众所周知, 在塑料制品当中添加填料, 对塑料制品的性能影响有利也有弊, 优化设计填料的添加量, 有助于加工厂节省树脂,降低成本费用,以实现产品质量和效益最大化。如今, 加有填料的衬衣包装袋以及桶装内衬薄膜已经司空见惯。据美国Omva公司技术服务部经理AllenGuy 的估计, 在过去的2 年内, 由于树脂材料价格增高, 薄膜加工厂的利润微薄,有多家企业已在薄膜生产过程中添加了约10%的碳酸钙填料, 部分企业把填料的添加量扩大至15%～20%, 也制得质量优良的薄膜产品。
加工吹塑薄膜袋时填料的理论添加量上限可至30%, 但这一条件下要求厂家所使用的原材料是100%的纯新树脂, 事实上并非完全如此。美国吹塑薄膜加工厂-Touchpoint 公司总裁Paul Waller 指出,人们希望能在薄膜加工过程中添加25%的填料,以此降低成本, 但是却又担心会降低薄膜的拉伸强度, 故填料添加量方面没有太大的突破。
有一些非制袋用途的薄膜产品最高含有30%的填料,其产品性能要比制袋薄膜的性能指标要低。含有40%～50%碳酸钙填料的拉伸取向薄膜以及卫生保健用的无菌型吹塑薄膜,目的是为了使薄膜具有透气特性。在欧洲塑料加工工业领域, 企业在加工用于包裹油粘性奶油的吹塑薄膜时, 通常添加的碳酸钙份量达60%,但这种薄膜所使用的是精细填料, 填料的价格要高出普通品级填料价格达2～3 倍。Her itage 公司加工HDPE吹塑薄膜添加8%～15%的碳酸钙, LLDPE吹塑薄膜添加量为14%～20%。
1 填冲母料的改进
有80%的碳酸钙母料采用了通用级LLDPE 作为载体树脂,Bayshore工业公司是美国最大规模的薄膜级碳酸钙母料生产供应商之一, 于1990年代末开发出BI 113牌号填料母料,该牌号母料采用了熔融指数为1～2g/ 10min 的LLDPE 作为载体树脂,取代原先用的熔融指数为10～20的通用级树脂。据Omva 公司的检测报告显示, 选用的LLDPE 载体树脂熔融指数介于0. 9～1. 5 g/ 10 min 之间时,即更接近于薄膜袋的基体树脂HDPE 的0. 7 g/ 10 min, 有利改善最终薄膜制品的物理机械性能。Omva 公司技术服务部经理MichaelRousse 称, 母料载体树脂与薄膜基体树脂的分子量相匹配的话,就有可能添加入最大份量的填料。然而, 美国另一家最大型的薄膜级碳酸钙填充母料制造商Her itage公司却是利用高熔融指数的载体树脂,进行加工80%的矿物型母料。
母料加工行业内所取得的最新、最大的技术成果来自于Omva 公司和Imerys 公司, 这2 家企业都开发出薄膜级填冲母料新品级,均具有颗粒分布范围窄、特定的表面涂覆等特性。Omva 公司选用了具有明蓝色调的矿物沉积物用于加工薄膜填充母料。在北美地区,通常选用大理石作为薄膜级碳酸钙填料来源, 世界上其他地方则多选用白垩土、石灰石、大理石等。3种矿物的化学特性相同,但白垩土、石灰石的地质年代较近,用于加工母料之前必需经过预处理,以除去所含的湿气。用于加工塑料袋的碳酸钙颗粒尺寸应该介于1～2 微米, 并需加入1%～2%的硬脂酸进行偶联处理, 使其成为亲水性, 从而使得PE薄膜中不含水分, 碳酸钙颗粒分散容易。
