眾所周知, 在塑料制品當(dāng)中添加填料, 對(duì)塑料制品的性能影響有利也有弊, 優(yōu)化設(shè)計(jì)填料的添加量, 有助于加工廠節(jié)省樹(shù)脂,降低成本費(fèi)用,以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量和效益最大化。如今, 加有填料的襯衣包裝袋以及桶裝內(nèi)襯薄膜已經(jīng)司空見(jiàn)慣。據(jù)美國(guó)Omva公司技術(shù)服務(wù)部經(jīng)理AllenGuy 的估計(jì), 在過(guò)去的2 年內(nèi), 由于樹(shù)脂材料價(jià)格增高, 薄膜加工廠的利潤(rùn)微薄,有多家企業(yè)已在薄膜生產(chǎn)過(guò)程中添加了約10%的碳酸鈣填料, 部分企業(yè)把填料的添加量擴(kuò)大至15%～20%, 也制得質(zhì)量?jī)?yōu)良的薄膜產(chǎn)品。
加工吹塑薄膜袋時(shí)填料的理論添加量上限可至30%, 但這一條件下要求廠家所使用的原材料是100%的純新樹(shù)脂, 事實(shí)上并非完全如此。美國(guó)吹塑薄膜加工廠-Touchpoint 公司總裁Paul Waller 指出,人們希望能在薄膜加工過(guò)程中添加25%的填料,以此降低成本, 但是卻又擔(dān)心會(huì)降低薄膜的拉伸強(qiáng)度, 故填料添加量方面沒(méi)有太大的突破。
有一些非制袋用途的薄膜產(chǎn)品最高含有30%的填料,其產(chǎn)品性能要比制袋薄膜的性能指標(biāo)要低。含有40%～50%碳酸鈣填料的拉伸取向薄膜以及衛(wèi)生保健用的無(wú)菌型吹塑薄膜,目的是為了使薄膜具有透氣特性。在歐洲塑料加工工業(yè)領(lǐng)域, 企業(yè)在加工用于包裹油粘性奶油的吹塑薄膜時(shí), 通常添加的碳酸鈣份量達(dá)60%,但這種薄膜所使用的是精細(xì)填料, 填料的價(jià)格要高出普通品級(jí)填料價(jià)格達(dá)2～3 倍。Her itage 公司加工HDPE吹塑薄膜添加8%～15%的碳酸鈣, LLDPE吹塑薄膜添加量為14%～20%。
1 填沖母料的改進(jìn)
有80%的碳酸鈣母料采用了通用級(jí)LLDPE 作為載體樹(shù)脂,Bayshore工業(yè)公司是美國(guó)最大規(guī)模的薄膜級(jí)碳酸鈣母料生產(chǎn)供應(yīng)商之一, 于1990年代末開(kāi)發(fā)出BI 113牌號(hào)填料母料,該牌號(hào)母料采用了熔融指數(shù)為1～2g/ 10min 的LLDPE 作為載體樹(shù)脂,取代原先用的熔融指數(shù)為10～20的通用級(jí)樹(shù)脂。據(jù)Omva 公司的檢測(cè)報(bào)告顯示, 選用的LLDPE 載體樹(shù)脂熔融指數(shù)介于0. 9～1. 5 g/ 10 min 之間時(shí),即更接近于薄膜袋的基體樹(shù)脂HDPE 的0. 7 g/ 10 min, 有利改善最終薄膜制品的物理機(jī)械性能。Omva 公司技術(shù)服務(wù)部經(jīng)理MichaelRousse 稱(chēng), 母料載體樹(shù)脂與薄膜基體樹(shù)脂的分子量相匹配的話,就有可能添加入最大份量的填料。然而, 美國(guó)另一家最大型的薄膜級(jí)碳酸鈣填充母料制造商Her itage公司卻是利用高熔融指數(shù)的載體樹(shù)脂,進(jìn)行加工80%的礦物型母料。
