获得塑料薄膜最佳热合条件的研究探讨

冯利军

（西南技术工程研究所，重庆，400039）

获得塑料薄膜最佳热合条件的研究探讨

冯利军

（西南技术工程研究所，重庆，400039）

本文研究了塑料薄膜热合强度的影响因素。首先，从微观的角度分析了温度、压力对薄膜分子间作用力的作用效果。分析表明合适的温度范围、压力及适当的热合时间可减小薄膜不同分子链段间距离，分子间作用力增强，分子链段之间相互缠绕，最终使薄膜热合层熔合。进而，以温度为例，探讨了通过检测在单一影响因素变化的条件下获得的薄膜热合层，分析试验数据，模拟建立该因素与热合强度间的关系式，求得最佳热合条件的研究方法。

塑料薄膜；热合强度；最佳热合条件

塑料薄膜在整个塑料包装材料中具有十分重要的地位，是塑料包装材料中使用最为广泛的一种。塑料薄膜制品已经广泛地应用于日常生活的各个领域，其中，塑料薄膜包装袋已成为一种主要的薄膜包装制品。

塑料薄膜包装袋是塑料薄膜经过热合加工而制成。热合是利用电加热、高频加热或超声波等方式对薄膜热合部位进行处理，使其变为熔融粘流状态，并在该部分施加一定的外力，使热合部位的两层薄膜熔合在一起达到一定强度的一种封合方式。薄膜特性不同，适用的热封合方法也不同，例如超声波封合和高频热封合更适用于易热变形的薄膜，然而最常用的热封合方法还是普通热压封合法。密封良好的塑料薄膜包装袋对内装物具有重要的保护作用，因而热合强度是塑料包装袋物理性能中的一项重要指标。本文分析影响塑料薄膜热合强度的因素，介绍了热合强度检测方法，并根据测试数据模拟建立数学方程进行分析，以获得最佳的热合条件，达到最佳热合强度。

1 影响塑料薄膜热合强度的因素

热合是热与力共同作用的结果。热作用加速了分子的热运动，分子链段被激发，随着热作用的增强，分子链热运动愈发强烈，塑料热合层进入熔融状态。分子热运动使分子链段之间相互扩散，相互渗透；在力作用下，熔融状态下的分子链段发生形变，相互接近，分子链间间隙减小。随着热合表面分子链段之间的相互扩散和渗透，不同链段分子间距离减小，分子间作用力（包括静电力、诱导力和色散力）增强 [1]，分子链段之间相互缠绕，最终使薄膜热合层之间相互熔合。

1.1 温度

塑料薄膜没有固定的熔点，只是存在一个熔融温度范围，即在固相与液相的转换之间存在一个温度区域，当温度达到此范围，薄膜进入到粘流态[2]。薄膜转变为粘流态的温度为热合温度范围的下限，薄膜的分解温度为热合温度范围的上限，上下限温度的差值大小反映了塑料薄膜材料热合程度的难易。差值越大，热合温度范围越宽，热合性能越好。图1所示为线性聚合物在恒定应力下的形变-温度曲线，D区域对应的温度范围就是薄膜的热合温度。

图1 线性聚合物在恒定应力下的形变-温度曲线A—玻璃态 B—过渡区 C—高弹态（橡胶态） D—粘流态（流动区）Tx—脆化点 Tg—玻璃花温度 Tf—流动温度 Td—分解温度

合适的热合温度可使薄膜热合部位达到一个比较理想的熔融状态。热合温度比较低时，薄膜分子链难以进入到理想的粘流态，热合层表面分子链之间难以完全熔合，同时热合部位被融化的参与热合的薄膜厚度比较薄，最终可能造成热合不牢，热合强度较低；热合温度比较高时，薄膜表面容易被烫化，热合强度下降。

不同薄膜材料的熔融温度都各不相同。高聚物高分子链的远程结构即高聚物高分子链段的构象，高分子链段的柔顺性和高分子链段的内旋转阻力等决定了高聚物的熔融温度[3]。一般来讲，高分子链段短，分子链柔顺性好，分子链内旋转阻力小的高聚物，熔融温度低，其热合需求温度也相对低。反之，高分子链段长，分子链柔顺性差，分子链内旋转阻力大的高聚物，熔融温度高，其热合温度也相对高。

1.2 压力

压力的作用是使处于熔融状态的薄膜熔合界面之间产生高分子链段的相互扩散，相互渗透，也促使薄膜表面的气体逸出，高分子链段的形变使分子链相互接近，分子链间间隙减小，分子间产生相互作用力。热合压力作为促使分子运动的外力，其实质上是更多地抵消掉分子链段与外力施加方向相反方向的热运动，促使分子运动取向更有序，沿着外力方向，提高了分子链段跃迁的几率，使分子链重心发生位移，促使分子链运动。

热合压力过低，会导致薄膜间难以实现真正的贴合和互熔，易导致局部热合不上或难以消除热合层中的空气而造成热合不牢固；热合压力过高，可能会造成处于熔融材料被挤出的现象，挤走了部分热合材料，使热合缝边出现半切断状态，降低了热合强度。

不同薄膜材料的热合压力因材质的不同，薄膜厚度的不同，热合宽度的不同等因素影响而不同。热封压力值上限的控制应以不损伤薄膜热合部位为宜。

1.3 时间

热合时间是指薄膜停留在热封块下的时间。相同的热合温度和压力下，热合时间越长，外力作用时间也就越长，分子链段流动性增强，有助于热合层熔融更充分，结合更牢固。但热合时间过长，容易造成塑料薄膜表面被烫化，造成热合界面密封性能下降，热合强度下降。

