擠出復合及其新技術在彩印軟包裝領域中的應用

梁艷艷 許錦才 黃偉倫

（江門市輝隆塑料機械有限公司，廣東江門）

1.引言

國家標準中關于包裝的定義為“為在流通過程中保護產品、方便貯運、促進銷售，按一定技術方法而采用的容器、材料及輔助物等的總體名稱。也指為了達到上述目的而采用容器、材料和輔助物的過程中施加一定技術方法等的操作活動”[1]。長久以來，傳統包裝以陶瓷、玻璃、木材、金屬等為主要材料。

進入20世紀后，科技的發展日新月異，紙、玻璃、鋁箔、塑料、復合材料等包裝材料被廣泛應用。鑒于各層薄膜中微孔或空隙的重疊機會較少，阻隔性能比單質單層薄膜好，綜合性能優良，層狀復合膜已廣泛應用于包裝領域[2,3]。層狀復合膜由具備不同功能的薄膜通過特定的復合工藝和復合設備復合而成。一般地，復合工藝和復合設備相對應，主要有干式復合、濕式復合、擠出復合和無溶劑復合。

2.擠出復合在彩印軟包裝上的優勢

目前，制備多層復合膜的方法主要有：干式復合、擠出復合和無溶劑復合。干式復合采用經溶劑稀釋的膠黏劑作為粘接層，將各種基材粘合起來得到多層復合膜[4]；擠出復合采用擠出機擠出的聚合物熔體作為粘結層，將各種基材粘合起來得到多層復合膜[5]；無溶劑復合直接采用雙組分的膠黏劑作為粘接層，將基材粘合起來得到多層復合膜[6]。

（1）環保、安全性

不同的復合工藝采用的粘結料不同，因而呈現出不同的特點。表1為三種復合工藝復合過程中采用的材料及材料的安全性。

表1 三種復合工藝復合過程中采用的材料及材料的安全性

從表1中可以看出，干式復合通常采用聚氨酯類或丙烯酸酯類膠水作為粘合層材料，在復合過程中需加乙酸乙酯等有機溶劑作為稀釋劑。聚氨酯類干式復合膠的主劑通常選用聚酯、擴鏈劑與甲苯二異氰酸酯（TDI）在醋酸乙酯溶劑中反應制備含端羥基的聚氨酯預聚物，反應式如下：

楊建軍等研究了采用三羥甲基丙烷與TDI在醋酸乙酯溶劑中進行加成反應，制取端 NCO即預聚物作為固化劑[7]。在膠水制備過程中，難以保證反應完全按照反應式進行，且反應的程度很難達到 100%，也即膠水中很可能會存在小分子有機物。假如這些小分子有機物不能在烘干環節去除，必將殘留于復合膜中，隨后的遷移行為使復合膜內產品的質量受到影響。在薄膜復合前，需采用烘箱烘干用于稀釋膠黏劑的有機溶劑，揮發的有機溶劑會污染環境，致使生產過程不環保。不僅如此，受限于烘箱的烘干能力以及溶劑與膠黏劑之間的相互作用，溶劑難以 100%揮發，也即復合膜中仍殘留有部分的有機溶劑，這也將對復合膜的品質和復合膜包裝產品的安全性產生影響。因此，干式復合生產過程不環保，復合膜產品存在安全風險。

擠出復合采用熱塑性樹脂作為粘合材料。目前擠出復合常用的低密度聚乙烯（LDPE）樹脂牌號主要有燕山石化的1C7A，英力士的19N430，陶氏新加坡的722，卡塔爾石化的0710，其熔融指數一般為3～10 g/10 min。不僅如此，擠出復合用樹脂的加工溫度通常高于 300℃，樹脂中不含有開口劑等小分子添加劑。總體而言，擠出復合過程中無有機溶劑排放，復合膜中無小分子物質殘留，復合膜安全性高。