母料加工行業(yè)內(nèi)所取得的最新、最大的技術(shù)成果來(lái)自于Omva 公司和Imerys 公司, 這2 家企業(yè)都開(kāi)發(fā)出薄膜級(jí)填沖母料新品級(jí),均具有顆粒分布范圍窄、特定的表面涂覆等特性。Omva 公司選用了具有明藍(lán)色調(diào)的礦物沉積物用于加工薄膜填充母料。在北美地區(qū),通常選用大理石作為薄膜級(jí)碳酸鈣填料來(lái)源, 世界上其他地方則多選用白堊土、石灰石、大理石等。3種礦物的化學(xué)特性相同,但白堊土、石灰石的地質(zhì)年代較近,用于加工母料之前必需經(jīng)過(guò)預(yù)處理,以除去所含的濕氣。用于加工塑料袋的碳酸鈣顆粒尺寸應(yīng)該介于1～2 微米, 并需加入1%～2%的硬脂酸進(jìn)行偶聯(lián)處理, 使其成為親水性, 從而使得PE薄膜中不含水分, 碳酸鈣顆粒分散容易。
對(duì)于農(nóng)用薄膜和防水雨衣等較厚的薄膜而言, 可選用最大直徑為3微米的中等尺寸顆粒碳酸鈣。較大顆粒填料無(wú)需經(jīng)表面預(yù)處理除濕工序,可降低加工成本。另外, 含有較大顆粒填料的薄膜容易被刮擦、破損。分隔薄膜就是利用這種薄膜特性的一種特定用途薄膜,如襯墊在船用拋光鋁片材上的分隔薄膜, 實(shí)際上鋁材被薄膜刮擦拋光。而農(nóng)用薄膜上添加碳酸鈣受到限制,因?yàn)槿菀滓馃峤到�。薄膜�?jí)填充母料的碳酸鈣含量應(yīng)為70%～80%左右。
2 填料對(duì)薄膜性能的影響
碳酸鈣對(duì)塑料袋性能的影響, 主要體現(xiàn)在樹(shù)脂特性、膜厚、著色等方面。由于填充薄膜增加了密度, 同樣膜厚的塑料袋重量加大,即相同重量薄膜的數(shù)量減少,從而限制了碳酸鈣在薄膜上的應(yīng)用范圍。碳酸鈣可提高塑料薄膜的物理機(jī)械性能、耐熱性能、提高尺寸穩(wěn)定性、散光性、抗擦傷性、平滑度;同時(shí)對(duì)缺口抗沖擊強(qiáng)度的增韌效果及混煉過(guò)程中的粘流性等方面都具有明顯的效果。碳酸鈣還降低了薄膜的光澤度和透明度,不適用于加工高端的光亮醫(yī)用塑料袋或者透明塑料袋, 共擠加工工藝可提高填充型薄膜的光澤度。
就碳酸鈣的添加份量而言,LLDPE 薄膜大于高分子量HDPE 薄膜, 較厚型薄膜大于較薄型薄膜。如Her itage公司的薄膜袋加工廠在LLDPE 塑料袋中加入了14%～20%的碳酸鈣, 在高分子量HDPE薄膜袋中只添加8%～15%。根據(jù)薄膜袋的使用性能要求, 部分品級(jí)的LLDPE 塑料袋中還可加大碳酸鈣的添加份量。Her itage公司介紹稱(chēng),通過(guò)合理的優(yōu)化設(shè)計(jì),結(jié)合基體樹(shù)脂牌號(hào)、吹漲比、填料份量等因素,可在不損失拉伸屈服強(qiáng)度的前提下,加工得到具有更高落鏢沖擊強(qiáng)度的薄膜產(chǎn)品。
碳酸鈣的份量對(duì)薄膜拉伸屈服強(qiáng)度的關(guān)系影響很大, 食品包裝袋和垃圾袋都規(guī)定有指標(biāo)限制。在加工丁烯- LLDPE 薄膜時(shí),添加5%的碳酸鈣可改善薄膜縱向和橫向的拉伸屈服強(qiáng)度, 若添加份量達(dá)到20%時(shí),則得到的薄膜拉伸屈服強(qiáng)度與完全用純新樹(shù)脂加工出薄膜的拉伸屈服強(qiáng)度相當(dāng)。對(duì)于辛烯和己烯LLDPE 樹(shù)脂來(lái)說(shuō), 碳酸鈣的最佳添加量是5%,最大量為20%稍高一點(diǎn)。
