环保型无粘合剂食品包装膜的技术研究

  1、产品研制开发的背景     1．1产品开发意义     塑料包装材料中有很大部分用于食品的包装，因此，塑料包装材料的卫生安全问题与广大消费者健康息息相关。当前国内生产的食品包装复合膜，由于采用中间层粘合剂，因而在复合过程中会有少量溶剂残留物，它会使包装物内产生异味，卫生性能变差。如何在食品包装膜中，将溶剂残留降到最低点，而又能保证产品的质量，降低成本，提高经济效益，寻求一条既符合包装材料行业发展，又能适应食品环保包装要求的新路子，这是塑料包装行业普遍关心的问题。

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    在这种情况引；：芜湖天华塑业有限责任公司经过走访用户和大量市场调查及各种技术咨询，决定自行开发研制环保型无粘合剂的BOPP(双向拉伸聚丙烯)／LDPE(高压聚乙烯)复合包装膜。为了保证高压聚乙烯流延的薄膜均匀性，特引进一套目前世界上最先进的美国Cloeren公司的T型模具，并进行了工艺技术和部分机械的改进，终于生产出这种深受广大客户和消费者欢迎的安全卫生、成本低廉的无合剂复合包装膜。经安徽省科技情报所查新，该产品已填补国内空白。     1．2产品优势     (1)无毒、无味、安全、卫生：(2)节约了粘合剂，成本降低；(3)经济效益显著提高；(4)降低操作工人的劳动强度；(5)保护了生产车间的环境卫生；(6)质量稳定可靠；(7)符合国家环保政策。     所以，这是一种利国利民的、极有发展前途的环保型绿色包装材料产品，是符合国家和政府有关部门鼓励和发展的产品。     1．3产品开发的必要性     食品包装薄膜通过印刷加工之后，所印刷的油墨都附在包装膜上，通常油墨都含有一定的苯类溶剂，在BOPP膜上印刷后，再准备到下道复合机进行与聚乙烯(PE)流延复合。为了保证复合膜的牢度和食品的安全性，又通过粘合剂粘合一层PE流延膜，使两者复合在一起。由于PE的结构决定了它是惰性的、非极性的，所以粘接性差。以往是采用在基材上涂复AC粘合剂，常用的AC剂种类主要有聚异氰酸酯系、有机钛系、聚乙烯亚胺系等。上列3种粘合剂各有利弊，有机钛系通用性比较好，初期粘接性好，但容易发生水解而造成损失；溶剂挥发性极大，耐水性比较差。聚乙烯亚胺系采用水作溶剂，具有成本低、危险性小的优点，但通用性比较差，耐水性差，加工困难。而聚异氰酸脂系通用性好，耐水、耐蒸煮、耐油性优良，但所采用的溶剂易挥发，危险性比较大，初期粘接性不好，成本也高。若工艺掌握不好反而易造成复合质量问题。因此经过反复实验、筛选，我们决定不用任何粘合剂，这样将彻底消除溶剂对食品的不良影响。但在印刷中难免还会有少量油墨影响，是否会有有害的物质转移到食品上，特别是包装膜上所使用的凹印油墨，这些溶剂性油墨，对印刷包装材料的指标会产生影响，必须严格控制在国家BOPP／LDPE复合包装膜指标内，否则将是不合格产品，就不能使用在食品包装上。     我们知道，所有印刷后的包装薄膜，由于使用了油墨和粘合剂，因此具有了不同程度微量的气味。
为尽量减少微量气味对食品的影响，保证食品的安全性，有必
    要在保证食品包装材料质量的基础上，采用科学的方法，取消原有的BOPP／LDPE两层膜之间的粘合剂，直接采用高新技术和工艺，将两层薄膜牢牢地复合在一起。另外，由于生产车间里不使用粘合剂，车间的环境卫生有了进一步提高，工人劳动强度明显减小，生产成本也随之降低，经济效益明显提高。根据2004年3月11日安徽省科学技术情报研究所查新报告，该产品已填补国内空白。此外，由于从2005年1月1日起，国家明文规定对人民消费的老5大类、新10类食品进入市场，必须通过国家强制的3C证和QS安全生产许可证，其中特别规定食品的包装袋，必须通过专门检测机构提供的检测报告单，并且食品包装膜上要有食品生产厂家，经当地质量技术监督局批准的食品许可证代号。