焰溫度可高于1000℃,火焰處理的效果要好些。對于天燃氣,天燃氣∶空氣為1∶1時,燃燒產生的火焰對塑料包裝材料表面處理的效果較好。如用液化石油氣作為燃氣,則要求該燃氣充分燃燒,火焰呈青藍色時火焰溫度較高,處理效果較為理想。

處理時間

火焰處理時間長則表面改性效果好,但處理時間不能過長,否則塑料受熱時間過長,塑料會出現熔化、變形、分解等現象,特別是處理塑料薄膜類包裝材料時,一般要求對著火焰的時間需控制在最短限度內,以保證材料不熔化、不燒焦。

火焰與塑料的相對位置

火焰與被處理塑料的距離過遠或過近,處理的效果均不理想,因為塑料離火焰過遠或過近都不是以最高火焰溫度對塑料進行處理。一般要求讓塑料與火焰的最高溫度處進行接觸以提高火焰處理的效果。故要將被處理的塑料與“氧化焰”的中部相接觸,以期得到最好的處理效果。

這是因為“氧化焰”不但溫度最高,而且還具有一定的氧化性,能使塑料表面的大分子發生氧化反應而產生極性基團,提高塑料表面活性以利于提高印刷、粘接質量。

雖然對塑料包裝材料表面改性的方法很多,如表面接枝、臭氧處理、化學藥品處理、紫外線照射處理等,就塑料表面處理工業實用性來說,現仍是以電暈放電處理及火焰處理為主要方法。它們在工業生產上應用最廣泛。這兩種方法不但處理技術較為簡單,而且處理效果也較好,但影響處理效果的因素較為復雜,了解與掌握其原理及影響因素是保證處理效果的關鍵。

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