眾所周知, 在塑料制品當中添加填料, 對塑料制品的性能影響有利也有弊, 優(yōu)化設(shè)計填料的添加量, 有助于加工廠節(jié)省樹脂,降低成本費用,以實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量和效益最大化。如今, 加有填料的襯衣包裝袋以及桶裝內(nèi)襯薄膜已經(jīng)司空見慣。據(jù)美國Omva公司技術(shù)服務(wù)部經(jīng)理AllenGuy 的估計, 在過去的2 年內(nèi), 由于樹脂材料價格增高, 薄膜加工廠的利潤微薄,有多家企業(yè)已在薄膜生產(chǎn)過程中添加了約10%的碳酸鈣填料, 部分企業(yè)把填料的添加量擴大至15%～20%, 也制得質(zhì)量優(yōu)良的薄膜產(chǎn)品。
  
    加工吹塑薄膜袋時填料的理論添加量上限可至30%, 但這一條件下要求廠家所使用的原材料是100%的純新樹脂, 事實上并非完全如此。美國吹塑薄膜加工廠-Touchpoint 公司總裁Paul Waller 指出,人們希望能在薄膜加工過程中添加25%的填料,以此降低成本, 但是卻又擔(dān)心會降低薄膜的拉伸強度, 故填料添加量方面沒有太大的突破。

    有一些非制袋用途的薄膜產(chǎn)品最高含有30%的填料,其產(chǎn)品性能要比制袋薄膜的性能指標要低。含有40%～50%碳酸鈣填料的拉伸取向薄膜以及衛(wèi)生保健用的無菌型吹塑薄膜,目的是為了使薄膜具有透氣特性。在歐洲塑料加工工業(yè)領(lǐng)域, 企業(yè)在加工用于包裹油粘性奶油的吹塑薄膜時, 通常添加的碳酸鈣份量達60%,但這種薄膜所使用的是精細填料, 填料的價格要高出普通品級填料價格達2～3 倍。Her itage 公司加工HDPE吹塑薄膜添加8%～15%的碳酸鈣, LLDPE吹塑薄膜添加量為14%～20%。
                
    1 填沖母料的改進
                
    有80%的碳酸鈣母料采用了通用級LLDPE 作為載體樹脂,Bayshore工業(yè)公司是美國最大規(guī)模的薄膜級碳酸鈣母料生產(chǎn)供應(yīng)商之一, 于1990年代末開發(fā)出BI 113牌號填料母料,該牌號母料采用了熔融指數(shù)為1～2g/ 10min 的LLDPE 作為載體樹脂,取代原先用的熔融指數(shù)為10～20的通用級樹脂。據(jù)Omva 公司的檢測報告顯示, 選用的LLDPE 載體樹脂熔融指數(shù)介于0. 9～1. 5 g/ 10 min 之間時,即更接近于薄膜袋的基體樹脂HDPE 的0. 7 g/ 10 min, 有利改善最終薄膜制品的物理機械性能。Omva 公司技術(shù)服務(wù)部經(jīng)理MichaelRousse 稱, 母料載體樹脂與薄膜基體樹脂的分子量相匹配的話,就有可能添加入最大份量的填料。然而, 美國另一家最大型的薄膜級碳酸鈣填充母料制造商Her itage公司卻是利用高熔融指數(shù)的載體樹脂,進行加工80%的礦物型母料。
                
    母料加工行業(yè)內(nèi)所取得的最新、最大的技術(shù)成果來自于Omva 公司和Imerys 公司, 這2 家企業(yè)都開發(fā)出薄膜級填沖母料新品級,均具有顆粒分布范圍窄、特定的表面涂覆等特性。Omva 公司選用了具有明藍色調(diào)的礦物沉積物用于加工薄膜填充母料。在北美地區(qū),通常選用大理石作為薄膜級碳酸鈣填料來源, 世界上其他地方則多選用白堊土、石灰石、大理石等。3種礦物的化學(xué)特性相同,但白堊土、石灰石的地質(zhì)年代較近,用于加工母料之前必需經(jīng)過預(yù)處理,以除去所含的濕氣。用于加工塑料袋的碳酸鈣顆粒尺寸應(yīng)該介于1～2 微米, 并需加入1%～2%的硬脂酸進行偶聯(lián)處理, 使其成為親水性, 從而使得PE薄膜中不含水分, 碳酸鈣顆粒分散容易。
      