其主要目的就是食品合格了，食品的包装膜也必须合格，缺一不可。这一规定将对对食品包装膜生产厂家提出了更严格的要求。所以，本次开发的环保型无粘合剂复合膜，将是食品生产厂家的急需产品，这对满足人民身体健康的需求，促进经济的发展和人类生态环境的保护，都具有非常重要的深远意义。     2、产品方案     环保型无粘合剂复合包装膜；BOPP(双向拉伸聚丙烯)／LDPE(高压聚乙烯)流延膜：厚度：0．040mm：宽度：300mm；建设规模：1000t。     3、产品技术路线及技术设施     3．1工艺技术文件的制定     目前，国内还没有任何一家包装企业有生产该环保型无粘合剂复合膜的报道。根据2004年3月11日安徽省科学技术情报研究所查新报告查新，国内早在1994年原芜湖市第四塑料厂(即芜湖天华塑业有限责任公司改制前的前身)就曾生产该产品，当时只是试制后投放市场，由于产品的复合牢度不太理想，后就未继续研制下去。2004年上半年，根据当今社会发展和人民对绿色环保食品的需求越来越高，经过大量市场调查和用户食品厂家的回访，一致认为开发环保型无粘合剂复合膜，是当今食品厂家迫切的需要。为了保证复合膜的复合牢度，我公司特从美国进口了一套世界上最先进的Colour公司的T型模，以确保流延膜的质量；同时，还对整个生产技术工艺参数进行调整修改，终于试制成符合广大食品生产用户需要的环保型无粘合剂复合膜产品。     目前，只有我公司拥有一套成熟的工艺生产技术及理论基础。产品投放市场以来，国内还无环保型无粘合剂复合包装膜产品质量标准。因此，在试制和生产中，我们参照国家GB／T10005-1998双向拉伸聚丙烯(BOPP)川氏密度聚乙烯(LDPE)复合膜、袋某些主要指标参照执行，同时参照了国内有关的塑料产品标准，以及产品生产状况及省产品质量监督检验部门的实际测试数据，制定了该产品的《企业标准》，并报芜湖市质量技术监督局备案。     3．2试制时间     到2004年1月，试制工作全部圆满完成，生产技术及工艺趋于成熟、稳定，至今已批量生产出环保型无粘合剂食品包装膜产品。     3．3产品规格     O．040mmX300mm方便面包装膜。
    3．4技术路线     本次试制，首先根据用户提供的图案制版。然后将制好的凹版装上进口的韩国八色凹版印刷机上，再将BOPP膜装上印刷机的放卷机构，进行套色印刷，套色基本套准后，再进行精密调整印刷。这时，采用日本目前最先进的860示波仪，对印刷质量进行检测。当检测确认套色准备好后，立即将印刷速度提高到正常的180m／min，然后印刷机上的收卷机构，开始进行张力均衡收卷，收卷后由质量检验人员进行外观、图案质量检查。经印刷的膜卷须放置24h后(也就是时效处理)，等膜上的印刷油墨分子结构定型后，再进行下道工序，即在进口的韩国中90mm挤出复合机上进行无粘合剂复合膜的生产。先将印刷好的BOPP膜卷，放在挤出复合机上的放卷机构上放卷，薄膜通过机上的传动导向辊，运行到挤出机模口正下方，这时挤出机旁的辅助混料机将PE颗粒和其它物料喂入挤出机加料口，通过挤出机内螺杆的转动和料筒的加温，使被加入的共混树脂熔化，通过T型模口挤出形成流延薄膜。这种薄膜拉伸到规定厚度后，可以不用粘合剂而完全靠高温、压力、硅胶辊和冷却辊将BOPP膜和PE流延膜进行挤压复合。在冷却辊和胶辊处，挤压应保持较好的均匀张力。最后进行收卷，收卷到工艺规定的尺寸后，再下料，并由质量检验员对膜卷进行检测，然后再放置到烘箱(房)内进行烘干，进行快速固化干燥，24h后再进入下道工序，按用户要求的方便面包装膜规格(0．040mmX300mm)进行分切，然后再检验、打包、装箱。     3．