工学软包装复合技术

软包装复合技术张治国浙江科技学院22023/9/2回顾产品的极大丰富决定了包装的极大丰富；产品的巨大差别决定了对包装的要求也是千差万别，包装材料的性能要求也随之不同；总的趋势是产品愈来愈丰富，对包装的要求愈来愈多，愈来愈苛刻，因此要求开发愈来愈多，性能愈来愈好的包装材料。浙江科技学院32023/9/2回顾包装材料的发展充分反映了学科发展趋势。包装材料经历了由传统用纸、木、金属、玻璃等材料到全新塑料的过程。单一材料成本较低，但性能过于单一，无法满足较多的功能需求。解决方案：复合材料浙江科技学院42023/9/2回顾包装纸、金属、木、玻璃等软包装塑料薄膜、纸张、金属箔等复合软包装复合薄膜材料浙江科技学院52023/9/2回顾复合原理复合材料复合设备复合工艺复合软包装纸、复合薄膜、金属箔等新型包装材料层合涂布共挤出界面相的作用复杂的物理化学作用复合设备挤出设备印刷设备浙江科技学院62023/9/2第二章软包装材料复合的理论基础软包装复合材料是由多种不同性质的复合基材通过科学的层次设计和一定工艺复合而成；如何更好地选择基材和胶黏剂、配置搭配基材、预处理基材等，制备生产和研发复合强度高、性能优良的软包装复合材料？复合原理研究对象：

如何才能使由两种或两种以上不同化学组分、不同性能的材料复合后的整体性能优于组分材料。浙江科技学院72023/9/2第一节界面与复合材料的界面复合材料：由两个或两个以上的独立的物理相，包括黏结材料(基体)和粒料、纤维或片状材料所组成的一种固体产物，称为复合材料。简单地说，复合材料就是用两种或两种以上不同性能，不同形态的组分材料，通过复合手段组合而成的一种多相材料。(GB/T3961-1993)“两个或两个以上的独立的物理相”界面是物相与物相之间的交界面。凡是不同相共存的体系，在相与相之间都存在着界面。浙江科技学院82023/9/2影响复合材料性能的因素(1)增强材料的性能。

(2)基体的性能。

(3)复合材料的结构及成型技术。

(4)复合材料中增强相和基体界面的结合状态，即界面层的性能。浙江科技学院92023/9/2界面与复合材料的界面界面规律的研究是复合材料的基础理论之一各组分材料以界面接触形式叠合成多层复合材料复合材料的各个相在界面上可以物理地分开，但通过微观结构层次上的分析研究，发现复合材料界面附近的增强相和基体相由于在复合时复杂的物理和化学原因，具有既不同于基体相，又不同于增强相组分本身的复杂结构。界面是复合材料组成的重要组成部分，它的结构与性能，以及黏合强度等因素，会对复合材料宏观性能产生影响。浙江科技学院102023/9/2界面与复合材料的界面界面，并非是一个没有厚度的理想几何面。实验已证明，两相交接的区域是一个具有相当厚度的界面层，即中间相，两相的接触会引起多种界面的效应，使界面层结构和性能不同于它两侧相邻的结构的性质。Helfand等由统计理论计算得到的界面层的厚度为几十纳米范围，S·Wu认为小于0.1微米，但KWei和Troslyanshava报道值在200纳米～2微米之间。

浙江科技学院112023/9/2界面与复合材料的界面各组分材料以界面接触形式叠合成多层复合材料，两相接触界面结构的相互作用，包括相应基团的化学反应在内，是界面层生成的基础复合材料的复合过程与两材料(基材)的界面形成过程几乎同时发生。浙江科技学院122023/9/2复合材料界面的形成阶段复合材料的两相一般总有一相以溶液或熔融流动状态与另一固相接触，然后进行固化反应，使两相结合在一起，软包装复合材料层合复合也是如此。①基体与增强材料的接触与浸润过程；