    對于農(nóng)用薄膜和防水雨衣等較厚的薄膜而言, 可選用最大直徑為3微米的中等尺寸顆粒碳酸鈣。較大顆粒填料無需經(jīng)表面預(yù)處理除濕工序,可降低加工成本。另外, 含有較大顆粒填料的薄膜容易被刮擦、破損。分隔薄膜就是利用這種薄膜特性的一種特定用途薄膜,如襯墊在船用拋光鋁片材上的分隔薄膜, 實際上鋁材被薄膜刮擦拋光。而農(nóng)用薄膜上添加碳酸鈣受到限制,因為容易引起熱降解。薄膜級填充母料的碳酸鈣含量應(yīng)為70%～80%左右。
                
    2 填料對薄膜性能的影響
                
    碳酸鈣對塑料袋性能的影響, 主要體現(xiàn)在樹脂特性、膜厚、著色等方面。由于填充薄膜增加了密度, 同樣膜厚的塑料袋重量加大,即相同重量薄膜的數(shù)量減少,從而限制了碳酸鈣在薄膜上的應(yīng)用范圍。碳酸鈣可提高塑料薄膜的物理機械性能、耐熱性能、提高尺寸穩(wěn)定性、散光性、抗擦傷性、平滑度;同時對缺口抗沖擊強度的增韌效果及混煉過程中的粘流性等方面都具有明顯的效果。碳酸鈣還降低了薄膜的光澤度和透明度,不適用于加工高端的光亮醫(yī)用塑料袋或者透明塑料袋, 共擠加工工藝可提高填充型薄膜的光澤度。
                
    就碳酸鈣的添加份量而言,LLDPE 薄膜大于高分子量HDPE 薄膜, 較厚型薄膜大于較薄型薄膜。如Her itage公司的薄膜袋加工廠在LLDPE 塑料袋中加入了14%～20%的碳酸鈣, 在高分子量HDPE薄膜袋中只添加8%～15%。根據(jù)薄膜袋的使用性能要求, 部分品級的LLDPE 塑料袋中還可加大碳酸鈣的添加份量。Her itage公司介紹稱,通過合理的優(yōu)化設(shè)計,結(jié)合基體樹脂牌號、吹漲比、填料份量等因素,可在不損失拉伸屈服強度的前提下,加工得到具有更高落鏢沖擊強度的薄膜產(chǎn)品。
                
    碳酸鈣的份量對薄膜拉伸屈服強度的關(guān)系影響很大, 食品包裝袋和垃圾袋都規(guī)定有指標限制。在加工丁烯- LLDPE 薄膜時,添加5%的碳酸鈣可改善薄膜縱向和橫向的拉伸屈服強度, 若添加份量達到20%時,則得到的薄膜拉伸屈服強度與完全用純新樹脂加工出薄膜的拉伸屈服強度相當。對于辛烯和己烯LLDPE 樹脂來說, 碳酸鈣的最佳添加量是5%,最大量為20%稍高一點。
    
    另外, 碳酸鈣添加份量對LLDPE 薄膜的性能影響如下:

    耐穿刺強度和耐撕裂強度在高填充量時得到改善,耐氣候特性則在低填充量時較高,碳酸鈣含量介于11%～25%時,落鏢沖擊強度優(yōu)于純新樹脂制薄膜。
      
    不同類型的樹脂, 在高填充份量時, 薄膜的落鏢沖擊強度均可以得到顯著提高。如15 微米厚的丁烯共聚LLDPE薄膜的落鏢沖擊讀數(shù)為100克, 稍高于未填充型薄膜的75 克;己烯共聚LLDPE 薄膜在未填充時的讀數(shù)為150 克,添加了20%的碳酸鈣后, 薄膜的落鏢沖擊讀數(shù)大幅提升至500 克; 同樣, 辛烯共聚LLDPE 薄膜的對比讀數(shù)也從200 克增至500克。
                
    3 填料對薄膜產(chǎn)量的影響
              
    碳酸鈣的密度為2. 71g/ m3, PE樹脂的密度介于0. 92～0. 97g/ m3 之間, 前者是后者的3倍左右。由此可知, 加工吹塑薄膜添加了碳酸鈣后,對以千克/ 小時為產(chǎn)量計算單位有增加的影響。如果以米/ 小時為產(chǎn)量計算單位,同樣具有產(chǎn)量增大的效應(yīng),這是因為碳酸鈣的熱傳導(dǎo)系數(shù)是PE樹脂熱傳導(dǎo)系數(shù)的5 倍, 其加熱、冷卻的速度都快于PE 樹脂, 因此,含碳酸鈣的混料熔體熔融塑化及冷卻速率都快于未填充的純樹脂熔體�？梢哉f, 每增加1%的填料份量, 即可提高1%的生產(chǎn)線速率。冷卻速率更快, 也意味著吹膜時的霜白線較低, 膜泡更為穩(wěn)定, 膜泡穩(wěn)定性是困擾LLDPE薄膜加工廠取得高生產(chǎn)率的一大問題。采用溝面喂料式擠出機的生產(chǎn)率要高于標準型光滑機筒擠出機的生產(chǎn)率,這是因為溝面喂料的速度更快、熔體塑化構(gòu)建起機頭壓力更早的緣故。
                
