塑料与传统的包装材料相比(如纸、玻璃、金属)相比,具有质轻、防潮、耐腐、价廉、易成型等优点,所以塑料在包装领域应用愈来愈多。主要有塑料包装袋、包装容器,广泛用于食品、饮料、化妆品、医药、化工原料等的包装。常用作包装材料的塑料种类主要是PE、PP、PVC、PET等,这些塑料表面张力都不大,特别是前两种塑料的表面张力更小(见表1),导致了对其进行印刷、粘接效果不好。为改善塑料包装材料的印刷性与粘接性,对其表面进行处理是一种有效方法。塑料包装材料表面改性的方法很多,主要是电晕放电处理、火焰处理,以下对这两种方法的实用技术予以介绍。

表1 常用塑料包装材料表面张力大小mN/m

电晕放电处理

电晕放电处理的原理和装置

电晕放电处理是将被处理的塑料置于高压电极与地电极之间,在大气压下使两极电压控制为15kV左右,导致两极之间的空气发生电离,电离后的各种粒子在高频交变电场的作用下高速冲击两极间的塑料表面,使塑料表面性能改变。

电晕放电处理装置按振荡方式不同主要有三种类型,即火花间隙式、电子管式和固态式,它们各有特点,其中,固态式电晕放电装置效率高、质量稳定、能耗低,是电晕处理的首选装置，三种电晕放电装置的比较见表2。

表2 电晕放电处理装置的比较

电晕放电处理的效果当对塑料包装材料进行电晕放电处理后,其表面张力与表面极性均增大,提高了油墨、粘接剂在其表面的润湿性及它们之间的作用力。常见塑料包装材料经电晕放电处理后其表面张力变化见表3。

表3 常见塑料包装材料电晕放电处理后表面张力的变化mN/m

塑料包装材料经电晕处理后其表面极性增大,主要是因为电晕处理的过程中塑料表面有羰基等极性基团生成(各种粒子高速冲击塑料表面,空气中的氧与材料表面分子发生了复杂的化学反应)。现代科学分析证明,PE材料表面经电晕处理后,其表面含氧量增加。

电晕放电处理的影响因素

电晕放电处理塑料包装材料的处理效果影响因素很复杂,影响的主要因素有:电极与塑料的相对位置、输出电流、处理时间、环境温度、环境湿度、处理后存放材料时间等。

电极与塑料的相对位置

电极与被处理塑料包装材料的相对位置决定了电晕与被处理材料的接触程度大小。电晕放电产生电晕的类型有膜状电晕、火花电晕、梳状电晕等,对塑料材料进行电晕处理的电晕一般以梳状电晕较好。

当电极与被处理塑料相距过大,电晕不能充分冲击塑料,处理效果差,当电极与被处理塑料相距过近,冲击粒子未被充分加速,处理效果也不理想。故电极与被处理塑料包装材料间有一最佳距离,且不同类型的电晕处理装置最佳距离不同。对于梳状电晕一般3～5mm为宜。

输出电流的大小

电晕处理时输出电流大小对处理的效果影响很大,当输出电流过低时,电晕处理效果差,当输出电流达到某临界值后,电晕处理的效果增加不多,即对某种塑料包装材料进行电晕处理时有一最佳输出电流。

处理时间

塑料包装材料电晕处理时间愈长,处理效果愈好,但处理时间过长会导致处理过度,塑料会产生异味,对于薄膜制品则还会发生粘连,若塑料中含有某些助剂,有时由于过度处理而导致助剂向表面迁移,影响透明度。故处理的时间不能过长,以不影响产品质量为度。

环境条件

电晕处理包装材料时的环境温度、湿度对处理的效果有较大的影响,环境温度高,处理的效果好,如处理热膜比处理冷膜的效果好得多。原因是温度高时,发生的化学反应快,反应的程度也大,但处理后产品存放的环境温度高,电晕处理的效果消退也快,这在生产中要予以注意。环境的湿度大,电晕处理的效果会变差,这可能是空气中的水分子捕捉了部分由电晕使空气电离而产生的各种粒子,使对塑料包装材料进行处理的电晕粒子能量减少,从而影响了处理的效果。