5关键问题、解决过程及技术创新方面     无粘合剂复合包装膜产品，主要有下列关键问题：     3．5．1原材料     3．5．1．1本产品使用的BOPP薄膜，膜厚20um；为了保证两膜之间的复合牢度和印刷质量，印刷复合前该膜需进行电晕处理，使其表面张力≥38N。     3．5．1．2产品使用的复合层LDPE原料，必须是涂复级，一般为1C7A。这种材料主要为内层原材料，一般以不含或尽可能少含润滑剂等添加剂为好，融熔指数为5—8最佳。     3．5．2成型工艺技术     3．5．2．1成型技术的创新点     这种新产品主要是在引进国外设备的基础上，自行开发并进行了重大技术改进，即在挤出机前端弯道和模头之间内部，安装上一个我们自行研制的特殊静态混炼器，它可使经从挤出机挤出的熔融状态的PE，再次经过静态混炼器内部的特殊曲线通道，进行增压一减压一再增压，使流料反复经过静态混炼器内部的多种不规则曲线，在这段时间内进行二次充分塑化，造成晶点极少，使材料达到最好的混炼，提高塑化的最大粘合度，保证无粘合剂复合膜所需的特别质量效果。     另一关键点是提高流延PE膜的熔融温度。经过多次调试和摸索总结，认为挤出机T模温度应比原有粘合剂复合温度略高，从而可使被加热的聚乙烯表面充分氧化。实际操作中，我们以挤出的PE表面出现明显的白烟为准，并适当增加气隙距离以保证充分氧化。1994年我们就开始开发这种新产品，也基本成功，但是1个月后，该膜出现膜层分开的现象，影响了包装质量。
膜的牢度问题不稳定使我们当时只有停下。2003年，我们与市科技局签定了科研项目开发合同，决定再次研制开发这种新产品，并做了大量细致的准备工作。尤其是我们根据塑料流体学原理，研制了采用特种材料加工的微型静态混炼器，使塑料粒子在挤出机螺杆的剪切作用下，经压缩区、高温区熔融成粘流态。在均化区的高温、高压、高剪切条件下，塑化混炼均匀，随着螺杆的推动而被定压、定量、定温的流到挤出机的弯头与T模交集处，再次通过我们研制的静态混炼器进一步塑化，使树脂混炼非常充分，这样就很好地保证了无粘合剂膜的长期稳定的剥离强度，达到了我们的实验要求。
    3．5．2．2挤出薄膜在高温状态下与基材接触的时间     树脂经模唇挤出后，在高温状态与基材接触的时间也是非常关键的。实验前，接触时间我们未掌握好，总是复合牢度欠缺，不理想，经过不断摸索，最后采用了阶梯式升高温度法，提高两者之间的接触时间，并相应调整模口，适当偏向硅胶辊，使挤出的薄膜与基材接触时间充分，复合牢度也明显提高。但是，我们一定要注意被复合基材的耐高温性，严防影响膜的复合质量。     3．5．2．3复合压力     在复合机上挤出薄膜与基材接触后，经冷却辊与硅胶辊挤压后粘接在一起形成复合膜。压辊压力大，冷却辊与胶辊对复合膜的挤压力大，剥离强度就大。为此，我们在考虑到设备的承受能力情况下，使复合辊和冷却辊之间的复合压力适当加大，以3kg一直到5kg为佳，这样可使两层膜在高压力和高温下牢牢粘合在一起，也可进一步使熔融的PE牢固地挤入贴合面缝隙之中。但在实验中，有时忽视了冷却辊的表面温度，造成剥离牢度不稳定，经我们反复摸索调试，决定适当增加冷却辊表面温度，而不是以前的降低冷却辊表面温度，这一逆反作用却起了明显作用，膜的剥离强度大大增加。但温度也不可过高，这是关键的一点。我们一般控制在20℃—23℃范围内。同时，在不影响产品外观情况下，我们选择了网线式冷却辊，它可增加对薄膜的挤压面积，从而2．9提高挤出复合的剥离强度。     3．5．2．4被复合基材表面张力和温度     本项工艺中，被复合的基材表面张力也是关键要点。表面张力越大，挤出复合膜的剥离强度越高。被复合基材与挤出薄膜复合时的温差越小，挤出复合剥离强度越高。因而在保证被复合基材干净清洁的基础上，如何降低与挤出薄膜复合时的温差，这点必须要解决好。