②增强材料与基体材料之间的“固化”阶段。浙江科技学院132023/9/2复合材料界面的形成阶段①基体与增强材料的接触与浸润过程：由于增强材料对基体分子的各种基团或基体中各组分的吸附能力不同，它能吸附那些能降低其表面能的基团或基体组分，并优先吸附那些能较多降低其表面能的基团或基体组分，因此，界面层在结构上与基体本体是不同的。浙江科技学院142023/9/2复合材料界面的形成阶段浙江科技学院152023/9/2复合材料界面的形成阶段②增强材料与基体材料之间的“固化”阶段：在此过程中增强材料与基体通过物理或化学反应而固化，形成固定的界面层。“固化”受第一阶段直接影响，同时它也直接决定所形成界面层的结构。固化反应可借助固化剂官能团反应来实现，在利用固化剂固化的过程中，固化剂所在位置是固化反应的中心，固化反应从中心以辐射状向四周扩展，最后形成中心密度大、边缘密度小的非均匀固化结构。浙江科技学院162023/9/2浸润从复合材料界面形成过程可知，复合材料基体(材)与增强(基材)材料要牢固地结合成一个整体，并且有足够的强度，必须要使材料在界面上形成能量的最低结合，即它们之间能相互浸润。所谓浸润，又称湿润，即把不同的液滴放到不同的固体表面上，有时液滴会立即铺展开来，遮盖固体的表面，这一现象称为浸润；有时液滴仍团聚成球状，这一现象称为“不浸润”或“浸润不好”。浙江科技学院172023/9/2浸润浙江科技学院182023/9/2浸润浙江科技学院192023/9/2浸润浙江科技学院202023/9/2浸润角θ液体对固体的浸润能力可以用浸润角θ来表示，当θ<90o时，称为浸润；

当θ>90o时，称为不浸润；当θ=0o，称为完全浸润；

当θ=180o时，完全不浸润。浙江科技学院212023/9/2浸润角液体浸润角的大小与固体表面张力、液体表面张力及固—液界面张力有关，它们与浸润角之间的关系如下：γSA=γSL+γLAconsθcosθ=(γSA-γSL)/γLA材料之间的湿润与材料之间表面张力有直接关系。浙江科技学院222023/9/2浸润改变表面张力，即能改变材料的润湿情况。固体表面的润湿性能与其结构有关，改变固体的表面状态，即改变其表面张力，就可以达到改变润湿情况的目的。进而改善材料的性能。对聚烯烃材料在复合或印刷之前进行表面处理，如电晕处理和化学处理等，均可以改变其表面状态和提高其表面的表面张力，使胶黏剂或油墨与基材间的润湿得到改善，提高复合材料的黏合强度和油墨的附着力等。浙江科技学院232023/9/2界面效应