無溶劑復合采用無需溶劑稀釋的膠黏劑對不同的基材進行粘接。目前，無溶劑復合主要采用雙組分的聚氨酯膠粘劑作為粘接材料。雙組分膠黏劑的室溫粘度較低，約為4000 mPa·s，輥筒溫度要求不高，常溫下即可涂布。無溶劑復合用雙組分無溶劑膠水的制備過程分為A膠和B膠。其中，A膠為過量的異氰酸酯單體與聚多元醇反應，反應方程式為：

B膠為過量的小分子醇與二元酸的反應，反應式為：

制備 A組分使用的異氰酸酯單體主要為：TDI、二苯基甲烷二異氰酸酯 MDI、異氟爾酮二異氰酸酯IPDI、六亞甲基二異氰酸酯HDI。在膠水制備過程中，難以保證反應完全按照反應式進行，且反應的程度很難達到 100%，也即膠水中存在不能反應的小分子有機物。

雙組份無溶劑膠黏劑的固化依靠-NCO基團與-OH基團間的反應。為了保證雙組分膠水的粘接強度，通常 A膠和 B膠的配比為 100:90～100:60，也即A膠過量。A膠通常為芳香族異氰酸酯，可與水結合形成致癌性的芳香胺（PAA），影響生命安全[8-10]。不僅如此，由于無溶劑膠水粘度低，組分中的有機物易于揮發或遷移，施膠過程中存在著揮發和膠水拉絲的現象，影響操作人員的安全。因此，無溶劑復合生產環境存在安全隱患，復合膜產品中存在致癌性PAA遷移的安全風險。

（2）粘合層材料成本

擠出復合采用粘合樹脂作為粘合層材料，粘合樹脂自身可以起到功能層的作用。目前，擠出復合常用的擠出材料厚度為6～30μm，也即材料成本約為0.05～0.3元/m2。擠出樹脂不僅僅起到粘合作用，還可以起到功能層的作用，如隔水、熱封等。

以采用雙組分聚氨酯膠水的干式復合為例，按照主劑的固含量為50%，單價為35元/kg，固化劑的固含量為75%，單價為70元/kg，主劑/固化劑為10/1，稀釋劑為8元/kg，膠水配比為25%，上膠量3 g/m2，粘合材料的成本約為0.288元/m2。

以采用雙組分聚氨酯膠水的無溶劑復合為例，按照主劑的固含量為100%，單價為35元/kg，固化劑的固含量為100%，單價為70元/kg，主劑/固化劑為10/6，上膠量2 g/m2，粘合材料的成本約為0.096元/m2。

因此，僅從使用的材料來看，無溶劑復合成本＜擠出復合成本＜干式復合成本。與干式復合相比，擠出復合仍具備成本優勢。

（3）耐熱性

擠出復合采用樹脂熔體作為粘合材料，粘合層具有很高的耐熱性。也即，擠出復合的耐熱性主要取決于內層熱封材料的耐熱性。

干式復合受殘留溶劑的影響，溫度高時，復合膜中的殘留溶劑產生氣泡導致粘合強度下降，甚至于脫層。

無溶劑復合中也會存在氣體和小分子物質的遷移，溫度高時，復合膜中未反應的小分子物質遷移可能導致摩擦系數升高，影響包裝物質量。

3.擠出復合在彩印上的常規應用

（1）食品輕包裝

BOPP/擠 PE、BOPP/擠 PP、BOPP/擠PE/VMCPP等簡單結構的方便面包裝、冷飲外包裝、糖果包裝、餅干內袋等。

（2）高阻隔食品藥品包裝

BOPET/擠 PE/VMPET/擠 PE/IPE、BOPP/擠PE/VMPP/擠 PE/IPE、BOPET/擠 PE/Al/擠 PE/IPE、BOPP/擠PE/Al/擠PE/IPE等高阻隔結構的奶粉包裝、茶葉包裝、咖啡袋、藥品包裝等。

（3）紙塑鋁高阻隔包裝

紙/擠PE/AL/擠PE/LDPE結構的瓜子包裝、PET/紙/擠 PE/AL/擠（LLDPE+EVA）和紙/擠PE/AL/擠（LLDPE+EVA）結構的方便面碗蓋。