我们也是通过专家咨询和技术资料辅助介绍对复合基材与挤出膜的分析，得出经验，即两者不同材料在加热和外力作用下他们的分子结构都将发生微量变化和一定的综合反应，起到特定的效果。同时，在复合段的张力调节要严格分段控制，收卷张力为1．2kg／m2，放卷张力为10kg／m2。     3．5．2．5硅胶辊     在进行新产品试制中，我们对硅胶辊也进行了改进。原有的硅胶辊在中φ110mm一φ160mm左右，后经过多次调试、摸索及实际使用，我们认为应增大胶辊直径到φ250mm左右，这样既可增大与冷却辊的接触面，又可增大整个复合面积，以保证接触面的触压复合时间和产品的牢度。但是，复合硅胶辊在生产中由于其偏斜会引起复合时压力不均匀，导致复合的薄膜中间产生气泡，从而使原本透明的复合薄膜产生阴影。
当时，我们很困惑，后反复调试硅胶辊的高度，试图通过增加辊的两端压力，来消除产生这些膜的缺陷，然而这样做反而更加严重。通过反复观察分析，最后采用测量夹压硅胶辊的方法，解决了偏斜问题，保证了膜的生产质量。
    3．6复合速度     复合速度对无粘合剂食品包装膜的质量，尤其是复合牢度有很大的影响，速度慢了，影响产量，速度快了，则影响质量。为此，我们在此项关键点进行了数十次的试验摸索和总结，最后找到了最佳工艺速度，从而既保证了产品质量，而又不影响产量。     从管理上说，要保证这种高新产品的质量，主要是按IS09000质量标准体系严格贯彻执行，并从以下几点着手：     (1)首先保证原材料的供应质量，对每批进厂的原、辅材料，由公司化验室进行抽检化验，抽样分析，测试各种原、辅材料的主要技术指标，看是否达到工艺技术标准的要求。如其中一项指标不合格，即为不合格产品，坚决不用。同时对生产中各道工序、各类环节严格把关，从印刷到复合、分切，严格按企业标准执行，质检部门跟踪检测，每个班组要做到自检、互检、专检相结合，确保产品质量。     (2)在工艺设备上，为了保证试制产品的质量，我们从关键工艺点、模具入手，经过多次技术咨询和对现场生产的流延膜进行分析，认为最重要的关键点是：模具内腔即内部流道应尽可能呈流线型，不得有任何死角，以防止熔融料在流道中停滞而分解。熔体在机头内各处的流动阻力要保持相同，停留时间要相等，口模间隙要均匀一致，流延的出膜速度要稳定，以确保薄厚度的均匀性，能使熔融料在T模前段各区域所形成的向应力得以松驰。另外，模具也是每台挤出机能耗最高部位。因此，我们为了使流延制品复膜均匀，能耗降低，特要求美国Cloere公司在模腔内部的设计，按照我们提出的要求执行，必须采用高精度流延模头和调幅式内阻流结构，从而能绝对保证复膜厚度偏差≤5％。温度控制采用固态调压模块及数字智能控制，控制精度温差±5℃，该指标在国内目前属领先地位。这样，其既能保证制品的均匀，复合牢度好，又能使能耗大大降低。因此，本次新产品试制采用的T模内，各几何形状就显得非常重要。在这方面，美国Cloere公司生产的T型模具在此技术上具有独到之处，并能完全满足我们的要求。为此，我们选择了进口1台最先进的T型模具，以独特的模腔流道来保证流延PE膜的质量。     4、严格的生产工艺体系     4．1确保生产中树脂塑化混炼密度     在此项新产品试制中，我们重点用下列方法来增加树脂塑化混炼程度，确保无粘合剂复合膜的复合牢度。     4．1．1选用熔融指数(M1)较大的树脂     熔融指数(M1)越大，流动性越好，塑化混炼效果就好，但MI太大，则挤出薄膜时会发生边厚现象。故宜选用MI值为7—8g／10min的树脂。     4．1．2适当提高加热温度     挤出机的压缩区、均化区加热温度越高，树脂塑化混炼就越充分，但温度过高，树脂易分解。加热温度的设定，要根据树脂种类及其熔融指数(M1)来设定，如     牌号为1C7A的LDPE树脂，其加热温度可在300℃一325~℃范围内设定。