复合材料的界面效应主要包括：1.物理效应

物理效应引起各组分之间互相浸润、扩散、结构网络互穿的变化。2．化学效应

化学效应导致界面上的化学反应，形成新的界面层结构。3．力学效应

力学效应引起界面上的应力分布。

浙江科技学院242023/9/2界面的作用机理界面是复合材料组成的重要组成部分，它的结构与性能，以及黏合强度等因素，会对复合材料宏观性能产生影响。界面结构通常具有很强的结合强度，是复合增效的基础和关键。为了解释界面复合过程和机理，学者们提出了多种理论和假设。已有的研究结果总结为以下几种理论，包括浸润吸附理论、化学键理论、扩散理论、电子静电理论、弱边界层理论、机械联结理论、变形层理论和优先吸附理论。浙江科技学院252023/9/21．吸附理论浸润吸附理论认为：复合材料基材与增强材料的复合黏结过程，增强体(黏合剂或熔融体另一基材)或基材分子借助布朗运动从增强体或基材溶液或熔融体中，移动到被粘物表面，再通过微布朗运动，逐渐向被粘体(基材)表面的极性基团靠近，对其进行浸润；当增强体与基材分子间距<0.5nm时，范德华力(包括取向力、诱导力和色散力)开始发生作用，从而形成偶极—偶极键、偶极—诱导偶极键、氢键等进行吸附作用。浙江科技学院262023/9/21．吸附理论浙江科技学院272023/9/21．吸附理论此理论认为黏合吸附力决定于次价键力，基材对增强体吸附作用越强烈，黏合强度越高，增强材料对基材的浸润性越好，黏合强度也越高。浸润吸附理论的局限性在于：增强体与基材之间不仅仅有分子间力的作用；黏合剂与被粘基材的吸附作用是以极性基团的相互作用为基础的，因而它不能解释某些非极性高分子化合物之间的黏合。浙江科技学院282023/9/22．化学键理论浙江科技学院292023/9/22．化学键理论该理论的主要观点是：增强体黏合剂或基材具有两类官能团，一类官能团在理论上能与基材或增强体黏合剂起化学反应；另一类官能团在理沦上能参与基材发生固化反应，形成化学键结合。该理论为复合技术的开展开拓了广阔的前景，使得以前不能相互复合的许多材料通过第三种媒介而复合在一起。这为复合材料适应各种需要创造了有利条件。但该理论不能解释不能形成化学键的复合体系。浙江科技学院302023/9/23．扩散理论Barodkuu提出了塑料高聚物基材之间相互复合黏合的扩散理论，其主要观点是：塑料基材之间的黏合作用与其自粘作用(同种分子间的扩散)一样，也是高聚物分子链及链段的相互扩散渗透引起的，形成相互交织的扩散层，由此而产生强大的黏结力。根据扩散理论，塑料基材聚合物之间互溶性对扩散起主要作用。扩散形成的界面层厚度主要决定于两种聚合物的混溶性。浙江科技学院312023/9/23．扩散理论两相之间需要良好的接触、浸润作用，才能进行有效的扩散形成扩散层。高分子链段的扩散能力、运动速度、复合温度等影响因素。挤出和共挤出等复合过程主要是扩散过程。浙江科技学院322023/9/24．电子静电理论Myagin提出了电子静电理论：黏合剂与基材可看成电容器的两个极板而构成一个电容器，相互接触而使电容器充电，形成双电层。黏合力相当于电容器分开时要抵抗的静电引力。双电层可通过一个相的极性基因在另一个相表面上定向吸附而产生，可由聚合物官能团的电子穿过相表面而形成。静电理论不能解释不能产生双电层的非极性物质的黏合，所以也具有一定局限性。浙江科技学院332023/9/25．机械联结理论机械联结理论是最早建立的黏合理论，这种理论认为黏合纯粹基于机械作用的结果。首先流动态(液态或熔态)黏合剂渗入被粘基材的空隙内，并填满凹凸不平的被粘物表面，然后在一定条件下黏合剂凝固或固化而被机械地镶嵌在孔隙中，于是便产生了犹如螺栓、钉子、钩子那样的机械结合力，黏合剂与被粘基材表面便通过互相咬合黏结。浙江科技学院342023/9/25．机械联结理论浙江科技学院352023/9/25．机械联结理论浙江科技学院362023/9/25．机械联结理论机械结合力主要取决于基材表面的多孔性、平整性等因素。机械联结理论对多孔性材料的黏合解释容易被人们接受，但它不能解释非多孔性的，表面十分光滑的某些物体(如玻璃)的黏合。机械理论是与其他黏合理论协同作用的。浙江科技学院372023/9/2第二节软包装复合材料复合过程复合原理在软包装中的应用。从复合材料的界面形成过程和界面的作用机理可知，基材与基材之间能否进行层合，加工生产成软包装复合材料，与基材的物理和化学性能直接相关，尤其与基材的表面微观结构及平整度，化学结构、组成等有关。软包装复合材料的黏结强度与基材的选择、黏合剂的选用及生产成型工艺有关。浙江科技学院382023/9/2复合的基本条件要得到黏结强度高、质量及性能优良的软包装复合材料，软包装基材必须具有以下基本条件。(1)具有适当的表面张力，使得黏合剂或另面进行良好的铺展浸润。

(2)具有一定的极性或含有某些极性官能团合剂或另一基材有较好的吸附作用。浙江科技学院392023/9/2软包装基材复合的基本条件(3)基材含有某些特定的官能团，使之能与黏合剂或另一基材形成较强作用的化学键。

(4)基材微观表面具有一定的粗糙性和多孔性，使得黏合剂或另一基材渗入空隙中并形成较强的机械结合力。

(5)对于塑料基材，其高分子链应具有较好的柔顺性使其在较高温度作用下，高分子链或链段具有很好的扩散作用能力。浙江科技学院402023/9/2黏合剂复合的基本条件作为软包装复合材料生产加工的辅助材料之一，黏合剂必须具备以下基本条件。