（4）非食品包裝

BOPP/擠 PE/LDPE結構的洗衣粉袋、PET/擠 PE/MLLDPE、PET/擠 PE/VMPET/MLLDPE 結構的洗發水袋等、NY/干復/AL/擠MPP/CPP結構的軟包電池膜。

（5）牙膏片材

LDPE/擠 PE/LLDPE/擠 PE/MDPE、LDPE/擠PE/EAA/AL/擠 EAA/PE/LDPE。

4.彩印軟包裝擠出復合設備及技術

如圖1所示，彩印擠出復合生產線主要由放卷裝置、電暈裝置、涂膠及烘干裝置、擠出機、復合裝置、收卷裝置以及中央處理器組成[11]。放卷裝置將基材放卷，具備以下條件：①給予基材適當的張力，實現平整、穩定的放卷；②新基材切換時，接卷容易、損耗少；③確保基材在一定的位置上；④上卷容易。電暈裝置對基材膜進行極化處理，使其具備一定的表面張力，利于擠出樹脂或底涂劑的鋪展[12]。涂膠及烘干裝置主要應用于要求高剝離強度的場合，可采用干式復合的膠黏劑或水性膠黏劑作為底涂劑，但上膠量一般較少[13,14]。擠出機作為擠出復合的核心部件，塑料在擠出機內的塑化情況、T型模頭流出熔體的均勻性等將直接決定著復合產品的優劣[15]。復合裝置的主要作用是把熔融的片材樹脂均勻平整地壓合在基材薄膜上，主要由冷卻輥、橡膠壓力輥、支撐輥、修邊裝置、防粘噴粉裝置等組成。擠出機T型模頭擠出的片狀樹脂熔體引入到橡膠輥和冷卻輥之間，經展平輥展平的基材薄膜也進入橡膠壓力輥和冷卻輥之間，片狀樹脂熔體與基材薄膜在壓力作用下實現復合。特別地，冷卻輥的冷卻效果與表面狀態能夠影響復合膜的透明性及表面粗糙度等。收卷裝置是將一種或幾種基材經復合后的復合膜收緊卷取的裝置，通常要求松緊度適中、無褶皺、紙管安裝和下卷方便。中央處理器是整個擠出復合機的中控系統，控制著擠出機各段的溫度、背壓力、螺桿轉速以及整機的機械速度、收放卷張力等。

圖1 彩印擠出復合生產線

通過擠出復合設備各部位的配合，彩印軟包裝擠出復合膜仍然存在收卷平整度差、剝離強度相對低、酸性粘接料（如EAA、EMA）價格高等問題。基于此，擠出復合設備廠家進行了不懈的努力，推出了以下技術來應對這些普遍存在問題。

（1）游動模頭[16]

生產線上的薄膜在收卷過程中常常會出現收卷表面平整度差的問題，影響產品質量。以雙向拉伸基材膜BOPP、BOPET和單向流延CPP、CPE為例，設備配置自動模頭，自動模頭厚度精度偏差＜3%，如生產速度為350 m/min以上，而每卷6000 m的基材自動模頭調整還沒一個周期。經過拉伸后，在橫向固定位置多層偏差疊加，導致收卷卷材表面凹凸不平。市場見到的BOPP、BOPET卷材通過在收卷前增加基材膜橫向擺動，擺動偏移 100～150 mm（需切除），使基材膜收卷表面沒有凹凸不平。

