余瑩波

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司塑料部，上海200540)

高壓聚乙烯(LDPE)薄膜料主要應(yīng)用于包裝膜、農(nóng)業(yè)用膜、重包裝膜以及醫(yī)用包裝膜等領(lǐng)域。其中包裝膜占主導(dǎo)地位，約為44.6%，包裝膜中應(yīng)用最廣泛的是收縮膜，可以用于食品、書(shū)籍等的散件包裝，或采用現(xiàn)場(chǎng)收縮包裝方法包裝小轎車(chē)、賽艇等體積龐大的產(chǎn)品或設(shè)備。LDPE農(nóng)用薄膜廣泛應(yīng)用于地面覆蓋薄膜、各種類(lèi)型棚膜等，LDPE棚膜由于質(zhì)地輕、柔軟、透明、無(wú)毒，已成為中國(guó)用量最大的溫室棚膜品種。LDPE在重包裝膜應(yīng)用方面的量相對(duì)較少，主要用于塑料原料、水泥、化肥和谷物等的集合包裝，可以部分代替木箱和瓦楞紙箱[1]。

與進(jìn)口重包裝膜袋相比，國(guó)產(chǎn)重包裝膜袋主要存在膜的耐穿刺強(qiáng)度低、印刷性不好和易吸塵等缺點(diǎn)。材料表面的摩擦因子是包裝機(jī)器運(yùn)行速度以及包裝物易開(kāi)啟性的主要影響因素之一，實(shí)際包裝中的摩擦力常常既是動(dòng)力又是阻力，因此必須有效地控制摩擦因子的大小，使它在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)[2]。從包裝機(jī)器運(yùn)行速度以及包裝物易開(kāi)啟性方面來(lái)做好質(zhì)量指標(biāo)，以開(kāi)拓重包裝膜新市場(chǎng)，滿(mǎn)足廣大客戶(hù)的需求。

中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)上海石化)塑料部高壓聚乙烯裝置有成熟的三菱油化超高壓管式“E”法生產(chǎn)工藝，已成功開(kāi)發(fā)出各種LDPE薄膜專(zhuān)用料，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)多用途包裝膜產(chǎn)品。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

1#為上海石化樣品，2#為某進(jìn)口樣品，3#為某國(guó)產(chǎn)樣品，三種樣品均為L(zhǎng)DPE包裝膜產(chǎn)品，1#和3#產(chǎn)品為管式法生產(chǎn)，2#產(chǎn)品為釜式法生產(chǎn)。

1.2 分析儀器和設(shè)備

密度測(cè)試：儀器型號(hào)為L(zhǎng)LOYD DC/02，使用密度梯度管法測(cè)密度，樣品經(jīng)熔條、水煮后進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1033.2—2010。

差示掃描量熱分析(DSC)：測(cè)試儀器為美國(guó)TA公司的DSC Q100，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下以10 K/min的速率升溫到180 ℃，并停留10 min，然后以10 K/min的速率降溫到室溫。

熔融指數(shù)(熔體每10 min通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)口模毛細(xì)管以g計(jì)的質(zhì)量)：儀器型號(hào)為T(mén)INIUSOLSEN 987，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 3682—2000，測(cè)試溫度為190 ℃，壓力為216 kPa。

透光率、霧度：儀器型號(hào)為山東中量測(cè)試技術(shù)有限公司的WGT-ZL型，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 2410—2008，測(cè)試樣品厚度為0.48 mm。

邵氏硬度：儀器型號(hào)為B7206.100/SHORE D，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 2411—2008，將規(guī)定形狀的壓針壓入試驗(yàn)材料，測(cè)量垂直壓入的深度。

扭矩流變：測(cè)試儀器為德國(guó)ThermoFisher公司的HAAKE PolyLab OS扭矩流變儀，測(cè)試溫度為140 ℃，轉(zhuǎn)速為45 r/min。

簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度：儀器型號(hào)為ATLAS/14204，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1043.1—2008，在室溫(23 ℃)條件下，擺錘升至固定高度，以恒定的速度單次沖擊支撐成水平梁的試樣，沖擊線(xiàn)位于兩支座的中點(diǎn)，缺口試樣側(cè)向沖擊時(shí)，沖擊線(xiàn)正對(duì)單缺口。

拉伸測(cè)試：儀器型號(hào)為ZWICK/Z005，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1040.2—2006，沿試樣縱向主軸恒速拉伸，直到斷裂，測(cè)量在這一過(guò)程中試樣承受的負(fù)荷及其伸長(zhǎng)。