(1)具有良好的流动性，它能比较容易、均匀地分散在整个复合基材的表面，将表面凹凸部分填平，并在整个被粘物表面形成均匀的黏合剂薄层。

(2)具有良好的浸润性，流动态的黏合剂液滴与被粘固体表面接触时，完全浸润被粘基材表面。浙江科技学院412023/9/2黏合剂复合的基本条件(3)黏合剂与被粘基材之间具有较强的各种作用(主价力、范德华力、静电力和机械力等)而产生吸附引力，这就是形成牢固黏合的基本条件。(4)具有优良的固化性，涂敷在被粘基材的黏合剂要在尽可能短的时间内，通过物理或化学作用，使其固化，将被粘物牢固的连接在一起。浙江科技学院422023/9/2复合的基本条件根据复合原理，选择合适的基材和黏合剂，才能获得具有更好性能的软包装复合材料。浙江科技学院432023/9/2软包装基材复合机理过程软包装复合材料的基材复合黏合的机理过程非常复杂，基材与基材之间可能存在几种界面作用力，每一阶段以某一种或多种作用力为主。结合黏合过程，综合分析界面的作用机理，对软包装复合材料的层次进行科学的设计和科学的选择复合基材与复合方法具有重要的理论指导作用。浙江科技学院442023/9/2软包装复合材料的黏合过程

(1)基材的表面预处理。此过程主要包括基材表面的净化(水分的干燥、有机溶剂的挥发等)、表面物化结构与性能的处理(电晕处理、等离子处理、化学处理等)，该处理过程主要是改善基材表面的复合的基本条件，以增强黏合界面的作用力。

(2)涂布适量的黏合剂。黏合剂在涂胶辊的压力作用下铺展湿润基材，形成一层均匀黏合剂膜层。浙江科技学院452023/9/2软包装复合材料的黏合过程(3)黏合剂的扩散渗透。流动性好的黏合剂在机械力和布朗运动共同的作用下，扩散渗入基材，填满凹凸不平的被粘物微观粗糙的表面。(4)黏合剂的吸附成键。在浸润扩散后，黏合剂分子的极性基团与基材表面分子的极性基团进行较强的吸附生成次价键(范德华力、氢键等)。(5)化学成键。在一定温度下，黏合剂的某些官能团与基材官能团进行化学反应生成化学键结合。浙江科技学院462023/9/2软包装复合材料的黏合过程(6)固化熟化。黏合剂的溶剂在较高温度下进一步挥发，同时黏合剂分子进一步发生聚合固化反应·，并形成良好机械强度的粘结固化层。以上黏合过程没有明显的时间界限，有些几乎同时发生，但良好复合强度的软包装复合材料一般都需经历上述六个过程。

浙江科技学院472023/9/2软包装复合基材的黏合强度软包装复合基材之间层合的黏合强度是指基材黏合层单位面积的黏合力，用其来衡量黏合层对外界作用力的承受能力。黏合强度可用拉伸强度、剪切强度和剥离强度几个物理量来表示。软包装复合材料常采用测试其剪切强度和剥离强度的方法来检测其黏合强度。浙江科技学院482023/9/2软包装复合基材的黏合强度拉伸强度是指单位复合黏结面所能承受的与黏结面垂直的最大作用力，该作用力均匀分布整个黏结面。浙江科技学院492023/9/2软包装复合基材的黏合强度剪切强度是指单位复合黏结面所能承受的与黏结面平行的最大作用力，该作用力也均匀分布于黏结面上。剥离强度是指将单位复合黏结面剥离分开所需外界作的功。浙江科技学院502023/9/2影响黏合强度的因素(1)基材

软包装复合基材的物理化学性能，尤其是基材的表面微观结构及平整度、化学结构组成等直接影响其黏合强度。(2)黏合剂

黏合剂的各种性能指标(流动性、浸润性、固化成键能力等)同样直接影响黏合强度。一般，黏合强度随流动性、浸润性、固化成键能力增加而增加。浙江科技学院512023/9/2黏合剂对某些聚合物黏合剂，只有聚合度在一定范围内，才具有较好的黏合性，同时又具有一定的内聚力。黏合剂高分子化合物的分子结构(成键化学反应能力)与黏合性能的关系很大，含有极性基团的黏合剂对极性高分子材料的黏合性较大，而对非极性高分子材料的黏合性较小，即黏合剂与基材的性能相近，黏合强度越高。浙江科技学院522023/9/2黏合剂