擠出復合機采用自動模頭，復合材料橫向不可能移動，幾分鐘內的卷材偏差疊加，收卷表面一定會產生凹凸不平，擠出層越厚凹凸越大。為了提高擠出復合生產線生產產品的質量，江門市輝隆塑料機械有限公司開發了收卷平整度控制裝置（簡稱為“游動模頭”），如圖2所示。收卷平整度控制裝置為在擠出機模頭上設置模頭游動機構、密封組件、調幅補償機構、伺服驅動器和PLC控制器。密封組件位于擠出機模頭下方，兩端分別設置調幅補償機構。模頭游動機構設于擠出機的機座上，模頭游動機構和調幅補償機構分別與伺服驅動器連接，模頭游動機構、調幅補償機構和伺服驅動器分別與PLC控制器連接。此平整度調節裝置可有效控制擠出復合膜疊加后的表面平整度，防止產品表面出現凹凸不平的現象，同時可防止擠出復合膜左右兩側形成多余的邊料，節約材料成本，也可減少后續的邊料處理工序。圖3為采用游動模頭和傳統模頭的收卷效果對比圖。從圖3中可以看出，采用游動模頭后，當BOPET 12μm/LDPE 30μm 復合膜卷收卷直徑達到500 mm時，收卷表面無凹凸不平現象。

圖2 游動模頭圖片

圖3 傳統模頭和游動模頭的收卷效果對比圖

（2）基材無拉伸技術[17]

擠出復合生產線的復合區域內，主動冷卻輥和被動硅膠輥之間存在傳動阻力，主動冷卻輥的動力必須通過多層復合膜傳遞給被動硅膠輥，從而帶動被動硅膠輥轉動（圖4a）。貼在主動冷卻輥表面的材料和貼在被動硅膠輥表面的材料在熔融塑料的粘合作用下，可因薄膜基材的抗拉能力不同而受到不同程度的拉伸，也就是說貼在主動冷卻輥表面或被動硅膠輥表面的任何一面或這兩面的材料不同程度地變長。這不單單存在于擠出復合過程，也是整個復合膜行業中常見的不良產品，具體表現為復合膜或基材膜上的印刷圖案拉伸變形和翹邊。

如圖4b所示，為了降低甚至消除擠出復合過程中復合膜的拉伸倍率，進而避免擠出復合膜或擠出復合膜上的印刷圖案拉伸變形或翹邊，此處在保留主動冷卻輥帶有主動傳動動力裝置的基礎上，為被動硅膠輥配套提供傳遞動力裝置，給主動冷卻輥和被動硅膠輥同時施以主動傳動動力，通過同步控制，使主動冷卻輥與被動硅膠輥的表面線速度一致，從而確保擠出復合膜受力均衡，避免因拉伸導致的報廢。本結構的改進有效地改善了復合過程中基材的印刷圖案拉長變形和翹邊等缺陷，確保擠出復合膜品質的一致性，提高產品質量。

圖4 a)普通擠出復合機復合區域示意圖

圖4 b)基材無拉伸擠出復合機復合區域示意圖

（3）微波導能技術[18]

氣隙對多層復合膜的剝離強度影響較大，主要表現為：氣隙大，擠出熔體表面氧化充分，擠出膜至復合輥時溫度低；氣隙小，擠出熔體表面氧化不充分，擠出膜至復合輥時溫度高。一方面，擠出熔體膜表面的充分氧化有利于提高其對基材的作用力；另一方面，擠出膜至復合輥時溫度低將導致其粘度較大，不利于浸潤基材表面。此外，擠出膜至復合輥復合時，若溫度太高，會導致復合膜粘輥、基材拉伸嚴重、斷膜等問題。基于此，為了提高擠出熔體膜的表面氧化程度，在氣隙處設置導能裝置，如圖5所示，從而一方面提高熔體膜的表面氧化程度，另一方面，不降低熔體膜至復合輥時的溫度。導能裝置的結構如圖6所示。

圖5 模頭和載波導能裝置、復合裝置的結構示意圖

圖6 氣隙處導能裝置的結構

設置 T模頭溫度為 320℃，LDPE樹脂溫度為300℃。一般地，當LDPE的溫度高于250℃時，LDPE熔體在空氣中可以發生氧化反應及熱分解反應，低于此溫度就很難再發生反應了。從表2中可以看到，PE熔融膜出模唇口時的溫度為300℃，距離模唇口20 mm處的溫度250℃，200 mm處為205℃，也即只有20 mm的有效氧化距離。打開導能裝置后，PE熔體膜在距離模唇口40 mm處仍可達到266℃。

