水性聚乙烯亞胺錨固劑在擠出復合中的應用研究

梁艷艷 黃漢雄

（1.華南理工大學，機械與汽車工程學院；2.江門市輝隆塑料機械有限公司）

1. 引言

擠出復合是指采用樹脂熔體作為粘結層的一種多層膜復合方法[1-3]。其中擠出的樹脂不僅起到層間粘結作用，還可作為功能層，如熱封層。

相應地，與采用膠粘劑粘接的干式復合相比，擠出復合制備的多層復合膜的層間剝離強度較低[4,5]。為了滿足復合膜對層間剝離強度的要求，工業上通常采用少量的膠粘劑輔助聚合物熔體對基材進行粘結，并將這些膠粘劑稱為底涂劑[6,7]。

擠出復合常用的底涂劑主要有：有機鈦類、聚乙烯亞胺類、聚丁二烯類、聚氨酯類。

有機鈦類底涂劑主要為烷基鈦酸酯，遇水易分解，采用含水量很低或不含水的溶劑稀釋。

聚氨酯類底涂劑采用醋酸乙酯為溶劑，溶劑揮發性高。

聚丁二烯類底涂劑的性能較好，但品種較少。

聚乙烯亞胺為水溶性大分子，可采用少量低分子醇（甲醇或乙醇）與水混合作為溶劑稀釋，且復合過程中幾乎不發生化學變化，性質穩定。

因此，基于聚乙烯亞胺類底涂劑的擠出復合生產線生產過程綠色環保，所制得的復合膜衛生性好。然而，前人研究發現，聚乙烯亞胺類底涂劑的耐水耐油性差，剝離強度較低（BOPP20μ m/AC/LDPE20μ m 的剝離強度為1 N/15 mm），限制了亞胺類底涂劑的應用。

本文主要針對水性聚乙烯亞胺類底涂劑在擠出復合生產線上的應用進行研究，以期通過設備、工藝、材料三者的結合，獲得具備剝離強度高、衛生性好的復合膜制品。

2. 實驗部分

2.1 實驗材料

雙向拉伸聚對苯二甲酸乙二醇酯（BOPET）薄膜、雙向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜、雙向拉伸聚酰胺（BOPA）薄膜、鍍鋁聚對苯二甲酸乙二醇酯（VMPET）薄膜、吹塑成型聚乙烯（IPE）薄膜，市售；擠出用聚乙烯（exPE），新加坡聚烯烴公司，熔體流動速率3.5 g/10 min（190℃/2.16 kg）；聚乙烯亞胺類底涂劑（AC 劑），A182，江門市頓歐技術有限公司；乙醇，工業級；去離子水，自制。

2.2 樣品制備

樣品結構：基材/AC/exPE30μ、基材/exPE30μ、BOPET/AC/exPE15μ/VMPET/AC/exPE15μ/IPE。擠出復合生產線采用單頭共擠（一個模頭兩臺擠出機）的標準配置，工藝流程為：放卷-極化處理-涂布聚乙烯亞胺底涂劑-擠出（接入夾層二放+電暈處理）-切邊-（測厚+污點檢測）-收卷。

2.3 儀器與表征

1）拉力機——廣東越聯儀器有限公司，將樣品裁成15 mm 寬樣條，以300 mm/min 的速率進行剝離強度測試。

2）擠出復合生產線——江門市輝隆塑料機械有限公司，無粘合劑食品藥品包裝用單聯共擠擠出復合生產線。

表1 擠出機各段溫度以及模頭部位的溫度設置 單位：℃Table 1 The temperature of extruder and T-die during extrusion （℃）

3. 結果與討論

3.1 基材對擠出復合強度的影響

一般地，基材種類對多層復合膜的層間粘合強度影響較大[8]。本文選擇軟包裝常用基材進行研究，包括非極性的BOPP 基材和極性的BOPET、BOPA 基材，結果見表2。

從表2 中可以看出，無AC 劑時，BOPP/exPE復合膜的剝離強度為 0.45 N/15 mm，BOPET/exPE、BOPA/exPE 復合膜的剝離強度分別為1.30 N/15 mm 和1.77 N/15 mm。

其原因在于，復合膜的粘結強度與擠出PE和基材表面形成的界面結構有關。一般地，兩種物質粘合的重要條件是浸潤，潤濕的程度越高，粘合物在被粘物表面上鋪展的越寬廣，粘合的強度越高。