   4．1．3适当提高熔体压强
    熔体所受压强越大，塑化混炼就越充分。要增加熔体压强，常采用增加滤网层数或目数的方法。如牌号为1C7A的LDPE树脂采用目数分别为85、110、85的三层滤网，使熔体压强在1．2—1．4MPa范围内。     4．1．4适当提高螺杆转速     螺杆转速越大，单位熔体所受螺杆剪切次数越多，塑化混炼就越充分。但螺杆转速增大，挤出薄膜厚度增加，故应注意螺杆转速、涂复速度与挤出薄膜厚度三者的匹配。     4．2树脂的氧化程度     粘流态树脂经模唇挤出到接触基材的过程中，被空气中的氧气氧化而产生极性，可以提高挤出复合膜的剥离强度。气隙即模唇到两薄膜(即挤出薄膜与基材)复合线的距离大、氧化程度高。但气隙过大，热损失就大，也会降低剥离强度。气隙一般在9～12cm范围内调整。     4．3树脂温度     作为一种提高粘接性的方法是将PE在高温下挤出，并利用空气的氧化使之具有极性。与基材接触时的树脂温度高，则剥离强度高。通常我们采用提高模头温度的方法来提高树脂温度。但模头温度过高，则挤出薄膜时发生边厚，且易使模唇发生氧化、树脂发生碳化现象。如挤出牌号为1C7A的LDPE树脂，其加热温度在300℃～325℃范围内设定。同时，平常还要注意做好日常的模唇维护保养工作。停车时要使树脂挤出模唇外少许，防止氧气进入；开车时要用软铜片反复清理模唇，防止碳化的树脂附在其上，影响复合薄膜质量。     4．4挤出薄膜在高温状态与基材接触的时间     树脂经模唇挤出后，其在高温状态与基材接触的时间越长，剥离强度越高，故应调整模头适当偏向胶辊侧少许，使挤出薄膜与基材接触的时间增加。但要注意被复合基材的耐高温性，以免影响复合质量。     4．5压辊压力与冷却辊状态     4．5．1挤出薄膜与基材接触后经冷却辊与胶辊挤压后粘接在一起。压辊压力大，冷却辊与胶辊对复合膜的挤压力就大，剥离强度也就高。但还要考虑设备的承受能力，一般压辊压力在4kg／cm2左右调节。     4．5．2冷却辊表面温度应适当提高，可增加剥离强度。但温度过高不利于操作，一般在20~C一25℃范围内，在不影响产品外观的情况下，选用网线式冷却辊，可增加对薄膜的挤压面积，从而提高挤出复合的剥离强度。     4．6涂复速度     涂复速度降低，则可提高挤出复合剥离强度，但涂复速度的降低，就意味着班产量降低，产品成本增加。因此，必须选择最佳的工艺数据，即生产速度要上去，复合牢度也要保证。在这个关键工艺点，我们摸索出一套成功的经验，并在生产中取得非常好的效果。     4．7被复合基材的表面张力及温度     被复合基材的表面张力越大，挤出复合剥离越高，其表面张力应大于38N。
被复合基材与挤出薄膜复合时的温度差越小，挤出复合剥离强度越高。因而在保证被复合基材干燥清洁的基础上，可通过干燥箱对基材进行预热，以降低与挤出薄膜复合时的温度差。
    5、认真做好操作工的培训工作     培训工作由公司工程技术人员专门授课，讲解本次无溶剂复合膜新产品研制工作的关键技术和重要性，详细介绍有关生产技术知识、质量的控制、工艺的规范操作要领及一系列有关如何生产好无粘合剂复合膜的要点，并进行培训考试，考试合格后，领取上岗证方可上机操作。     6、产品性能检测结果     我公司试制的环保型无粘合剂复合包装膜，经近半年来的不断改进，已摸索出一套完整的定型生产工艺技术，产品生产稳定，质量明显提高并已部分投入市场，客户使用的近几个月来反映良好，要求继续保持长期供应。为此，为了进一步完善该项产品的标准化、规模化，公司于2004年7月15日将该项产品再次送安徽省产品质量监督检验所进行检测，经检测各项指标均全部合格。