对于农用薄膜和防水雨衣等较厚的薄膜而言, 可选用最大直径为3微米的中等尺寸颗粒碳酸钙。较大颗粒填料无需经表面预处理除湿工序,可降低加工成本。另外, 含有较大颗粒填料的薄膜容易被刮擦、破损。分隔薄膜就是利用这种薄膜特性的一种特定用途薄膜,如衬垫在船用抛光铝片材上的分隔薄膜, 实际上铝材被薄膜刮擦抛光。而农用薄膜上添加碳酸钙受到限制,因为容易引起热降解。薄膜级填充母料的碳酸钙含量应为70%～80%左右。
2 填料对薄膜性能的影响
碳酸钙对塑料袋性能的影响, 主要体现在树脂特性、膜厚、着色等方面。由于填充薄膜增加了密度, 同样膜厚的塑料袋重量加大,即相同重量薄膜的数量减少,从而限制了碳酸钙在薄膜上的应用范围。碳酸钙可提高塑料薄膜的物理机械性能、耐热性能、提高尺寸稳定性、散光性、抗擦伤性、平滑度;同时对缺口抗冲击强度的增韧效果及混炼过程中的粘流性等方面都具有明显的效果。碳酸钙还降低了薄膜的光泽度和透明度,不适用于加工高端的光亮医用塑料袋或者透明塑料袋, 共挤加工工艺可提高填充型薄膜的光泽度。
就碳酸钙的添加份量而言,LLDPE 薄膜大于高分子量HDPE 薄膜, 较厚型薄膜大于较薄型薄膜。如Her itage公司的薄膜袋加工厂在LLDPE 塑料袋中加入了14%～20%的碳酸钙, 在高分子量HDPE薄膜袋中只添加8%～15%。根据薄膜袋的使用性能要求, 部分品级的LLDPE 塑料袋中还可加大碳酸钙的添加份量。Her itage公司介绍称,通过合理的优化设计,结合基体树脂牌号、吹涨比、填料份量等因素,可在不损失拉伸屈服强度的前提下,加工得到具有更高落镖冲击强度的薄膜产品。
碳酸钙的份量对薄膜拉伸屈服强度的关系影响很大, 食品包装袋和垃圾袋都规定有指标限制。在加工丁烯- LLDPE 薄膜时,添加5%的碳酸钙可改善薄膜纵向和横向的拉伸屈服强度, 若添加份量达到20%时,则得到的薄膜拉伸屈服强度与完全用纯新树脂加工出薄膜的拉伸屈服强度相当。对于辛烯和己烯LLDPE 树脂来说, 碳酸钙的最佳添加量是5%,最大量为20%稍高一点。
另外, 碳酸钙添加份量对LLDPE 薄膜的性能影响如下:
耐穿刺强度和耐撕裂强度在高填充量时得到改善,耐气候特性则在低填充量时较高,碳酸钙含量介于11%～25%时,落镖冲击强度优于纯新树脂制薄膜。
不同类型的树脂, 在高填充份量时, 薄膜的落镖冲击强度均可以得到显著提高。如15 微米厚的丁烯共聚LLDPE薄膜的落镖冲击读数为100克, 稍高于未填充型薄膜的75 克;己烯共聚LLDPE 薄膜在未填充时的读数为150 克,添加了20%的碳酸钙后, 薄膜的落镖冲击读数大幅提升至500 克; 同样, 辛烯共聚LLDPE 薄膜的对比读数也从200 克增至500克。
3 填料对薄膜产量的影响
碳酸钙的密度为2. 71g/ m3, PE树脂的密度介于0. 92～0. 97g/ m3 之间, 前者是后者的3倍左右。由此可知, 加工吹塑薄膜添加了碳酸钙后,对以千克/ 小时为产量计算单位有增加的影响。如果以米/ 小时为产量计算单位,同样具有产量增大的效应,这是因为碳酸钙的热传导系数是PE树脂热传导系数的5 倍, 其加热、冷却的速度都快于PE 树脂, 因此,含碳酸钙的混料熔体熔融塑化及冷却速率都快于未填充的纯树脂熔体。可以说, 每增加1%的填料份量, 即可提高1%的生产线速率。冷却速率更快, 也意味着吹膜时的霜白线较低, 膜泡更为稳定, 膜泡稳定性是困扰LLDPE薄膜加工厂取得高生产率的一大问题。采用沟面喂料式挤出机的生产率要高于标准型光滑机筒挤出机的生产率,这是因为沟面喂料的速度更快、熔体塑化构建起机头压力更早的缘故。
