自從引入托盤收縮膜包裝這一產品, 高性能膜的層數一直在穩步上升. 但要形成一個穩定的承載單元, 到底需要多少層的薄膜?Polifilm Extrusion公司向自己提出了這個問題, 並且比較了11, 13, 55層膜的性能.
聚烯烴收縮膜對於全球貿易中貨物的三級包裝至關重要. 只有當包裝好的商品被一起置於某個單元上——通常以歐式托盤的形式出現——才能滿足穩定安全承載單元的需要. 收縮膜的主要任務之一是將承載單元牢固地捆綁在一起, 以便讓承載貨物經受住運輸和儲存過程的考驗而不被損壞. 薄膜的機械特性對於確保承載單元的牢固至關重要, 但是, 收縮膜除了需要具有高保持力外, 還要有結合能力, 以便貨物捆綁在一起時, 各層間的結合足夠牢固.
收縮膜的任務是把貨物作為一個承載單元組合在一起, 使包裝的貨物和托盤之間形成一個穩定的連接, 並防止貨物從托盤上滑動, 移位, 散開, 並保護它們不受潮濕的影響.
承載單元類型和收縮膜包裝方式
使用收縮膜時, 應注意托盤的類型和需要進行收縮包裝的物品. 這需要預先知道承載單元的形狀(圖1): 是平直的, 或者與托盤平齊(A類), 物體上下是否有突出(B類), 或者需要包裝的物品在托盤上顯得形狀不規則(C類). 重量和形狀的穩定性對承載單元影響重大. 因此, 最具有決定性的問題是, 托盤上的物品是否能保持形狀尺寸穩定, 相對堅固, 或者很柔軟, 在很強的壓縮力下會變形.
圖1 不同形狀的承載單元: 平直結構, 與托盤平齊(左側A), 上方或下方有突出部位(中間B), 極其不規則擺放的商品(右側C)(來源: Polifilm)
除了承載單元種類很多外, 市場上還有很多不同的收縮包裝產品和方法. 根據包裝過程的不同, 有全自動, 半自動收縮包裝機以及手工收縮包裝機. 這些設備在收縮包裝過程中的速度, 預拉伸和薄膜負載不一樣. 因此飲料瓶收縮包裝用全自動包裝生產線上的自由臂包裝機比半自動旋轉檯收縮包裝機的速度高出許多. 每種系統採用特殊的預拉伸單元, 來確定預拉伸, 並為特定的作業做準備(圖2). 當薄膜的拉伸超過了峰點, 達到了再拉伸就會造成握持力增加的區域. 此時, 聚合物鏈朝向了拉伸方向(機器方向, MD), 因此表現出了最大的握持力. 這也是為什麼需要定製薄膜, 以便在特定的收縮包裝技術中獲得物品和托盤特定結合所需的特性.
圖2 收縮膜的伸長表現, 主要伸長區(A), 峰點(C)和工作區(D)(來源: Polifilm)
收縮膜的類型
總的來說, 收縮膜可以根據以上的要求, 在以下類型中進行區分(圖3):
◆ 伸長率低, 握持力強;
◆ 伸長率中等, 握持力中等;
◆ 伸長率很高.
圖3 薄膜在低斷裂伸長率和高握持力;中等斷裂伸長率, 中等握持力和極高斷裂伸長率時的拉伸強力-斷裂伸長示意圖(來源: Polifilm)
但是否大多數薄膜都需要有很多層呢?在市場上, 關於收縮膜到底應該有多少層才能獲得穩定承載單元的討論很多. 過去, 主要採用單層和三層薄膜, 現在, 5, 7, 9層是技術標準. 但是, 現在的趨勢是11層或13層, 並且已經有能夠加工27, 33或者高達55層的系統.
有些依然在市場上流通的術語, 比如多層或單層薄膜, 並沒有進行很好的定義, 因為沒有統一可遵循的什麼叫多層, 什麼叫單層薄膜的定義. 一個很關鍵的問題是, 是否層數越多, 性能就越高?例如, 若薄膜厚度相同, 55層膜是否就比13層膜的性能更好?為了便於更進一步討論, 假定這個13層和55層薄膜是採用相同的最新流延膜生產線生產的.
