自动包装中包装材料摩擦系数的探讨

     随着软包装行业发展的突飞猛进，包装机器运行速度和自动化程度越来越高，其质量问题也突出起来，使用单位投诉包装膜拉断、打滑、包装生产线断流等不断增多，给许多软包装材料厂、软包装印刷厂造成巨大损失。其主要原因就在于对软包装材料的摩擦性能没有把握好。通过对包装材料摩擦系数的测试可以有效解决上述问题。
                                               一    关于包装材料的摩擦系数
        摩擦系数是考察包装薄膜的一项重要指标。因为在包装过程中的摩擦力常常既是动力又是阻力，因而其大小应控制在适当的范围内。在研究摩擦系数时，应特别注意温度对摩擦系数的影响很大，因此不仅要检测包装材料在常温下的摩擦系数，还应考察其在实际使用环境温度下的摩擦系数。
        1，摩擦系数
        摩擦系数是各种材料的基本性质之一。当两个相互接触的物体之间有相对运动或相对运动趋势时，其接触表面上产生的阻碍相对运动的机械作用力就是摩擦力。某种材料的摩擦性能可以通过材料的动静摩擦系数来表征。静摩擦力是两接触表面在相对移动开始时的最大阻力，其与法向力之比就是静摩擦系数；动摩擦力是两接触表面以一定速度相对移动时的阻力，其与法向力之比就是动摩擦系数。摩擦系数是针对一组摩擦副来讲的，单纯说某种材料的摩擦系数是没有意义的，同时必须指明组成摩擦副的材料的种类，并说明测试条件（环境温湿度、载荷、速度等）以及滑动材料。
         2，添加剂对摩擦系数的影响
        高分子聚合物在软包装行业中获得了广泛的应用，材料表面的摩擦系数是包装机器运行速度以及包装物易开启性的主要影响因素之一，在制作过程中加入添加剂（如爽滑剂和抗粘连剂）是一种调节塑料表面摩擦系数的常见方式。   
        爽滑剂按照功能分为内爽滑剂和外爽滑剂两类：内爽滑剂能促进聚合物大分子链或链段相对运动，从而改善物料流动性；外爽滑剂则是与聚合物基团相容性差的极性有机化学品，在聚合物链的布朗运动作用下，这些分子迁移到薄膜表面形成一层油性表面，从而起到改善薄膜表面性能的爽滑作用并降低材料表面的摩擦系数。通常所有 的润滑剂都兼具有两方面的功能。薄膜常用的润滑剂有.
       （1），蜡类，包括低分子量聚乙烯和低分子量聚丙烯（软化点85~160℃） 和一般石蜡（软化点55~75℃）。聚乙烯蜡与聚丙烯相容性差，因此主要起外润滑作用。而低分子量聚丙烯与聚丙烯相容性好，加入后实际上起着加宽分子量分布的作用，改善其流动性。  
       （2），脂肪酸类，最常用的是硬脂酸，它常以二聚物的形式存在，在聚丙烯中可用作内和外润滑两方面的功能。
       （3），酰胺类，单酰胺类最常用的是芥酸酰胺，它兼具爽滑剂与脱模剂功能。双酰胺类最常用的是亚基二硬脂酰胺（EBS），其熔点约为140℃，热稳定性好，用于聚丙烯中主要起外润滑功能。
        抗粘连剂一般是粒径2μm～4μm的固体粉末，加进薄膜表层可以形成许多凸起，使薄膜层与层之间的实际接触面积减少，从而降低粘结力，相互滑动就会比较容易，有利于摩擦系数的降低。
        此外，由于静电吸附力不但会影响薄膜之间的摩擦系数，还会影响材料的多种物理性能，因此抗静电剂也是常用的添加剂的一种。
        3 ，薄膜表面结构对摩擦系数的影响   
        薄膜表面结构也会影响摩擦系数，表面太平滑会导致薄膜表面之间太贴服，相互滑动的有效表面增大，滑动就会特别困难。而如果薄膜表面有一定粗糙度，表面贴近后相互之间有一定空隙，相互滑动就会较容易，所以有一定粗糙感薄膜表面摩擦系数较低。   
        表层使用不同原料生产可以获得不同摩擦系数性能的薄膜。表层使用聚丙烯均聚物，由于均聚物结晶度高生产的薄膜刚性高而且薄膜表面硬度好，所以薄膜摩擦系数较低。有些薄膜为了要求可以热封合，必须在表层使用共聚物以获得热封性能，由于共聚物含有一定量的无规物结晶度低，生产的薄膜较软并且薄膜表面较粘，所以薄膜摩擦系数较高。
        4 ，抗粘连剂对摩擦系数的影响  
        塑料薄膜表面光滑，相互滑动比较困难。抗粘连剂一般是粒径2-4um的固体粉末，加进薄膜表层可以形成许多凸起，使薄膜层与层之间的实际接触面积减少，从而降低粘结力相互滑动就会较容易，有利于摩擦系数的降低。
        抗粘连剂的种类对薄膜摩擦系数有较大影响，抗粘连剂的种类分无机物和有机物两大类，无机物的品种以二氧化硅为主，有机物的品种是随着双向拉伸聚丙烯薄膜的发展而发展起来的较新的品种，例如脂肪酸酰胺就是有机物的一种，其表面柔软,薄膜表面摩擦系数比无机物的品种低。
        5， 高温使用条件对摩擦系数的影响   
        薄膜在实际使用中温度条件可能不一样：例如在热带气候条件下，又或者是卷烟包装机热封杆的高温条件等。通常从30℃开始，薄膜的摩擦系数便急剧上升，这是因为常用的润滑剂已接近其熔点而变得粘结，测试时施加的力波动很大，呈现一种间歇性滑动或粘结效果。
       为了验证温度变化对摩擦系数值的影响，选择了几组有一定代表性的材料 PC 膜、铝箔复合膜在不同温度下测定它们的摩擦系数。以下是其中 2 组试验的详细试验信息及结果：
                                                         表 1. PC 膜摩擦试验数据表