据Her itage 公司报道, 不同共聚单体的LLDPE 树脂中填料对产量的影响力也各不相同,同样在添加20%份量碳酸钙的情况下, 己烯共聚树脂可增加的产量幅度达22%, 辛烯共聚树脂可增加39%, 丁烯共聚树脂的增产幅度最大,达到47%, 其中又以对己烯共聚树脂的性能改善为最好。添加10%～20%的填料后, 同等时间内通过挤出机塑化段的树脂就会减小10%～20%,可在较低的熔体压力、较低的马达电流强度和较高的螺杆转速下进行加工生产, 在提高生产率的同时节省能耗。
如加工高分子量HDPE 薄膜时,将碳酸钙的添加份量从10%提高至20%, 螺杆转速可增大, 可维持原来的马达电流强度,甚至降低, 在这个添加量范围内, 螺杆转速可恒定在70～115 rpm。对于经营高速印刷和高速制袋生产线的加工厂来说, 填料添加份量增大, 可加大设备的运转速度,这是因为碳酸钙可提高膜厚的均匀平整。另外, 还可提高HDPE 薄膜的摩擦系数, 方便塑料袋堆叠。
4 有利于节省助剂
在薄膜的加工配方中, 增加碳酸钙填料份量可以减小润滑剂、防粘连剂、着色剂等助剂的添加量, 进而削减成本。削减润滑剂的添加份量,可降低生产环境中存在的灰蓝雾度和灰尘, 改善周围大气环境, 至于削减多少份量, 则需根据薄膜的厚度及其用途而定。
如薄膜制品中含高份量的碳酸钙, 有可能不用再加防粘连剂。不用防粘连剂而要求LLDPE 塑料袋开口容易的前提下,碳酸钙的理想添加份量分别为: 辛烯LLDPE 为5%或更多, 己烯是10%以上。碳酸钙本身呈亮白色, 在HDPE薄膜当中添加7%～10%的碳酸钙, 即则可减小大约25%的钛白粉添加份量。在某些着色配方中,使用碳酸钙填料则有可能需添加更多的颜料进行着色, 如在加工医用垃圾桶内的红色塑料衬袋时, 配方中含有碳酸钙就会使薄膜变成粉红色,由此需把红色颜料的份量加大, 或者制成暗红色, 以遮盖碳酸钙的白色。
5 对加工设备的改进要求
添加使用碳酸钙填料除了助剂喂料装置之外, 无需对薄膜生产线的其他任何设备进行设计改良。螺杆的损耗几率会有所加大,如果填料份量处于低水平, 则螺杆的损耗程度不会太严重。碳酸钙属中等程度的磨耗性填料, 其莫斯硬度值为3, 相对于硅藻土的莫斯硬度值7和钛白粉的5. 5,磨耗性远低于防粘连剂( 硅藻土) 和钛白粉等。
部分薄膜加工厂表示说, 在添加了10%～15%的填料后, 设备磨损率加快, 而有些厂家却说没有。Her -itage公司的Ruiz 先生对此表示说,有效的解决方法是对口模进行轻度的清洗, 该公司用各占50%比例的碳酸钙母料和纯PE树脂作为清洗剂。吹塑设备制造供应商认为, 添加高份量的填料要求选用更大的螺杆长径比( 25～30∶1) ,以及屏障型螺杆,以求达到更佳的混炼效果。美国Alpine 公司总裁David Nunes 称,有部分HDPE薄膜加工厂已开始按上述方法做, 其实是没有必要的。添加碳酸钙可获得更快速的加热和冷却速度,意味着塑料袋封口可在较低温度下进行。碳酸钙的油墨粘附性好, 填充薄膜无需经过电晕处理,即可进行简单的印制图案工序,用来检测印墨附着力的斯柯奇胶带试验也可免去。