处理后存放的时间

对塑料包装材料进行电晕处理后,随着存放时间的增长,处理的效果会下降,原因可能是因为随着存放时间的增长电晕处理所产生的极性基团向塑料内部迁移的结果。所以,经电晕处理后的塑料包装材料必须尽快地进行印刷或粘接,以保证后处理的效果。

火焰处理

火焰处理是用燃烧可燃气体产生的火焰与被处理的塑料表面相接触,从而使被处理塑料材料表面粗化(结晶型塑料产生晶体)并发生复杂的化学反应,使表面产生极性基团(羰基)从而改变表面性能的方法。

火焰处理装置及原理

火焰处理装置比较简单,国内尚无定型的专用设备(国外已有专用设备),可根据处理产品的类型进行自制,主要部分为供气装置与燃烧喷口,燃烧喷口要保证燃气充分燃烧且能够调节火焰大小。对塑料包装膜(片)进行火焰处理时,需将膜紧贴在冷却的金属辊筒上,以防止处理时塑料包装材料发生软化变形甚至熔化。当处理塑料包装容器时,要求能对容器四周进行均匀的火焰处理。火焰处理的原理是:在高温下使塑料包装材料表面的大分子发生氧化反应产生极性基团,另外还对表面分子聚集的结构形态产生影响,如结晶性塑料表面球晶尺寸增大,从而增大了塑料包装材料的表面粗糙度和表面极性,达到提高印刷质量和粘接强度的目的。

影响火焰处理效果的主要因素

影响火焰处理效果的主要因素:混合气体的比例、处理的时间、火焰与塑料的相对位置等。

混合气的比例

用于对塑料包装材料进行火焰处理的主要燃气有煤气、天燃气、液化石油汽等,这些燃气燃烧是否完全与产生的火焰温度高低与混合比例关系很大。如使用煤气,煤气与空气比例为1∶1时,则产生的温度低于1000℃,处理效果不理想;若改为煤气∶空气∶氢气为3∶5∶1时,则火焰温度可高于1000℃,火焰处理的效果要好些。对于天燃气,天燃气∶空气为1∶1时,燃烧产生的火焰对塑料包装材料表面处理的效果较好。如用液化石油气作为燃气,则要求该燃气充分燃烧,火焰呈青蓝色时火焰温度较高,处理效果较为理想。

处理时间

火焰处理时间长则表面改性效果好,但处理时间不能过长,否则塑料受热时间过长,塑料会出现熔化、变形、分解等现象,特别是处理塑料薄膜类包装材料时,一般要求对着火焰的时间需控制在最短限度内,以保证材料不熔化、不烧焦。

火焰与塑料的相对位置

火焰与被处理塑料的距离过远或过近,处理的效果均不理想,因为塑料离火焰过远或过近都不是以最高火焰温度对塑料进行处理。一般要求让塑料与火焰的最高温度处进行接触以提高火焰处理的效果。故要将被处理的塑料与“氧化焰”的中部相接触,以期得到最好的处理效果。

这是因为“氧化焰”不但温度最高,而且还具有一定的氧化性,能使塑料表面的大分子发生氧化反应而产生极性基团,提高塑料表面活性以利于提高印刷、粘接质量。

虽然对塑料包装材料表面改性的方法很多,如表面接枝、臭氧处理、化学药品处理、紫外线照射处理等,就塑料表面处理工业实用性来说,现仍是以电晕放电处理及火焰处理为主要方法。它们在工业生产上应用最广泛。这两种方法不但处理技术较为简单,而且处理效果也较好,但影响处理效果的因素较为复杂,了解与掌握其原理及影响因素是保证处理效果的关键。

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