圖1 無粘合劑食品藥品包裝用單聯共擠擠出復合生產線Fig. 1 Picture of extrusion laminating production line for food and medicine

表2 不同基材以及有無AC 劑時基材/（AC 或無）/exPE 的剝離強度Table 2 Peeling strength of base films/（AC or no）/exPE films based on different kinds of base film

表3 多層復合膜的剝離強度Table 3 Peel strength of lamination films

因此，BOPET 和BOPA 的表面張力較大，利于exPE 的鋪展，因此BOPET/ exPE 和BOPA/exPE的剝離強度較BOPP/exPE 高。當基材表面涂覆了AC 劑后，BOPP/AC/exPE 的剝離強度為2.01N/15 mm，是BOPP/exPE 復合膜剝離強度的4.5 倍，表明AC 劑大大提高了復合膜的剝離強度。類似地，BOPET/AC/exPE 和BOPA/AC/exPE 復合膜樣品均未能剝開，同樣表明涂覆于 BOPET 和BOPA 基材膜上的AC 劑能夠顯著提高復合膜的剝離強度。也即，AC 劑對BOPP、BOPET、BOPA基材均表現出了促進粘結的作用。

出現這種現象的原因可能在于，聚乙烯亞胺類AC 劑在基材表面的涂覆，一方面提高了exPE熔體膜在基材上的浸潤能力，另一方面起到了類似于鉚釘的作用[9,10]。

3.2 AC 劑對多層復合膜剝離強度的影響

為了進一步研究聚乙烯亞胺類AC 劑對多層復合膜剝離強度的影響，以BOPET 膜為表層，吹膜PE（IPE）為內層制備多層復合膜，結果見表3。以exPE 為粘接材料制備BOPET/exPE/IPE三層復合膜，BOPET/exPE 的剝離強度為 1.40 N/15 mm。以AC 劑和exPE 為粘接材料，BOPET/AC/exPE/IPE 復合膜中BOPET/AC/exPE 的剝離強度為2.80 N/15 mm。也即，涂布AC 劑后，復合膜的剝離強度提高了1 倍。此結果表明，制備含有兩種基材的“三明治”結構時，AC 劑的涂布仍能夠提高復合膜的剝離強度，但提高幅度較單層基材低。其原因在于，不同種類材料的耐熱性和剛性不同，因而復合后產生的收縮應力不同，從而降低復合膜的層間剝離強度。

BOPET/VMPET/IPE 為軟包裝中常見的高阻隔結構，其阻隔性好、價格低獲得廣泛關注[11-14]。然而，BOPET/VMPET 與IPE 的復合通常需借助干式復合實現，擠出復合難以滿足內層剝離強度大于2.5 N/15 mm 的強度要求。采用最新研發生產的無粘合劑食品藥品擠出復合生產線[15]，借助導能裝置，BOPET/AC/exPE/VMPET/ exPE/IPE復合膜中exPE/IPE 的剝離強度為1.80 N/15 mm，已接近《藥品包裝用復合膜（通則）》關于內層剝離強度的要求。當BOPET/AC/exPE/ VMPET 表面涂覆AC 劑后，BOPET/AC/exPE/VMPET/AC/exPE/IPE 復合膜中exPE/IPE 的剝離強度可達到3.20 N/15 mm，完全滿足食品藥品高阻隔薄膜的內層剝離強度要求。產生這種效果的原因與上述單層基材的類似，AC 劑能夠提高擠出熔體膜的鋪展能力以及起到類似于鉚釘的作用。

4. 結語

聚乙烯亞胺類 AC 劑可以促進 BOPP、BOPET、BOPA 與擠出PE 熔體膜之間的粘結，且促進作用較強。BOPP 基材在涂布AC 劑后，BOPP/AC/exPE 的剝離強度為BOPP/exPE 的4.5倍。含有兩種基材（表層BOPET 和熱封層IPE）的復合膜，AC 劑的涂布同樣可以提高復合膜的層間粘合強度。BOPET/AC/exPE/IPE 復合膜，AC劑的涂布可使BOPET/exPE 的剝離強度提高1倍，提高幅度較單層基材小。借助于AC 劑，高阻隔結構BOPET/AC/exPE/VMPET/AC/exPE/IPE僅依靠擠出復合，內層剝離強度可達到3.20 N/15 mm，完全滿足食品藥品包裝的常規應用。