表2 擠出熔體膜在氣隙中的溫度

與未打開導能裝置相比，開啟導能裝置后可以將熔體膜表面氧化時間延長一倍以上。對于PE/TiO2復合材料，其降溫速度較純PE熔體膜的降溫速率低，可在距離模唇較長的距離內保持較高的溫度。出現這種現象的原因可能是，TiO2吸收模頭散發的熱量超過了因其熱導率升高散發的熱量。

同樣地，PE/TiO2復合材料熔體在導能裝置作用下在距離模頭40 mm處的溫度也較PE熔體的溫度高。由此可見，導能裝置對熔體膜溫度的保持具有較好的效果，TiO2能夠促使擠出熔體膜表面保持較高的溫度。不僅如此，TiO2在紫外光或熱作用下還能夠促使聚合物分子鏈斷裂，產生自由基。

（4）共擠出復合技術[19]

共擠擠出復合技術一般是采用兩臺或三臺擠出機，通過一個分配器使塑料熔體從模頭內擠出，涂覆到基材表面得到多層復合膜，如圖7所示。共擠技術可以通過改變各層的材料配方和比例獲得一定的功能，例如提高粘合強度，降低成本等。以 BOPET/P25u-P35u-P25u/AL/EAA15u/IPE30u和BOPET/P25u-P35u-P25u/AL/EAA5u-LDPE5u-EAA5u/IPE30u結構為例。當模頭溫度為 320℃時，BOPET/P25u-P35u-P25u/AL/EAA15u/IPE30u復合膜中 EAA/IPE的層間剝離強度為 2.7N/15 mm；而 BOPET/P25u-P35u-P25u/AL/EAA5u-LDPE5u-EAA5u/IPE30u復合膜中 EAA/IPE的層間剝離強度為4.6N/15 mm。表明共擠模頭能夠顯著提高復合膜的層間剝離強度。

圖7 擠出復合生產線上共擠擠出機圖片

5.彩印擠出復合的新工藝

（1）無粘合劑食品藥品擠出復合工藝[20]

如圖8所示，無粘合劑食品藥品擠出復合工藝主要包含極化處理、氧化區導能裝置和改性樹脂三個部分。極化處理采用高頻率高電壓在基材表面電暈放電，產生低溫等離子體，使基材表面產生自由基、增加基材表面粗糙度和增加基材表面的極性，也即擴大表面張力。本復合工藝的出發點為：一方面，基材在極化處理過程中產生的自由基、極性基團等可在后續工序中與擠出膜表面產生的自由基及極性基團發生化學反應，從而使擠出膜與基材之間產生更多的化學鍵合，提高二者的粘接強度，即提高二者間的剝離強度；另一方面，極化處理促使基材表面的粗糙度增加，可與擠出樹脂產生錨接，增加機械互鎖力，從而提高二者間的剝離強度。此處采用的極化處理裝置為市面已有的大氣低溫等離子體處理機，極化處理效果較傳統電暈裝置的電暈效果好。以PET膜為例，傳統的電暈裝置處理后薄膜的表面張力約為48dyn/cm，本設備及工藝中采用的極化處理裝置處理后薄膜的表面張力可達到60dyn/cm。氧化區導能裝置可以傳遞能量至擠出膜，提高擠出膜表面的活化程度以及保持擠出膜在氧化區域內的溫度。導能裝置主要由兩根平行排列的紅外線發射管以及外殼組成，通過涂層控制發射管發射的方向和降低損耗。改性樹脂是基于導能裝置和擠出復合工藝對現有的擠出樹脂進行物理或化學改性，進而提高擠出膜表面的氧化程度或者增加自由基數目，提高擠出復合膜的剝離強度。

