包装膜用高压聚乙烯性能的分析与对比

余莹波

(中国石化上海石油化工股份有限公司塑料部，上海200540)

高压聚乙烯(LDPE)薄膜料主要应用于包装膜、农业用膜、重包装膜以及医用包装膜等领域。其中包装膜占主导地位，约为44.6%，包装膜中应用最广泛的是收缩膜，可以用于食品、书籍等的散件包装，或采用现场收缩包装方法包装小轿车、赛艇等体积庞大的产品或设备。LDPE农用薄膜广泛应用于地面覆盖薄膜、各种类型棚膜等，LDPE棚膜由于质地轻、柔软、透明、无毒，已成为中国用量最大的温室棚膜品种。LDPE在重包装膜应用方面的量相对较少，主要用于塑料原料、水泥、化肥和谷物等的集合包装，可以部分代替木箱和瓦楞纸箱[1]。

与进口重包装膜袋相比，国产重包装膜袋主要存在膜的耐穿刺强度低、印刷性不好和易吸尘等缺点。材料表面的摩擦因子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，实际包装中的摩擦力常常既是动力又是阻力，因此必须有效地控制摩擦因子的大小，使它在适当的范围内[2]。从包装机器运行速度以及包装物易开启性方面来做好质量指标，以开拓重包装膜新市场，满足广大客户的需求。

中国石化上海石油化工股份有限公司(以下简称上海石化)塑料部高压聚乙烯装置有成熟的三菱油化超高压管式“E”法生产工艺，已成功开发出各种LDPE薄膜专用料，在此基础上开发多用途包装膜产品。

1 实验部分

1.1 主要原料

1#为上海石化样品，2#为某进口样品，3#为某国产样品，三种样品均为LDPE包装膜产品，1#和3#产品为管式法生产，2#产品为釜式法生产。

1.2 分析仪器和设备

密度测试：仪器型号为LLOYD DC/02，使用密度梯度管法测密度，样品经熔条、水煮后进行测试，测试标准为GB/T 1033.2—2010。

差示扫描量热分析(DSC)：测试仪器为美国TA公司的DSC Q100，在氮气保护下以10 K/min的速率升温到180 ℃，并停留10 min，然后以10 K/min的速率降温到室温。

熔融指数(熔体每10 min通过标准口模毛细管以g计的质量)：仪器型号为TINIUSOLSEN 987，测试标准为GB/T 3682—2000，测试温度为190 ℃，压力为216 kPa。

透光率、雾度：仪器型号为山东中量测试技术有限公司的WGT-ZL型，测试标准为GB/T 2410—2008，测试样品厚度为0.48 mm。

邵氏硬度：仪器型号为B7206.100/SHORE D，测试标准为GB/T 2411—2008，将规定形状的压针压入试验材料，测量垂直压入的深度。

扭矩流变：测试仪器为德国ThermoFisher公司的HAAKE PolyLab OS扭矩流变仪，测试温度为140 ℃，转速为45 r/min。

简支梁冲击强度：仪器型号为ATLAS/14204，测试标准为GB/T 1043.1—2008，在室温(23 ℃)条件下，摆锤升至固定高度，以恒定的速度单次冲击支撑成水平梁的试样，冲击线位于两支座的中点，缺口试样侧向冲击时，冲击线正对单缺口。

拉伸测试：仪器型号为ZWICK/Z005，测试标准为GB/T 1040.2—2006，沿试样纵向主轴恒速拉伸，直到断裂，测量在这一过程中试样承受的负荷及其伸长。

薄膜撕裂强度：仪器型号为ZWICK BT1-FI0.5TH.D14，测试标准为GB/T 16578.1—2008，在试样长轴方向上切缝至1/2处，使其切口所形成的两“裤腿”上经受拉伸试验，测试沿长轴方向撕裂试样所需的平均力，计算材料的撕裂强度。

摩擦因子：仪器型号为ZWICK Z2.5/TS1S，测试标准为Q/SPC 4028—2017，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因子。

环境应力开裂：测试标准为GB/T 1842—2008，把表面带有刻痕的试样弯曲并放置入表面活性剂的介质中，观察试样发生开裂的时间。

2 结果与讨论

2.1 基础性能比较

表1列出了3种样品的基础性能，从中可以看出1#样品的雾度最为优异，三者的透光率相差不大，3#样品的硬度相对较好。

表1 各样品基础性能比较

2.2 结晶性能

结晶度影响聚合物多方面的性能，结晶度越大，透明性越差，收缩率越大。各样品结晶度比较见表2。

表2 各样品结晶度比较

* 结晶度为(△Hm/△Hc)×100%，其中△Hm为PE实测结晶焓，△Hc为PE完全结晶的结晶焓，293 J/g。

从表2可以看出：1#样品的结晶度最低，雾度测试可以论证这一结果，结晶度越低透明度越高，雾度越低。

2.3 收缩率比较

收缩率的影响因素有很多，其中最主要的因素是结晶状态，结晶后分子链紧密排列，结构有序规整，宏观表现为制品尺寸减小，即结晶程度越高，收缩率会越大。各样品收缩率比较见表3。