薄膜撕裂強(qiáng)度：儀器型號(hào)為ZWICK BT1-FI0.5TH.D14，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 16578.1—2008，在試樣長(zhǎng)軸方向上切縫至1/2處，使其切口所形成的兩“褲腿”上經(jīng)受拉伸試驗(yàn)，測(cè)試沿長(zhǎng)軸方向撕裂試樣所需的平均力，計(jì)算材料的撕裂強(qiáng)度。

摩擦因子：儀器型號(hào)為ZWICK Z2.5/TS1S，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為Q/SPC 4028—2017，靜摩擦力是兩接觸表面在相對(duì)移動(dòng)開(kāi)始時(shí)的最大阻力，其與法向力之比就是靜摩擦因子。

環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂：測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1842—2008，把表面帶有刻痕的試樣彎曲并放置入表面活性劑的介質(zhì)中，觀(guān)察試樣發(fā)生開(kāi)裂的時(shí)間。

2 結(jié)果與討論

2.1 基礎(chǔ)性能比較

表1列出了3種樣品的基礎(chǔ)性能，從中可以看出1#樣品的霧度最為優(yōu)異，三者的透光率相差不大，3#樣品的硬度相對(duì)較好。

表1 各樣品基礎(chǔ)性能比較

2.2 結(jié)晶性能

結(jié)晶度影響聚合物多方面的性能，結(jié)晶度越大，透明性越差，收縮率越大。各樣品結(jié)晶度比較見(jiàn)表2。

表2 各樣品結(jié)晶度比較

* 結(jié)晶度為(△Hm/△Hc)×100%，其中△Hm為PE實(shí)測(cè)結(jié)晶焓，△Hc為PE完全結(jié)晶的結(jié)晶焓，293 J/g。

從表2可以看出：1#樣品的結(jié)晶度最低，霧度測(cè)試可以論證這一結(jié)果，結(jié)晶度越低透明度越高，霧度越低。

2.3 收縮率比較

收縮率的影響因素有很多，其中最主要的因素是結(jié)晶狀態(tài)，結(jié)晶后分子鏈緊密排列，結(jié)構(gòu)有序規(guī)整，宏觀(guān)表現(xiàn)為制品尺寸減小，即結(jié)晶程度越高，收縮率會(huì)越大。各樣品收縮率比較見(jiàn)表3。

表3 各樣品收縮率比較 %

從表3可以得知：橫向收縮率受取向的影響較小，可以更為直觀(guān)地看出結(jié)晶度對(duì)它的影響程度，1#的結(jié)晶度較小，橫向收縮率也較小。收縮率的另一影響因素為取向，熔體流動(dòng)導(dǎo)致熔體產(chǎn)生取向結(jié)構(gòu)，取向后分子鏈熵值減小，趨向有序排列，導(dǎo)致收縮率變大，因此縱向收縮率比橫向收縮率要大。

2.4 流變性能

HAAKE扭矩流變儀是模擬在擠出機(jī)等加工設(shè)備中材料的熔融塑化流動(dòng)過(guò)程，并檢測(cè)扭矩隨時(shí)間的變化以及平衡扭矩的大小，反映加工過(guò)程中流動(dòng)性的好壞和能量的消耗情況(見(jiàn)圖1～2)。

從圖1～2可以看出：3#樣品的扭矩最小，說(shuō)明推動(dòng)聚合物熔體流動(dòng)的機(jī)械力較小，即聚合物熔體的黏度較低，也就是流動(dòng)性較好。而2#樣品開(kāi)始時(shí)扭矩上升很快，最大扭矩遠(yuǎn)高于其他兩種樣品，在加工中表現(xiàn)為剪切力很大，隨時(shí)間延長(zhǎng)后的平衡扭矩也是三者中最大的，說(shuō)明流動(dòng)性較差。

圖1 各樣品HAAKE流變扭矩

圖2 各樣品HAAKE流變扭矩

2.5 力學(xué)性能

各樣品力學(xué)性能比較見(jiàn)表4。

表4 各樣品力學(xué)性能比較

從表4可以看出：1#樣品的沖擊強(qiáng)度相對(duì)來(lái)說(shuō)處于中等，但是斷裂標(biāo)稱(chēng)應(yīng)變和拉伸斷裂應(yīng)力明顯高于2#和3#樣品。

3種專(zhuān)用料都可以用在重包裝袋、內(nèi)襯袋，農(nóng)業(yè)及建筑用膜等方面，包括工業(yè)用、食品用高收縮膜。應(yīng)用在高收縮膜時(shí)，搬運(yùn)過(guò)程中會(huì)發(fā)生提拉、碰撞等情況；應(yīng)用在農(nóng)業(yè)及建筑用膜時(shí)，由于施工或者自然天氣原因，也會(huì)受到外力撞擊等問(wèn)題，因此專(zhuān)用料的韌性尤為重要。上海石化開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用料在韌性方面的表現(xiàn)很突出，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于進(jìn)口樣品，與同類(lèi)國(guó)產(chǎn)樣品相比也是較為優(yōu)異的。

