摩擦系数≠爽滑性

开口剂与爽滑剂
    开口性和爽滑性是复合软包装行业事经常被提及的两项指标。
开口性是指对加工好的包装袋(三边封袋、中心封袋等)充填内容物时将袋口打开的难易程度。爽滑性是指复合软包装材料通过自动包装机时的顺畅程度。
    通过在网上查阅资料得知:开口性的评价可借助材料的静摩擦系数μs,爽滑性的评价是借助材料的动摩擦系数μk
    在网上销售的所谓“薄膜开口性测试仪”,又名“斜面摩擦系数仪”或“摩擦系数仪”,实际上是在暗示:薄膜开口性的评价指标就是摩擦系数。
    其实,GB/T16276—1996《塑料薄膜粘连性试验方法》(参照采用ASTM  D 1893—67(1985)《塑料薄膜粘连性标准试验方法》)才是评价薄膜开口性的正确方法,只是几乎无人使用该方法。
    在上述标准中的第4项“意义和应用”中关于薄膜的粘连性是这样描述的:
    塑料薄膜在温度和压力的作用下可能产生粘连,在加工、使用或贮藏过程中也可能产生粘连。几乎所有粘连都是由下述两种情况引起的。
    4.1 极端光滑的薄膜表面,紧密接触而且几乎完全隔绝空气。
    4.2 压力或温度(或两者)引起薄膜接触表面粘融。
     从网上查阅资料得知,在薄膜的加工中,开口剂和爽滑剂是众多的添加剂之一。
    开口剂的英文名称是anti-blocking agent,翻译成中文是“抗粘连剂”;
    爽滑剂的英文名称是slipping agent 或 plastic lubricant,直译过来就是“滑剂”或“塑料润滑剂”。
    开口剂的作用是将薄膜的表面从原来的极端光滑的状态转变成凹凸不平的状态,这样处理之后,当两片薄膜靠近时,就不能彼此紧密接触了,从而消除了彼此粘连的可能性。开口剂通常都是无机物。
    爽滑剂的作用是在光滑的塑料薄膜的表面再“铺”上一层润滑油,使其表面的摩擦系数下降到需要的程度或数值。爽滑剂通常都是有机物。
这两种添加剂作用原理是完全不一样的。
    在实践当中,当加入了开口剂之后,开口性提高的同时,薄膜之间的摩擦系数也确实有所下降;在一定的环境条件下,当加入足量的爽滑剂之后,薄膜的开口性也确实得到了改善。因此,当你在浏览器中输入关键词“开口剂”或“爽滑剂”后,在搜出的众多网站中,可能一半在推销anti-blocking agent,另一半在推销slipping agent。也就是说,众多的供应商在有意混淆开口剂与爽滑剂之间的区别。
 
爽滑剂的温度关联性
    大量的实践证明,在热封层薄膜中单纯加入爽滑剂确实能够提高复合包装袋的开口性;同时,大量的实践也证明,在一定的条件下,复合包装袋的开口性不良问题确实是由于热封层中薄膜中单纯加入的爽滑剂所引起的。
复合包装袋的开口性问题通常是发生在两种情况下:一是软包装企业的制袋工发现制好的包装袋的开口端粘连在一起,没有自然打开,同时不同程度地用手难以“搓”开袋子的开口端;二是食品企业的包装工在充填内容物的同时,发现所使用的包装袋难以“在规定的时间内开启到需要的程度”。
    造成这种状况的原因正如GB/T16276—1996《塑料薄膜粘连性试验方法》中所描述的:
几乎所有粘连都是由下述两种情况引起的。
4.1 ,紧密接触而且几乎完全隔绝空气。
4.2 压力或温度(或两者)引起薄膜接触表面粘融。
    所谓“极端光滑的薄膜表面”意味着该薄膜中未添加开口剂(anti-blocking agent),只添加了爽滑剂(slipping agent)。所谓“压力或温度(或两者)引起薄膜接触表面粘融”意味着在制袋过程中包装袋的非热封处的温度已接近或超过了添加剂(包括爽滑剂)的软化点或熔点。
下面一组数据显示了温度对薄膜的摩擦系数的影响。
 