考察多樣性和複雜性
與奧地利蘭精公司的SML Maschinengesellschaft mbH和美國密西根州米德蘭市的陶氏包裝及特種塑料公司一起合作, Polifilm生產出了厚度為12, 15, 23µm的薄膜. SML PowerCast XL生產線連接著7台擠出機(2x90/33;5x75/33), 一支直徑為1600mm, 幅寬為5000mm的冷卻輥, 以及自動寬槽模具(4800), 最高速度為850 m/min. 兩條相同的生產線只有進料段部分的結構是不一樣的(圖4見層的分離).
圖4 共擠13和55層薄膜的層結構: 擠出機A, D~G, 各層厚度佔總厚度的10%, 擠出機B和C, 各層厚度佔25%(來源: Polifilm)
厚度如圖所示, 幅寬為500mm的收縮膜採用同樣的工藝參數進行加工. 配方中的拉伸和握持力有差異, 以反映商業用途的需要(表1). 陶氏聚乙烯薄膜如Elite AT 6111(採用Elite AT技術加工成的乙烯-辛烯共聚物)滿足了高性能薄膜的要求.
表1 12層和55層產線上測試的配方概述(來源: Polifilm)
測試
比利時Deerlijk的ESTL 公司的FPT-750薄膜測試系統被用於測試薄膜(圖5). 按照不同的預拉伸, 測試速度, 測試了可能的最大預拉伸斷裂伸長, 穿刺和抗震性能. 選用了常規的4000 mm/s包覆速度.
圖5 測試設備和過程: 來自ESTL(左)的FPT-750, 以及在測試托盤(中)上做的實際穿刺測試和盤式測試(右)(來源: Polifilm))
用來自美國密西根州懷俄明市Highlight Industries 有限公司的旋轉檯式包覆機對測試托盤進行了實測. 薄膜採用標準的包覆程序進行包覆, 並根據對托盤四角和表面的握持力, 以及按照包裝計劃所選用的收縮膜的抗穿刺性能評估了薄膜的性能.
另外, 還在實驗室內對薄膜進行了落錘實驗(ASTM項下DD試驗, 1709-01), 並沿著機器方向進行了埃爾門多夫撕裂試驗.
圖6 13層和55層薄膜的拉伸強力-斷裂伸長圖. a) 厚度為12, 15, 23μm的易流動薄膜;b)12, 15 μm的高強薄膜;c)高斷裂伸長薄膜, 厚度15, 23 μm (來源: Polifilm)
評估
利用上述描述的生產和測試方法, 測得了3800個數據點, 並根據表1評估了配方. 對不同類型和厚度的13層和55層薄膜的特徵(抗穿刺, 抗震, 撕裂強度, 斷裂伸長, 落錘性能, 埃爾門多夫撕裂性能, 應用測試和握持力等)進行了對比, 結果發現, 不管是13層還是55層, 統計偏差顯示的差異不明顯.
比較極限測試程序記錄的拉伸強力和斷裂伸長率, 可以得到相似的結果. 在13, 55層薄膜生產線的 '極限曲線' 中, 比較了一種厚度, 一種配方的易於流動薄膜(圖6a)和強力薄膜.
不同層結構的薄膜的斷裂伸長率或握持力沒有發現有顯著的差別. 將握持力與薄膜厚度相對應, 進行標準化, 得到了依厚度變化的曲線, 這樣, 具有不同厚度的薄膜可以直接進行比較. 不同層結構的高斷裂伸長率的薄膜也沒有顯著的差異(6c).
圖7 15微米厚的11層, 13層和55層的高伸長率薄膜的拉伸力 - 伸長率圖(來源: Polifilm)
在進一步的測試中, 考察了相似配方以相似生產條件, 在SML 11層生產線上的表現. 此處, 記錄到的特性值再次幾乎與13層和55層生產線的記錄一樣(圖7).
結論
廣泛的測試顯示, 用於固定承載單元的收縮膜可以在最新一代的11, 13以及55層流延膜生產線上生產, 在厚度相同的情況下, 性能一樣. 而且, 在這項工作中還發現, 成功還有賴於所用的原材料, 薄膜配方以及工藝參數. 對於生產線的把控能力及其清潔程度也對確保穩定一致的質量非常重要.
決定性能的是符合特定應用的配方, 具體需根據產品而論. 為了服務日益增長的運輸市場所需要的穩固, 可持續承載單元的安全性的需要, 了解包裝運輸過程和高度一致質量是必不可少的.