2.6 摩擦因子

摩擦因子是考察包裝薄膜的一項(xiàng)重要指標(biāo)，因?yàn)樵诎b過(guò)程中的摩擦力常常既是動(dòng)力又是阻力。摩擦因子是包裝機(jī)器運(yùn)行速度以及包裝物易開(kāi)啟性的主要影響因素之一。包裝機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，一般要求薄膜內(nèi)層摩擦因子比較小，但不能過(guò)小，否則可能引起制袋成型時(shí)疊料不穩(wěn)定而產(chǎn)生錯(cuò)邊；而薄膜外層與包裝機(jī)拖動(dòng)金屬面時(shí)摩擦因子需適中，太大會(huì)引起包裝過(guò)程中阻力過(guò)大致使材料拉伸變形，太小可能又會(huì)引起拖動(dòng)機(jī)構(gòu)打滑，造成電眼跟蹤和切斷定位不準(zhǔn)[2]。

1#、2#、3#樣品的摩擦因子分別為0.46,0.41,0.49。2#進(jìn)口樣品的優(yōu)點(diǎn)在于其靜摩擦因子很低，包裝機(jī)器運(yùn)行速度能保持優(yōu)勢(shì)，但是客戶(hù)在應(yīng)用過(guò)程中，出現(xiàn)了堆疊錯(cuò)位以及運(yùn)轉(zhuǎn)打滑等問(wèn)題，而3#樣品則影響了生產(chǎn)效率。上海石化使用了適當(dāng)?shù)奶砑觿┎⒄{(diào)整了工藝，使得1#樣品的摩擦因子穩(wěn)定在一個(gè)適當(dāng)?shù)臄?shù)值。

2.7 耐環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂性能

環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂指由低于塑料短時(shí)機(jī)械強(qiáng)度的各種應(yīng)力引起的塑料內(nèi)部或外部的開(kāi)裂。這類(lèi)開(kāi)裂常常受所處環(huán)境的影響而加速發(fā)展，存在于外部或內(nèi)部的應(yīng)力或兩種應(yīng)力的共同作用可以引起開(kāi)裂。聚乙烯的環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂機(jī)理一般認(rèn)為，在應(yīng)力作用下，聚乙烯的非晶區(qū)存在一些微小的空洞和缺陷，它可以吸收環(huán)境試劑并造成內(nèi)壓力，此壓力引起球晶間連接分子重排，誘發(fā)銀紋，最終導(dǎo)致開(kāi)裂，并認(rèn)為在防止環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂過(guò)程中，晶片間連接分子起到了關(guān)鍵作用[3]。

1#、2#、3#樣品的環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂時(shí)間見(jiàn)表5。

表5 各樣品環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂比較

從表5可以看出：1#樣品的耐環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂性能非常優(yōu)異，決定了產(chǎn)品使用的環(huán)境多樣性和時(shí)效性，能很好地應(yīng)對(duì)所處環(huán)境影響而產(chǎn)生的應(yīng)力開(kāi)裂問(wèn)題，提高了產(chǎn)品使用壽命。

3 結(jié)論

(1)1#樣品的斷裂標(biāo)稱(chēng)應(yīng)變和拉伸斷裂應(yīng)力相對(duì)較好，韌性性能尤為突出，有利于解決提拉、撕拉、撞擊等外力造成的穿刺損傷問(wèn)題。

(2)2#樣品摩擦力低的優(yōu)點(diǎn)突出，但是存在堆疊和打滑的問(wèn)題，1#樣品在保證生產(chǎn)效率的同時(shí)，也規(guī)避了進(jìn)口樣品的缺點(diǎn)。

(3)1#樣品的耐環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂性能優(yōu)異，能很好地應(yīng)對(duì)所處環(huán)境影響而產(chǎn)生的應(yīng)力開(kāi)裂問(wèn)題，提高了產(chǎn)品使用壽命。

(4)對(duì)流動(dòng)性能、韌性、摩擦力以及耐環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂各項(xiàng)性能進(jìn)行綜合分析，并考慮到客戶(hù)在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題，1#產(chǎn)品的綜合性能較優(yōu)，能很好地應(yīng)用在重包裝袋、內(nèi)襯袋、農(nóng)業(yè)及建筑用膜、工業(yè)用及食品用高收縮膜等各種領(lǐng)域。