复合包装材料包装时热封层PE发生“挤出”问题

食品、药品用复合软包装内层热封材料均采用聚乙烯(或聚丙烯)材质。有时,软包装内层聚乙烯在包装机上热封时会发生“挤出”现象,这个问题相信很多软包装生产企业都不同程度地遇到过。由于这种情况按照复合膜标准规定的检测项目是难以反映出来的,往往在批量发给客户使用时才被告知产品不好用,无论对于生产者还是使用者,避免这种情况的出现都是非常必要的。本文对软包装内层PE热封时“挤出”的原因进行了一些简要分析,并提出解决办法,其中定有不对之外,恳请各位同仁指正。
    原因分析:
    软包装内层聚乙烯“挤出”现象可以简单分解为以下三个过程:
    1 热封层聚乙烯接受外层材料传导来的热量融熔,从玻璃态转为粘流态,粘度迅速下降,流动性在短时间内快速增强。
    2 流动性很强的聚乙烯在较大的热封压力作用下向热封区外的低压侧流动。
    3 流动到热封区外的聚乙烯材料遇冷由粘流态转为玻璃态。从而表现为聚乙烯从热封区被“挤出”
    从这三个过程可以看出,高温和高压是发生挤出现象的两个基本条件。
    下面以口服固体制剂使用最多的三层全干法复合材料PET/AL/吹PE为例,对影响这个过程的因素进行逐一分析:
    首先,外层PET膜接受热封辊传递来的热量,通过铝箔层和胶粘剂层,最后传递给最内层的聚乙烯。在热封时间内传递到聚乙烯的热量多少决定了聚乙烯的熔体温度。其取决于四个方面:
    1 热封辊的表面温度
    2 热封辊表面与PET的接触压力
    3 复合材料的厚度
    4 热封时间,与包装速度成反比
    正常情况下,热封辊的表面温度取决于温度设定值,由于各种型号、档次的包装机性能差别很大,一些配置较低或使用年限较长的包装设备温度控制系统可能存在设定温度值与实际温度值相差较大的情况。如果在温度控制系统未进行有效校准的情况下,热封辊实际温度值较设定值高出很多(比如20℃以上),那么,传递给内层聚乙烯的热量过多,融熔体粘度过低,流动性过强,就可能出现聚乙烯的“挤出”问题。
    另外,包装机温度控制系统不准确或热封辊加热丝出现问题,还可能造成热封辊表面各区域温度的不均匀。如果没有对实际温度进行测量,而按照复合材料局部的热封效果不良而提高设定温度,这样虽然低温区的热封效果趋于正常,但可能造成热封辊表面的高温区较正常热封温度高出过多,从而使复合材料局部的聚乙烯出现“挤出”问题。
    热封辊表面与PET的接触压力越大,PET与热封辊的接触面积就越大,这样,单位时间内的热量传导就越多。同时内层聚乙烯熔体受到的压力就越大,在这种情况下, 聚乙烯的“挤出”问题发生的可能性将大大增加。
    在常用的热封实验条件下(0.2MPa,1S), 根据我们的试验数据分析结果,由常用材质生产的大多数内层为聚乙烯的软包装复合膜, 其起封温度与厚度的关系如下:复合膜厚度每增加10μm,起封温度大约增加5℃。根据复合膜的厚度与其它包装参数(温度,压力,速度)确定合适的设定工作温度,做一些实验是必须的。
    包装机的热封时间直接与从热封辊传导过来的热量成正相关关系,而与包装速度成负相关关系,包装速度越快,单位面积的复合膜接受热量的时间越短。对于指定的某一规格的复合膜,内层聚乙烯的熔融所需要的热量是确定的,正确调整热封辊的温度、压力、及包装机的速度,可以使要相互对封的聚乙烯融熔体既能在适宜的压力下充分接触融合在一起,又不会在热封压力的作用下发生“挤出”。
    解决办法：
    综合上述分析,如果复合材料在包装过程中出现“挤出”问题,应按照顺序检查包装设备下列参数:
    1 热封辊表面实际温度及各区域均匀性。
    2 热封压力是否过大?
    3 包装速度是否与实际热封温度相适应。
    在确认上述因素并非主要原因后,则存在另外一个可能的情况：聚乙烯膜层本身的融熔温度范围过宽。
    由于目前的吹塑聚乙烯膜本身也是由三个模头共挤吹塑而成,而且每一层聚乙烯材料是由两种或两种以上牌号的聚乙烯粒子共混后成型的,各种牌号粒子的熔指范围不尽相同,如果存在拌料不均的情况(尤其是内层粒子),将导致吹出的聚乙烯膜表面起封温度不均,如果这个温度范围超出一定限度,就会出现当低熔指粒子分布的区域达到起封要求时,高熔指粒子分布的区域则熔体流动性过强,这种情况和热封辊表面温度分布不均造成PE“挤出”，道理是一样的。
    挤出复合工艺解决热封层PE“挤出”问题的机理分析：
    上面讨论时是以全干法复合膜为例,如果PET膜与AL箔采用挤出复合工艺,即产品结构变为PET/挤LDPE/AL/吹PE,则在一定程度上可以改善甚至解决“挤出”问题。其中的机理简单分析如下:由于挤出的LDPE层的熔融温度与热封层的PE接近,所以在包装过程中,这层LDPE实际上完全处于“粘流态”,处于粘流态的LDPE与处于结晶状态的干法复合胶的热传导原理是不同的：干法结构生产的复合膜的复合胶在热量传导过程中,虽然随着温度升高，分子的振动加剧，但由于始终处于玻璃态，其分子链的空间位置是固定的，所以其热量传递的方向性很强，即主要面向内层传递；而挤出复合的LDPE层外层接受到从PET传导过来的大量热量，首先在极短时间内从玻璃态转化为粘流态，由于聚乙烯分子链的排布是无规则的，这种情况下，分子链不仅振动，而且可以转动或移动，这种无规则的热运动具有各向同性，即热量不仅向LDPE内层传递，同时也向侧面传递。这种热运动方式的结果使LDPE层的温度快速趋向于一致，挤出的LDPE层实际上对从PET传递过来的热量起了一个缓冲的“蓄热池”作用；很显然，由于LDPE层与干法胶的分子结构上的不同，两者的热量传导方式有明显的不同，LDPE层的这种热传导方式在很大程度上降低了热封辊各区域温度分布不均匀和由于吹塑PE在生产过程中拌料不均导致的热封层PE“挤出”的可能。
    综述
    在软包装业内，复合包装材料包装时热封层PE发生“挤出”是一个普遍存在的普通技术问题，但从本质上来讲，这个问题实际上是一个企业的管理问题，即：售前服务缺失。如果软包装企业事先对客户使用的包装机性能情况有较为详细的了解，建立客户包装设备档案,就可以在批量生产前有针对性地采取一些预防措施,从而避免可能造成的质量损失或合同纠纷。 很遗憾的是:相当数量的软包生产企业在售后服务上投入相当的人力,财力。却始终处于一种亡羊补牢的状态。