试验温度℃	静摩擦系数 mean 1	动摩擦系数 mean 1
32.1	0.285	0.244
45.5	0.336	0.212
62.0	0.387	0.319
74.1	0.435 2	0.322 2
87.5	0.433 2	0.300 2

                                                注 　1 ：试验数据为多组试验平均值。
                                                         2 ：粘滑现象。

表 2. 铝箔复合膜摩擦试验数据表

试验温度℃	静摩擦系数 mean 1	动摩擦系数 mean 1
29.6	0.314	0.239
46.2	0.355	0.277
74.3	0.343 2	0.253 2
89.5	0.429 2	0.241 2

                                                 注 　1 ：试验数据为多组试验平均值。
                                                          2 ：粘滑现象。
                                  试验数据随温度升高的走势如图 1 所示。

                                     图 1. 摩擦系数随温度升高的走势图

        从图 1 可以看出试验温度的升高明显影响了材料的摩擦系数，但对于不同的试样，温度的影响效果不同；而且对于同一试样，随温度的上升，动摩擦系数的变化趋势很可能也不同于静摩擦系数。例如对于 PC 膜，静摩擦系数随温度升高的增长趋势比较稳定，但动摩擦系数的变化趋势的波动就很大，不过动摩擦系数的整体趋势也是增长的。对于铝箔复合膜，摩擦系数的增长趋势就不如 PC 膜，而且其动摩擦系数随温度的上升基本保持稳定。需要说明的一点是，在进行 74℃以上的摩擦试验时，试验过程中出现了明显的粘滑现象，即滑动现象 是不平稳的、间歇性的。
       为了减轻这种间歇性滑动-粘结现象，需要使用另一种完全不同的耐高温润滑剂--硅酮，它由于是高分子量聚合物而具备独特的特性，即使在较高温度下摩擦系数仍然保持较低。
  