    據(jù)Her itage 公司報道, 不同共聚單體的LLDPE 樹脂中填料對產(chǎn)量的影響力也各不相同,同樣在添加20%份量碳酸鈣的情況下, 己烯共聚樹脂可增加的產(chǎn)量幅度達22%, 辛烯共聚樹脂可增加39%, 丁烯共聚樹脂的增產(chǎn)幅度最大,達到47%, 其中又以對己烯共聚樹脂的性能改善為最好。添加10%～20%的填料后, 同等時間內(nèi)通過擠出機塑化段的樹脂就會減小10%～20%,可在較低的熔體壓力、較低的馬達電流強度和較高的螺桿轉(zhuǎn)速下進行加工生產(chǎn), 在提高生產(chǎn)率的同時節(jié)省能耗。

    如加工高分子量HDPE 薄膜時,將碳酸鈣的添加份量從10%提高至20%, 螺桿轉(zhuǎn)速可增大, 可維持原來的馬達電流強度,甚至降低, 在這個添加量范圍內(nèi), 螺桿轉(zhuǎn)速可恒定在70～115 rpm。對于經(jīng)營高速印刷和高速制袋生產(chǎn)線的加工廠來說, 填料添加份量增大, 可加大設(shè)備的運轉(zhuǎn)速度,這是因為碳酸鈣可提高膜厚的均勻平整。另外, 還可提高HDPE 薄膜的摩擦系數(shù), 方便塑料袋堆疊。
                
    4 有利于節(jié)省助劑
                
    在薄膜的加工配方中, 增加碳酸鈣填料份量可以減小潤滑劑、防粘連劑、著色劑等助劑的添加量, 進而削減成本。削減潤滑劑的添加份量,可降低生產(chǎn)環(huán)境中存在的灰藍霧度和灰塵, 改善周圍大氣環(huán)境, 至于削減多少份量, 則需根據(jù)薄膜的厚度及其用途而定。
                
    如薄膜制品中含高份量的碳酸鈣, 有可能不用再加防粘連劑。不用防粘連劑而要求LLDPE 塑料袋開口容易的前提下,碳酸鈣的理想添加份量分別為: 辛烯LLDPE 為5%或更多, 己烯是10%以上。碳酸鈣本身呈亮白色, 在HDPE薄膜當中添加7%～10%的碳酸鈣, 即則可減小大約25%的鈦白粉添加份量。在某些著色配方中,使用碳酸鈣填料則有可能需添加更多的顏料進行著色, 如在加工醫(yī)用垃圾桶內(nèi)的紅色塑料襯袋時, 配方中含有碳酸鈣就會使薄膜變成粉紅色,由此需把紅色顏料的份量加大, 或者制成暗紅色, 以遮蓋碳酸鈣的白色。
              
    5 對加工設(shè)備的改進要求
                
    添加使用碳酸鈣填料除了助劑喂料裝置之外, 無需對薄膜生產(chǎn)線的其他任何設(shè)備進行設(shè)計改良。螺桿的損耗幾率會有所加大,如果填料份量處于低水平, 則螺桿的損耗程度不會太嚴重。碳酸鈣屬中等程度的磨耗性填料, 其莫斯硬度值為3, 相對于硅藻土的莫斯硬度值7和鈦白粉的5. 5,磨耗性遠低于防粘連劑( 硅藻土) 和鈦白粉等。

    部分薄膜加工廠表示說, 在添加了10%～15%的填料后, 設(shè)備磨損率加快, 而有些廠家卻說沒有。Her -itage公司的Ruiz 先生對此表示說,有效的解決方法是對口模進行輕度的清洗, 該公司用各占50%比例的碳酸鈣母料和純PE樹脂作為清洗劑。吹塑設(shè)備制造供應(yīng)商認為, 添加高份量的填料要求選用更大的螺桿長徑比( 25～30∶1) ,以及屏障型螺桿,以求達到更佳的混煉效果。美國Alpine 公司總裁David Nunes 稱,有部分HDPE薄膜加工廠已開始按上述方法做, 其實是沒有必要的。添加碳酸鈣可獲得更快速的加熱和冷卻速度,意味著塑料袋封口可在較低溫度下進行。碳酸鈣的油墨粘附性好, 填充薄膜無需經(jīng)過電暈處理,即可進行簡單的印制圖案工序,用來檢測印墨附著力的斯柯奇膠帶試驗也可免去。