表一:不同内层材料的动摩擦系数与温度的关系:
温度
25℃
35℃
40℃
45℃
50℃
55℃
60℃
65℃
70℃
①PET/AL/PE(A厂)
0.074
0.115
0.137
0.215
0.467
2.93
-
-
-
②PET/AL/PE(B厂)
0.085
0.102
0.124
0.147
0.293
0.737
2.83
-
-
③PET/AL/PE(C厂)
0.112
0.110
0.121
0.148
0.210
0.294
0.483
1.97
-
④PET/AL/PE(淋膜)
0.553
0.565
0.578
0.580
0.592
0.612
0.630
0.675
1.184
⑤PET/AL/PE(特种热封材料)
0.623
0.602
0.558
0.493
0.424
0.364
0.293
0.289
0.243
注:以上数据摘自江苏台正仪器有限公司网站。
从表一中可以发现,样品④已被标明是挤出复合法加工的产品,显然,①、②、③号样品就是干法复合加工的产品。挤出复合用的PE树脂中一般是不添加爽滑剂的,所以,④号样品在25℃的环境温度下的动摩擦系数明显大于①②③k号样品,但在25℃到65℃温度变化区间内动摩擦系数的变化不是很大。而①②③号三种样品的PE膜中显然是添加了爽滑剂,但爽滑剂的品种是不一样的,因此,在相同温度变化区间内,内层材料的动摩擦系数有着明显不同的变化及结果。
上述数据表明,常用的爽滑剂对温度很敏感,其对PE薄膜的润滑作用是随着温度的上升而衰减的。
上述的实验数据与一部分软包装企业的抱怨是一致的:“我在厂里测试的摩擦系数挺低的,怎么到了包装机上就是拉不动呢?”
 
摩擦副
 “摩擦副就是相接触的两个物体产生摩擦而组成的一个摩擦体系。
 摩擦力是两个表面接触的物体相互运动时互相施加的一种物理力。
 摩擦系数是指两表面间的摩擦力和作用在其一表面上的垂直力之比值。它是和表面的粗糙度有关,而和接触面积的大小无关。依运动的性质,它可分为动摩擦系数和静摩擦系数。”
 上述几句话是关于摩擦的几个定义。从上述定义中我们应当明白:摩擦是发生在两个物体间的。摩擦力及摩擦系数的检测都是在特定条件下进行的。
 
表二:香烟膜的摩擦系数
薄膜用途
薄膜表面
静态摩擦系数
动态摩擦系数
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
    摘自食品产业网 (2009年9月9日09:25)《自动包装中包装材料摩擦系数的探讨》
 
    表二列出了三个摩擦副的六组摩擦系数数据,即香烟膜的外面/外面、内面/内面、外面/金属面(50℃),如果愿意的话,还可以列出外面/内面和内面/金属面(n℃)等数据。其中的外面/外面、内面/内面的数据可以理解为是在标准的实验室条件下测得的(23±2℃、50±10%RH)。
    显然,针对同一个香烟膜的样品可以有不同的摩擦副,再加上温度(甚至湿度)的变化,就可以得到许多不同的数据。
    需要注意的是:在复合软包装行业中,笔者见到过的摩擦系数数据大都是复合包装材料的外面/外面、内面/内面、外面/内面的数据,有时是薄膜供应商提供的基材的外面/外面、内面/内面、外面/内面的数据。而食品加工企业在投诉复合软包装企业时,是说在自动包装机上拉不动复合包装膜,即复合包装膜的内表面(热封层)与自动包装机的不锈钢制的自动成型装置间的摩擦系数过大。因为绝大多数的自动包装机都是间歇性运动的,所以,也可以理解为是包装材料的内面/金属面(n℃)的静摩擦系数过大!
    所以,软包装企业如果想真正解决好食品企业关于爽滑性差的投诉,就必须选择好实验用的摩擦副及温度条件!
 
