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表面黏合力的量度

大多數薄膜加工步驟會在原來的薄膜中添加另一種材料,從而改善最終結構或為最終結構帶來新的特性。塑膠薄膜與油墨、塗層等材料牢固黏附的能力至關重要。為了瞭解如何實現、測量和控制這種黏合力,有必要對這一特性進行基本瞭解。

塑膠的黏合力

黏附的第一個原理是兩個接觸表面之間始終存在吸引力。吸引力來自分子內的電子排布,電子排布在一個點的某個部分會形成主要是負電性的環境,而在另一個部分會產生相應的正電性環境。這些分開的正電性和負電性的局部區域稱為偶極子。像磁鐵一樣,一個偶極子的正端會吸引另一個偶極子的負端。對於所有分子而言,這種效應至少會在瞬間發生,因為在所有隨時間發生的電子排布當中,有一些會產生瞬態偶極子。雖然這似乎是很小的效應,但一克材料中的分子數大於102°,因此累積效應很大,足以解釋聚乙烯和聚丙烯等所有烴類聚合物的黏合力。

當氧和氮原子等其他元素是聚合物分子的組成部分時,所涉及的化學鍵是永久的偶極子。這些偶極子對其他分子中的偶極子產生了巨大的額外吸引力。此外,與這些偶極子相關的電場還可以感應其他分子中的瞬態偶極子屬性,進而產生吸引力。最後,當某些形式的氧和氮鍵位於某些氫原子附近時,會發生特別強的吸引力,稱為氫鍵結合。

儘管該鍵的強度僅為碳氫鍵的 5%至10%,但仍然是缺少化學鍵的聚合物之間最強的黏合力類型。容易形成氫鍵的基團包括碳-氧(羰基)、碳-氮(氰化物)和碳-氯基團。有容易參與這些氫鍵的氫原子的基團包括氧-氫(醇)和氮-氫(胺)基團。正如在下文各部分中將看到的那樣,為了增加黏合性而對塑膠膜進行的改性包括通過一些處理或通過塗層將這些偶極或氫鍵合點引到表面。

假定所有聚合物分子之間都存在某種吸引力,接下來要考慮的是如何使這些吸引力最大化。兩個平坦表面之間的吸引力隨著表面之間距離三次冪而減弱。因此,即使一個結合面的全部吸引力是一個表面的所有分子與另一個表面的所有分子之間吸引力的總和,只有非常靠近結合面的相互作用才會明顯加強結合面的黏合。從實際的角度來看,這意味著非常緊密的接觸(通常是液體接觸)是必不可少的。實際上,實現最大鍵合的理想結合面是一種可以使擴散在結合面上發生以及一個表面的聚合物分子可以與另一個表面的聚合物分子相互混合的結合面。理想的結合面還遵循空氣、油或污垢等任何干擾層必須清除的規則。

塑膠黏合力測量

為了確定前述因素的任何組合在兩個表面之間實現黏合時的有效性,必須測量黏合力。對於兩個固體塊而言,只需要確定直接將將固體塊拉開需要的力(垂直於結合面平面施加的力)或剪切力(平行於結合面施加的力)。對於塑膠薄膜而言,由於薄膜薄而柔韌,因此測量更為複雜。例如,要測量熱封到另一薄膜的薄膜的黏合性,可以將一個固體塊黏附在該結構的每個相對表面上。如果薄膜表面黏附到固體塊的力大大超過了薄膜之間的黏合力,則測得的力大約是薄膜之間的黏合力。要準確測量吸引力,需要糾正使各塑膠層變形的該部分作用力。通過精確控制條件和分別測量變形,區分這些情況是可能的。但實際上,只測量要分開的總作用力,因為對於大多數包裝應用而言,這實際上非常重要。因此,為了最大程度地提高黏合強度,通常會採用可以提高可變形性的塑膠薄膜膠黏劑配方。

除了通過變形吸收能量的能力外,與許多其他固體材料相比,塑膠還具有有助於實現高水準黏合的優點。由於大多數塑膠可以熔融,將兩個液體表面結合在一起(例如在熱擴展時)以獲得最大接觸以及消除空氣層是可能的。如果它們與液體相容,則可以將其他表面污染物吸收到液體中。

或者,如在熔融塗覆的情況下,可以使液體與固體表面接觸。最後,對於高熔點聚合物而言,將塗覆聚合物溶解到溶劑中或將其分散在水中通常是可能的。

在商業環境中,使用兩個固體塊模組測量兩個塑膠薄膜之間的黏合力是不現實的,此外,測量無法準確模擬薄膜應用中的作用力。

由於剝離力隨剝離角度的變化而變化,因此,確保熱封與分離薄膜之間的角度可以重現非常重要。測量剝離力的另一個重要方面是,即使小心控制剝離速度,剝離力也不能保持恒定。相反,由於結合面凹凸的隨機性,剝離力會以黏滑的方式急劇波動。剝離力通常表示為這些通常變化很大的數值的平均值。

同樣令人感興趣的是薄塗層(例如,印刷油墨或阻隔塗層)與薄膜基材之間的黏合力。在這裡,將第二層薄膜黏附至有塗層的表面,然後如上所述將兩層薄膜剝離。該第二層薄膜通常是壓敏膠帶,而且對於許多應用而言,如果塗層對基材的黏合力超過了塗層對膠帶的黏合力,則視為塗層對基材的黏合力足夠。

不管是剝離兩層熱封薄膜,還是將壓敏膠帶與塗層薄膜剝離,到目前為止都假定是由於薄膜/薄膜或塗層/薄膜結合面的破裂而發生剝離。但實際上也存在薄膜或塗層內的黏合失效的情況。因此,確定拉開的兩個表面的同一性至關重要。

表層內層剝離結果
基膜塗層塗層和基膜之間徹底分離,最薄弱的環節是兩者之間的黏合力。
塗層塗層塗層中存在黏合失效 (即:塗層在施加的作用力下很容易變形,以致超過其黏合強度而破裂)。
基膜基膜基膜會發生黏合失效。由於厚度方向上的強度大大降低,這種情況有時候會在定向薄膜中發生。這些區別指向必須進行改進以提高黏合力的領域。