使用温度条件对摩擦系数的影响

                                      二    自动包装工艺中对包装材料摩擦系数的要求
        包装机有立式和卧式之分，立式又有连续式(也叫滚轮式)和间歇式(也叫合掌式)之分，成袋有三边封、四边封、背封，还有一出多列。包装设备品种繁多，各设备之间的差异也很大.自动包装中常用的立式包装机，特别是滚轮式热封(又称连续式)的立式包装机，包装材料在包装过程中所受的各种作用力较大，
        摩擦系数是量度包装材料滑动特性的指标，薄膜材料表面爽滑并具有适当的摩擦系数对于薄膜包装工艺来说非常重要，生产不同用途的包装材料产品对摩擦系数有不同的要求。在实际包装过程中的摩擦力常常既是拖动力又是阻力，因此必须有效地控制摩擦系数的大小，使它在适当的范围内。
        自动包装用卷材，一般要求内层摩擦系数比较小，而外层摩擦系数适中。内层摩擦系数不能过小，否则有可能引起制袋成型时叠料不稳定而产生错边。外层摩擦系数太大会引起包装过程中阻力过大致使材料拉伸变形，太小可能又会引起拖动机构打滑造成电眼跟踪和切断定位不准。内层材料的开口剂和爽滑剂的含量以及薄膜的挺度、平滑度等因素都会影响复合膜摩擦系数的大小。
        例如在香烟包装用途时，通常要求薄膜具有差别滑动性，即薄膜内面和外面的摩擦系数不同控制要求。在香烟包装过程，薄膜外面在下膜通道、成型轮槽、折叠板、烙铁、导轨等金属部件上滑动运行，薄膜外面对金属的摩擦系数应该控制较低，而由于这些金属部件大都是在 50 ℃以上的高温条件下运转，随着温度条件的升高薄膜的摩擦系数会升高，特别是30 ℃之后摩擦系数上升更快，因此控制高温条件下的薄膜对金属的热摩擦系数更加重要，这样才能确保薄膜在热金属部件上滑动运行顺畅。薄膜内面在包装过程中与纸接触，其摩擦系数应该控制稍高，以利于烟包在成型轮内与薄膜的定位良好，提高薄膜折叠质量获得紧凑的包装效果，令烟包在热封鼓内与薄膜片的定位良好以利于包装紧凑。
        又如在洗衣粉,牛奶包装用途时,薄膜的内外表面应当具有良好的滑爽性，以确保其在高速自动灌装机上能够顺利地进行。因此，薄膜的内外表面摩擦系数一般要求在0.2-0.4之间，且外/外摩擦系数>内/内摩擦系数。
        总之,合理控制好摩擦系数及与之相关的物理、机械性能，是保证薄膜在自动包装机上运行的关键。随着我国包装工业的迅速发展，包装机器运行速度和自动化程度越来越高，这对薄膜的摩擦系数提出了更高的要求。

  

薄膜用途	薄膜表面	静态摩擦系数	动态摩擦系数
粘胶带基膜	处理面/非处理面	0.80	0.75
印刷和复合用光膜	处理面/非处理面	0.35	0.30
与纸张复合	非处理面/非处理面	0.45	0.40
金属化基膜	处理面/非处理面	0.40	0.35
高速外包装膜	外面/外面	0.25	0.20
宽温热封膜	外面/内面	0.35	0.30
标准热封膜	外面/内面	0.28	0.25
白色热封膜	外面/内面	0.30	0.25
香烟膜	外面/外面	0.26	0.24
	内面/内面	0.34	0.32
	外面/金属面（50℃）	0.52	0.35

  
一些主要BOPP用途的摩擦系数
  

                                                                                           三 有关控制复合膜爽滑的探讨
         复合膜的爽滑程度直接影响整个产品的最终质量，所以对复合膜爽滑程度的控制是产品生产中的一个重点，也是质检项目最重要的一个项目，而控制复合膜爽滑程度其实是摩擦系数的控制。现就控制复合膜摩擦系数谈谈个人的总结。
         1，首先应控制原材料PE供应商
         对供应商制定不同产品类型的摩擦系数指标，供应商应有这样意识才可以从根本上解决这一问题。目前PE膜的供应商生产技术水平参差不齐，因此选取供应商时尽量考虑有一定生产技术水平的生产厂家，并在正式合作之前明确规定收货标准，如出现质量偏差提出赔偿损失事宜等。同时在下PE定单时也要注明是用于卷装还是制袋。
         PE膜的摩擦系数规定大约如下：
         对于制袋产品摩擦系数要求：0.1--0.15
         对于卷装产品摩擦系数要求：0.2
         如复合膜摩擦系数超过0.3，那么卷装膜在一些卧式机台上会出现拉不动的情况；制袋产品的摩擦系数如果超过0.25，规格较小的袋子就容易出现开口不良的现象。
         2，其次从生产工艺上控制。
         如果生产工艺的干燥湿度及复合温度过高，会造成爽滑剂消耗，即使当时复合前PE够爽滑，复合熟化后也会出现不爽滑的现象。那么做产品时特别是制袋产品时工艺应注意如下几个方面：
         1）干燥温度不变，但复合辊温度控制在40℃士5℃。
         2）上机前生产员工应注意PE标签是制袋还是卷装用，不能混淆使用。
         3）熟化温度不应超过45℃。
         4）PE膜料不应刚生产出来就马上进行复合生产，因为爽滑剂还没完全析出。因此定单应预留足够的时间。
         3，复合膜复合之后其摩擦系数会上升大约0.1--0.2，主要由于粘胶剂吸收爽滑剂及生产中磨损掉一部分。因此在生产中上胶量的控制也是非常重要的，每平方增加一克摩擦系数就会大约上升为0.025。
         4，气温低的时候，PE膜本身的爽滑剂会析出厉害，因此在生产时复合胶辊时常会出现白色的粉状物体就是爽滑剂析出的表现，这时应通知生产厂家协商解决，这涉及一个PE生产配方问题。