不同的薄膜材料厚度也对热合强度有着影响，薄膜越厚，热合层要达到的相应热合温度所需要的时间就越长。可以通过提高热合温度和热合压力来调整，减短热合时间亦达到同样的热合强度效果。

2 塑料薄膜热合强度的检测

在实验室进行热合强度试验时，通常使用热封试验机和万能试验机共同完成。通过对设定条件下获得的薄膜试样热合强度的检测，对测试数据进行分析，以获得最佳的热合条件，达到最佳热合强度。

2.1 设备

在进行热合强度测试时，先用热封试验机制作热合试样，然后在万能材料试验机上检测试样的热合强度。

2.1.1BCL型热封试验机

实验室用BCL型热封试验机为热压封口模式，可控制和调节热合温度、压力及时间。温度调节范围0～400℃，压力调节范围0～400kN/m2。

2.1.2 万能试验机

万能试验机为QJ-211型，测量精度为0.01N，试验速度0～500mm/min，测试压力范围（0～500）N。

2.2 试验方法

2.2.1 薄膜的热封合

选取PE薄膜（厚度：0.10mm），裁成合适的宽度（BCL型热封试验机试样宽度要求小于30mm）。要求热合压力：200 kN/m2，热合时间：0.8s，选定五个热合温度：110℃、120℃、130℃、140℃、150℃，分别制备出五种不同热合温度下的薄膜热合样品。

2.2.2 薄膜热合强度的检测[4]

检测依据：QB/T 2358-1998

试样尺寸：宽度为15±0.1mm，展开长度为100±1mm的长条形试样

预处理条件：23℃±1℃，50%RH±5%RH，处理时间≥4h

试验速度：300mm/min

夹具间距离：50mm

试验方法：将经过状态调节后的试样，以热合部位为中心，打开呈180°，把试样的两端分别夹在上下夹具上，试样条的中心线应该与上下夹具的中心线重合，并要求松紧适宜，以防止试样条在拉伸过程中从夹具中滑落或断裂在夹具内。开始进行测试，上夹具夹持试样条上端，在移动横梁的带动下匀速上升，试样条在上下夹具间发生拉伸形变至试样条发生开裂，此时的强度值为热合强度值。

数据记录：测试结束，观察试样条开裂位置，试样条在热合层被分开，则测试值为热合强度的真实值；若试样条不是在热合层被分开，而是在其余未热合部位开裂，则试样条真实的热合强度应该比测试值稍高一些。测试结果取10个试样条的热合强度算术平均值，单位N/15mm，取三位有效数字。

3 测试数据的分析

对5个不同热合温度下制备的热合样品进行热合强度的检测，其检测结果见表1：

表1 热合样品的热合强度

根据五组试验数据画出热合强度的变化曲线，见图1。根据曲线分析不同温度与热合强度的关系。压力和热合时间数据。

图2 不同热合温度的热合薄膜其热合强度的变化曲线

4 总结

塑料本身的性能决定了其热合的难易程度。对于可热封的塑料薄膜，热合时的热合温度、热合压力及热合时间均会对热合强度产生一定的影响。分析表明温度激发了分子链的热运动，压力作用使得分子链段发生形变，分子间距减小，分子链排列更整齐。随着热合层之间分子链段之间的相互扩散和渗透，不同链段分子间距离减小，分子间作用力增强，分子链段之间相互缠绕，最终使薄膜热合层之间牢固的结合。但薄膜热合强度与温度、压力及热合时间并不简单地呈现直线关系，各个因素对于热合强度的影响趋势需要通过在固定其他因素，单一因素变化的条件下进行分析，最终取得各个最佳的热合条件，获得最优热合强度。

图2显示的热合温度和热合强度曲线图类似于二元二次方程曲线的一部分，以热合温度为变量x，热合强度为变量y，按热合温度和热合强度曲线模拟建立数学方程：

将表1中的热合温度值和热合强度值带入方程式(1)求解，得

a = - 0.007

b = 2

c = - 120

把a、b、c带入数学数学方程式(1)，则

根据二元二次方程曲线特性，y值在曲线上有最大值和相对应的x值。即为曲线顶点坐标值，求解顶点坐标：

顶点坐标为x = - b/2a ≈ 142.9，此值即为该PE薄膜获得最佳热合强度的温度值。

热合压力、热合时间对热合强度的影响也可以通过在其他因素不变，规律性地变化某一因素获得热合层，再通过热合强度的检测获得可靠的数据，分析实验数据，寻找该因素与和热合强度之间的关系，分析其中的规律，最终获得取得最佳热合强度的相应热合

Study on the Optimal Conditions of the Heat Gain of Plastic Film

FENG Li-jun

This paper studies the factors affecting the heat sealing strength of plastic film. Firstly, the effect of temperature and pressure on the intermolecular force is analyzed from the microscopic point of view. Analysis shows that the distance appropriate temperature range, pressure and moderate heat time can reduce the film between different molecular chains, enhanced intermolecular forces, intertwined between molecular chains, the film heat sealing layer. Then, taking the temperature as an example, discusses the film heat sealing layer through the detection in single factor changes under the influence of the simulation analysis of the test data, setting up the relation of the factors and the joint strength between the research methods to obtain the optimum conditions of heat.

the best condition of plastic film; heat seal; strength

TS206

A

1400 (2017) 01-0033-04

10.19362/j.cnki.cn10-1400/tb.2017.01.002

冯利军（1980—），男，硕士研究生，工程师，主要研究方向为高分子物理与化学。