表3 各样品收缩率比较 %

从表3可以得知：横向收缩率受取向的影响较小，可以更为直观地看出结晶度对它的影响程度，1#的结晶度较小，横向收缩率也较小。收缩率的另一影响因素为取向，熔体流动导致熔体产生取向结构，取向后分子链熵值减小，趋向有序排列，导致收缩率变大，因此纵向收缩率比横向收缩率要大。

2.4 流变性能

HAAKE扭矩流变仪是模拟在挤出机等加工设备中材料的熔融塑化流动过程，并检测扭矩随时间的变化以及平衡扭矩的大小，反映加工过程中流动性的好坏和能量的消耗情况(见图1～2)。

从图1～2可以看出：3#样品的扭矩最小，说明推动聚合物熔体流动的机械力较小，即聚合物熔体的黏度较低，也就是流动性较好。而2#样品开始时扭矩上升很快，最大扭矩远高于其他两种样品，在加工中表现为剪切力很大，随时间延长后的平衡扭矩也是三者中最大的，说明流动性较差。

图1 各样品HAAKE流变扭矩

图2 各样品HAAKE流变扭矩

2.5 力学性能

各样品力学性能比较见表4。

表4 各样品力学性能比较

从表4可以看出：1#样品的冲击强度相对来说处于中等，但是断裂标称应变和拉伸断裂应力明显高于2#和3#样品。

3种专用料都可以用在重包装袋、内衬袋，农业及建筑用膜等方面，包括工业用、食品用高收缩膜。应用在高收缩膜时，搬运过程中会发生提拉、碰撞等情况；应用在农业及建筑用膜时，由于施工或者自然天气原因，也会受到外力撞击等问题，因此专用料的韧性尤为重要。上海石化开发的专用料在韧性方面的表现很突出，远远高于进口样品，与同类国产样品相比也是较为优异的。

2.6 摩擦因子

摩擦因子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。摩擦因子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。包装机运转过程中，一般要求薄膜内层摩擦因子比较小，但不能过小，否则可能引起制袋成型时叠料不稳定而产生错边；而薄膜外层与包装机拖动金属面时摩擦因子需适中，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[2]。

1#、2#、3#样品的摩擦因子分别为0.46,0.41,0.49。2#进口样品的优点在于其静摩擦因子很低，包装机器运行速度能保持优势，但是客户在应用过程中，出现了堆叠错位以及运转打滑等问题，而3#样品则影响了生产效率。上海石化使用了适当的添加剂并调整了工艺，使得1#样品的摩擦因子稳定在一个适当的数值。

2.7 耐环境应力开裂性能

环境应力开裂指由低于塑料短时机械强度的各种应力引起的塑料内部或外部的开裂。这类开裂常常受所处环境的影响而加速发展，存在于外部或内部的应力或两种应力的共同作用可以引起开裂。聚乙烯的环境应力开裂机理一般认为，在应力作用下，聚乙烯的非晶区存在一些微小的空洞和缺陷，它可以吸收环境试剂并造成内压力，此压力引起球晶间连接分子重排，诱发银纹，最终导致开裂，并认为在防止环境应力开裂过程中，晶片间连接分子起到了关键作用[3]。

1#、2#、3#样品的环境应力开裂时间见表5。

表5 各样品环境应力开裂比较

从表5可以看出：1#样品的耐环境应力开裂性能非常优异，决定了产品使用的环境多样性和时效性，能很好地应对所处环境影响而产生的应力开裂问题，提高了产品使用寿命。

3 结论

(1)1#样品的断裂标称应变和拉伸断裂应力相对较好，韧性性能尤为突出，有利于解决提拉、撕拉、撞击等外力造成的穿刺损伤问题。

(2)2#样品摩擦力低的优点突出，但是存在堆叠和打滑的问题，1#样品在保证生产效率的同时，也规避了进口样品的缺点。

(3)1#样品的耐环境应力开裂性能优异，能很好地应对所处环境影响而产生的应力开裂问题，提高了产品使用寿命。

(4)对流动性能、韧性、摩擦力以及耐环境应力开裂各项性能进行综合分析，并考虑到客户在生产过程中出现的各种问题，1#产品的综合性能较优，能很好地应用在重包装袋、内衬袋、农业及建筑用膜、工业用及食品用高收缩膜等各种领域。