如何提高爽滑性?
    由于有机的爽滑剂受温度影响较明显,因此,单纯地在薄膜中添加爽滑剂显然是有问题的,所以,笔者建议在配方中适当地使用无机的开口剂!
    理由很简单!1、无机的开口剂受温度的影响比较小;2、使用了无机的开口剂之后,可使复合包装材料与自动包装机的不锈钢制的自动成型装置间的实际接触面积大幅度减少!
这样一来,实测的包装材料的内面/金属面(n℃)的静摩擦系数可能会大于原来的包装材料的内面/内面的静摩擦系数,但实际的爽滑性可能会明显提高。
 
解开一个“死结”?!
    笔者经常听到这样的提问:“你们的胶水能不能在40℃、12小时条件下“出锅””(意指结束复合薄膜的熟化过程)?
    笔者从业多年,见过的许多粘合剂的说明书中关于熟化条件一节通常都会这样写:室温条件下,熟化7至14天;55±5℃条件下,熟化48至72小时。近几年来,有些说明书上会加上一条:55±5℃条件下,熟化24小时后可进行分切加工。
于是,笔者问:为什么要在40℃条件下熟化?答复是:为了防止复合膜的表面摩擦系数发生明显变化?又问:为什么要12小时“出锅”?答复是:想缩短交货时间,同时,减少复合膜表面摩擦系数的变化!
    为此,笔者在网上查询,得知:欲改善薄膜的爽滑性可使用无机的开口剂和有机的爽滑剂。笔者又向一些自行吹塑加工PE薄膜的企业进行咨询,得知:目前加工PE薄膜时只加有机的爽滑剂,不加无机的开口剂;如果来的粒料中已有有机的爽滑剂时,则什么都不用加。
    关于有机的爽滑剂的特性,众所周知:温度降低时它会向薄膜的表面迁移,使得薄膜表面的摩擦系数下降(这是使用它的目的所在!);温度升高时它会向薄膜内部迁移,造成薄膜表面的摩擦系数上升(这是业者不愿看到的事实!)
    问题在于:如表三所示,当温度再度降低并保持一段时间后,爽滑剂仍会向薄膜的表面迁移,并最终使表面的摩擦系数降低到原来的水平。因此,完全没有必要为了维持复合薄膜出厂时的表面摩擦系数而降低熟化室的温度、牺牲胶水的熟化程度,因为这可能会导致其他质量问题。
 
表三:某AL/PE复合膜的表面摩擦系数与停放时间的关系
停放时间
0.5h
1.0h
1.5h
2.5h
4h
6.5h
18h
24h
48h
72h
动摩擦系数
0.539
0.528
0.519
0.363
0.322
0.292
0.196
0.184
0.136
0.127
静摩擦系数
0.741
0.679
0.647
0.476
0.466
0.467
0.273
0.260
0.213
0.208
注:以上数据摘自江苏台正仪器有限公司网站。
   
需要注意的是:这里所说的温度是指整个加工、应用过程的温度,它包括软包装企业的车间、熟化室的温度、运输车辆所处的温度、食品加工企业的仓库、车间、包装机成型装置的温度等。如果上述任何一个环节的温度高于40℃,则包装材料的表面摩擦系数上升就成为一个必然的结果。
而笔者在网上查询的结果是:受到与复合薄膜的摩擦作用及热封装置的“烘烤”作用,自动包装机的成型装置的表面温度一般不会低于50℃;如果包装机的运行速度很快的话,其成型装置的表面温度还会更高。这可能就是前人在做“不同内层材料的动摩擦系数与温度的关系”实验时把70℃作为一个实验点的依据吧?!
所以,在薄膜的热封层加入适量的无机开口剂应当是一个不错的选择!
解决了爽滑性的根本问题后,熟化温度和熟化时间就应该可以恢复到正常的水平了!
这是不是能够解开一个“死结”?