另外, 碳酸鈣添加份量對(duì)LLDPE 薄膜的性能影響如下:
耐穿刺強(qiáng)度和耐撕裂強(qiáng)度在高填充量時(shí)得到改善,耐氣候特性則在低填充量時(shí)較高,碳酸鈣含量介于11%～25%時(shí),落鏢沖擊強(qiáng)度優(yōu)于純新樹(shù)脂制薄膜。
不同類(lèi)型的樹(shù)脂, 在高填充份量時(shí), 薄膜的落鏢沖擊強(qiáng)度均可以得到顯著提高。如15 微米厚的丁烯共聚LLDPE薄膜的落鏢沖擊讀數(shù)為100克, 稍高于未填充型薄膜的75 克;己烯共聚LLDPE 薄膜在未填充時(shí)的讀數(shù)為150 克,添加了20%的碳酸鈣后, 薄膜的落鏢沖擊讀數(shù)大幅提升至500 克; 同樣, 辛烯共聚LLDPE 薄膜的對(duì)比讀數(shù)也從200 克增至500克。
3 填料對(duì)薄膜產(chǎn)量的影響
碳酸鈣的密度為2. 71g/ m3, PE樹(shù)脂的密度介于0. 92～0. 97g/ m3 之間, 前者是后者的3倍左右。由此可知, 加工吹塑薄膜添加了碳酸鈣后,對(duì)以千克/ 小時(shí)為產(chǎn)量計(jì)算單位有增加的影響。如果以米/ 小時(shí)為產(chǎn)量計(jì)算單位,同樣具有產(chǎn)量增大的效應(yīng),這是因?yàn)樘妓徕}的熱傳導(dǎo)系數(shù)是PE樹(shù)脂熱傳導(dǎo)系數(shù)的5 倍, 其加熱、冷卻的速度都快于PE 樹(shù)脂, 因此,含碳酸鈣的混料熔體熔融塑化及冷卻速率都快于未填充的純樹(shù)脂熔體�？梢哉f(shuō), 每增加1%的填料份量, 即可提高1%的生產(chǎn)線速率。冷卻速率更快, 也意味著吹膜時(shí)的霜白線較低, 膜泡更為穩(wěn)定, 膜泡穩(wěn)定性是困擾LLDPE薄膜加工廠取得高生產(chǎn)率的一大問(wèn)題。采用溝面喂料式擠出機(jī)的生產(chǎn)率要高于標(biāo)準(zhǔn)型光滑機(jī)筒擠出機(jī)的生產(chǎn)率,這是因?yàn)闇厦嫖沽系乃俣雀臁⑷垠w塑化構(gòu)建起機(jī)頭壓力更早的緣故。
據(jù)Her itage 公司報(bào)道, 不同共聚單體的LLDPE 樹(shù)脂中填料對(duì)產(chǎn)量的影響力也各不相同,同樣在添加20%份量碳酸鈣的情況下, 己烯共聚樹(shù)脂可增加的產(chǎn)量幅度達(dá)22%, 辛烯共聚樹(shù)脂可增加39%, 丁烯共聚樹(shù)脂的增產(chǎn)幅度最大,達(dá)到47%, 其中又以對(duì)己烯共聚樹(shù)脂的性能改善為最好。添加10%～20%的填料后, 同等時(shí)間內(nèi)通過(guò)擠出機(jī)塑化段的樹(shù)脂就會(huì)減小10%～20%,可在較低的熔體壓力、較低的馬達(dá)電流強(qiáng)度和較高的螺桿轉(zhuǎn)速下進(jìn)行加工生產(chǎn), 在提高生產(chǎn)率的同時(shí)節(jié)省能耗。