圖8 無粘合劑食品藥品擠出復合工藝示意圖

對于結構為 PET/印刷（全版面）/擠（P1-LDPE-P1）/VMPET/擠（P1-LDPE-P1）/吹膜 PE的復合膜，機械速度為 120 m/min時，VMPET/吹膜PE的下機剝離強度為1.8 N/15 mm。下機放置一年后，測試的剝離強度為 2.6 N/15 mm，滿足藥品類多層復合膜的強度要求。對于結構為 PET/印刷（全版面）/擠（P1-LDPE-P1）/AL/擠（P1-LDPE-P1）/吹膜PE的復合膜，機械速度為120 m/min時，AL/吹膜PE的下機剝離強度為3.2 N/15 mm。下機放置一年后，測試的縱向剝離強度為3.2 N/15 mm，滿足藥品類多層復合膜的強度要求。不僅如此，試驗結構未采用EAA類酸性粘合樹脂。此結果表明，此項技術具備高剝離強度、低成本的特點。

（2）水性AC劑擠出復合工藝[21]

圖9 含水性錨固劑的擠出復合工藝示意圖

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，復合膜衛生性好。江門市輝隆塑料機械有限公司最新推出的水性AC劑擠出復合工藝具有上膠量少、剝離強度高的顯著特點。

以PET12u/AC擠PE15u/VMPET12u/AC擠PE15u/LLDPE25u復合膜為例，加工速度 200 m/min，上膠量0.015 g/m2時，PET/擠PE的剝離強度為7N/15 mm，擠PE/VMPET的剝離強度為2 N/15 mm，VMPET/擠PE的剝離強度為10 N/15 mm，擠PE/LLDPE的剝離強度為8.5 N/15 mm。此強度遠遠高于普通食品藥品彩印軟包裝的需求，且材料成本增加約 0.01元/m2，具有很大的應用價值。

（3）單一材料擠出復合工藝

塑料污染導致的環境問題越來越突出，迫切需要便于回收或易于降解的塑料制品。江門市輝隆塑料機械有限公司推出的單一材料擠出復合設備及關鍵技術為單一成分材料復合膜的制備提供設備和技術方案，助力全球的環保事業。對于單一材料來說，基材膜和擠出膜的材質相同，如果兩者在接觸時擠出膜的溫度過高，容易使基材膜起皺。

基于此，需要加大擠出機模頭與復合座之間的距離，也即升高氣隙。但氣隙升高，擠出膜的溫度降低不利于提高復合膜的粘合強度，故而設置導能裝置，提高擠出膜表面的氧化程度，保障復合膜的剝離強度，工藝流程圖如圖10所示。不僅如此，基材膜、擠出膜、熱封層的材質相同。對于單一成分材料復合膜來說，當內層材料加熱至熔點時，外層材料也達到或接近熔點，難免會引起外層材料起皺。為了保障單一材料復合膜的熱封性能，需要降低內層材料的熔點或者采用其它方法使內層材料易于粘接。基于此，此工藝采用復合后電暈的方法，提高熱封時內層的粘合強度。如圖11所示，單一材質復合膜的袋子熱封良好，平整度好。

圖10 單一材料擠出復合工藝示意圖

圖11 單一材料復合膜袋子

6.發展趨勢

伴隨著嚴峻的國際環保局勢，塑料軟包裝行業及上下游企業面臨著極大的壓力，也面臨著挑戰和機遇。

隨著可持續發展觀念被逐步推進到現實生活中，消費者、生產企業都開始關注環境保護，愈發注重環保行動。尤其是在近期，各食品生產企業巨頭推行降塑和單一材質可回收材料，計劃到2025全面實現可回收方案。同時，食品安全是國民根本，食品包裝作為食品的“貼身衣物”也必定不能存在安全隱患。彩印軟包裝用多層復合膜的加工工藝中，唯有擠出復合兼具環保、安全、可回收的功能，必將引起人們的重視。擠出復合技術也趨向于高效、高品質、定制化發展，必將為軟包裝行業在環保安全及可循環越來越嚴的明天撐起一片天空。