另外，本次项目中一项关键指标——溶剂残留，经安徽省化工产品质量监督检验站2004年7月20日的检测，溶剂残留极小，仅为1．98mg／m一2．01mg／m，远远低于国标的10mg／m’，是一种真正的绿色环保产品。测试结果如表1所示。     表1产品性能指标     序号项目技术要求有溶剂复合包装膜无溶剂复合包装膜     1、拉断力纵横向(N)≥1032~5033~53     2、断裂仰长率纵向(％)50~18094107     横向(％)15~901516     3、刹离力纵横向(N)≥0．61、01．0     4、撕袭力纵横向(N)≥1．51．63．2~3．0     5、蒸发残渣(mg/L)3012．512．5     6、正己烷(常温2h)3012．512．5     74％乙酸309．010．5     8、65％乙醇(常温2h)3011．211．5     9、溶剂残留(mg／m2)≤10．05．01．98—2．01     7、试制结论及质量对比     在整个试制过程中，我们始终遵循抓主要矛盾的原则，对环保型无粘合剂复合膜的质量、复合牢度、卫生质量指标、外观质量都精确进行控制，突出了环保型无粘合剂食品包装膜的特点，从各方面进行严格规范控制，最后圆满试制出符合广大食品厂家的环保型无粘合剂包装复合膜产品，经多次检验完全符合各项有关标准。并通过几个重点厂家的一阶段的使用，用户感觉一直很好，无任何不良反应。因此，我公司已完全具备了生产环保型无粘合剂复合包装膜的能力。     8、经济效益     无溶剂复合包装膜的研制开发成功后，将取得明显的经济效益和社会效益。
由于在BOPP膜与PE膜之间的复合，无须再加入粘合剂，仅这一项将节约资金30．6万元／年。使用粘合剂生产工艺中还有一道烘箱加热工序，每年将需用电28．8万kW·h，而目前电的价格为0．48元／kW·h，费用将为13．8万元。这样，这种新产品的开发研制总共将节约资金44．5万元／年。此外，这种高新技术产品，由于残留溶剂极小，这就很好地保证了被包装食品的安全与卫生，从而也为采用这种新产品包装的食品厂家的QS安全生产许可证提供了有力的保障，真正成为广大消费者放心的食品包装材料。所以，这种高新技术产品不仅具有明显的经济效益，而且还有良好的社会效益。
    9、批量试产总结     9.1批量试制时间和数量     我公司于2004年5月开始进行批量生产，产量约300t左右，河南斯美特食品包装集团、山东白象食品集团使用至今，效果极好。并且，所有的方便面全部采用了这种产品。     9.2工艺验收情况     为了确保试制出合格的产品，在批量试制过程中，我们在原有粘合剂复合膜生产工艺规范的基础上，将部分工艺规范调整得更严格和规范。如生产中的工艺温度、张力、压辊和复合辊的压力角，复合机的生产速度等，使产品成本降低，效益增大，卫生安全，使用效果极好。     9．3批量试产结论     省质检所和公司质检部门的检验结论，及用户的批量使用，都证明试产的环保型无粘合剂复合膜全部合格并能满足用户要求。这也说明我公司己完全具备了大批量生产该产品的能力。先进的进口设备，合理的工艺布局，高素质的员工队伍及一批熟练的操作员工和一批新产品研发工程师，再加上具有现代化管理水平的公司领导，我们坚信，这种环保型无粘合剂复合包装膜的开发，为软包装开辟了新的领域。同时，该产品已经通过安徽省科技厅的科技成果鉴定验收，也引起国家科技部和中央电视台科技栏目的重视，并专门为该产品拍摄了专题片，在2004年11月30日的《科技栏目》中进行了播放。该项新产品将很快在我国食品包装工业中大批量正式使用。今后我们将投入更多的物力、财力，扩大生产量，以满足大批用户需求，并继续保持优异的产品质量，使我公司这一新型的高性能、无毒无害、价廉物美、绿色环保型包装产品再上一个台阶，为我国食品包装工业做出应有的贡献。