如加工高分子量HDPE 薄膜時(shí),將碳酸鈣的添加份量從10%提高至20%, 螺桿轉(zhuǎn)速可增大, 可維持原來(lái)的馬達(dá)電流強(qiáng)度,甚至降低, 在這個(gè)添加量范圍內(nèi), 螺桿轉(zhuǎn)速可恒定在70～115 rpm。對(duì)于經(jīng)營(yíng)高速印刷和高速制袋生產(chǎn)線的加工廠來(lái)說(shuō), 填料添加份量增大, 可加大設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)速度,這是因?yàn)樘妓徕}可提高膜厚的均勻平整。另外, 還可提高HDPE 薄膜的摩擦系數(shù), 方便塑料袋堆疊。
4 有利于節(jié)省助劑
在薄膜的加工配方中, 增加碳酸鈣填料份量可以減小潤(rùn)滑劑、防粘連劑、著色劑等助劑的添加量, 進(jìn)而削減成本。削減潤(rùn)滑劑的添加份量,可降低生產(chǎn)環(huán)境中存在的灰藍(lán)霧度和灰塵, 改善周?chē)髿猸h(huán)境, 至于削減多少份量, 則需根據(jù)薄膜的厚度及其用途而定。
如薄膜制品中含高份量的碳酸鈣, 有可能不用再加防粘連劑。不用防粘連劑而要求LLDPE 塑料袋開(kāi)口容易的前提下,碳酸鈣的理想添加份量分別為: 辛烯LLDPE 為5%或更多, 己烯是10%以上。碳酸鈣本身呈亮白色, 在HDPE薄膜當(dāng)中添加7%～10%的碳酸鈣, 即則可減小大約25%的鈦白粉添加份量。在某些著色配方中,使用碳酸鈣填料則有可能需添加更多的顏料進(jìn)行著色, 如在加工醫(yī)用垃圾桶內(nèi)的紅色塑料襯袋時(shí), 配方中含有碳酸鈣就會(huì)使薄膜變成粉紅色,由此需把紅色顏料的份量加大, 或者制成暗紅色, 以遮蓋碳酸鈣的白色。
5 對(duì)加工設(shè)備的改進(jìn)要求
添加使用碳酸鈣填料除了助劑喂料裝置之外, 無(wú)需對(duì)薄膜生產(chǎn)線的其他任何設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)改良。螺桿的損耗幾率會(huì)有所加大,如果填料份量處于低水平, 則螺桿的損耗程度不會(huì)太嚴(yán)重。碳酸鈣屬中等程度的磨耗性填料, 其莫斯硬度值為3, 相對(duì)于硅藻土的莫斯硬度值7和鈦白粉的5. 5,磨耗性遠(yuǎn)低于防粘連劑( 硅藻土) 和鈦白粉等。
部分薄膜加工廠表示說(shuō), 在添加了10%～15%的填料后, 設(shè)備磨損率加快, 而有些廠家卻說(shuō)沒(méi)有。Her -itage公司的Ruiz 先生對(duì)此表示說(shuō),有效的解決方法是對(duì)口模進(jìn)行輕度的清洗, 該公司用各占50%比例的碳酸鈣母料和純PE樹(shù)脂作為清洗劑。吹塑設(shè)備制造供應(yīng)商認(rèn)為, 添加高份量的填料要求選用更大的螺桿長(zhǎng)徑比( 25～30∶1) ,以及屏障型螺桿,以求達(dá)到更佳的混煉效果。美國(guó)Alpine 公司總裁David Nunes 稱(chēng),有部分HDPE薄膜加工廠已開(kāi)始按上述方法做, 其實(shí)是沒(méi)有必要的。添加碳酸鈣可獲得更快速的加熱和冷卻速度,意味著塑料袋封口可在較低溫度下進(jìn)行。碳酸鈣的油墨粘附性好, 填充薄膜無(wú)需經(jīng)過(guò)電暈處理,即可進(jìn)行簡(jiǎn)單的印制圖案工序,用來(lái)檢測(cè)印墨附著力的斯柯奇膠帶試驗(yàn)也可免去。
