Добавки, улучшающие скольжение, уменьшают трение между пленками, а также между пленками и оборудованием, тем самым они облегчают перемещение при реализации операций по переработке и упаковке, которые осуществляются ниже по технологической цепочке.

Добавки, улучшающие скольжение, управляют трением

Эффективность добавок, улучшающих скольжение, измеряется либо с точки зрения статики, либо с точки зрения кинетики. Коэффициент трения (COF) представляет собой безразмерное число, характеризующее сопротивление скольжению двух поверхностей, которые находятся в контакте друг с другом. COF равен силе, необходимой для проскальзывания одной поверхности относительно другой, деленной на силу, приложенную перпендикулярно контактирующим поверхностям.

COF = (сила, вызывающая скольжение пленочных поверхностей)/(масса перемещения)

ASTM D 1894-73 является стандартным испытанием для определения коэффициента трения пластмассовых пленок. В целом, значения коэффициента трения, превышающие 0.50, считаются указывающими на нескользкую поверхность, а значения менее 0.20 рассматриваются как поверхности с высокой способностью к скольжению, которые в значительной степени подвержены телескопическому складыванию рулонов.
 

Схематическое изображение измерения СOF
(Рисунок предоставлен: ExxonMobil Chemical)

Диапазон добавок, улучшающих скольжение, включает как традиционные амидные добавки, улучшающие скольжение, так и более современные немигрирующие марки, которые соответствуют требованиям к высоким эксплуатационным характеристикам при более высоких температурах, обеспечивают более высокую надежность и поддерживают стабильное значение коэффициента трения до ламинирования и после. Добавки, улучшающие скольжение, поставляются в виде рецептур маточных смесей, которые обеспечивают различные значения скорости диффузии, температуры конечного использования, созданы на основе различных основных смол и могут воспринимать различные типографские чернила.

 Амидные добавки, улучшающие скольжение на основе жирных кислот

Традиционные добавки, улучшающие скольжение, создаются на основе амидов жирных кислот, включая первичные амиды, вторичные амиды и бисамиды. Поскольку эти материалы не совсем растворимы в полимере, они мигрируют на поверхность пленки и образуют покрытие, которое уменьшает трение.  Важными факторами при выборе амидных добавок, снижающих скольжение, являются эффективность уменьшения коэффициента трения, температурная стабильность и скорость миграции.   На скорость миграции влияют выбор амида, выбор основного полимера, концентрация добавки, препятствующей скольжению, и температура применения. Все большее и большее значение приобретает термоокислительная стабильность, по мере того, как обработчики все чаще используют полимеры с более высокими температурами обработки. Окислительная деградация смазок может вызывать потерю способности к скольжению, потерю окраски и появление запаха. Амиды с более высокой тепловой стабильностью также менее летучи, и остаются в полимере даже при повышенных температурах обработки.

Первичные добавки, улучшающие скольжение: в число наиболее часто используемых добавок, улучшающих скольжение, входят олеамиды и эрукамиды, первичные ненасыщенные амиды с относительно небольшими молекулами, которые мигрируют с высокой скоростью через полимерные пленки и дают низкие значения коэффициента трения при низких концентрациях, они относительно недороги.  У эрукамида, произведенного из неживотных жиров, более высокая термическая стабильность по сравнению с олеамидом. При своих более высокой точке плавления и теплостойкости, важных свойствах для применений, в которых используются  более современные полимеры с более высокими температурами обработки, эрукамиды все больше вытесняют олеамид.

Вторичные и бисамидные добавки, улучшающие скольжение: такие амиды с более крупными молекулами обладают меньшей скоростью миграции по сравнению с первичными амидами, что облегчает управление коэффициентом трения; они могут использоваться в многослойных пленках для ограничения скользящего эффекта одним из слоев. Так, например, такие вторичные амиды, как олеил пальмитамид и стеарил эрукамид, будут мигрировать через поверхностный слой полипропиленового сополимера, но не будут мигрировать через основной слой из полипропиленового гомополимера. Вторичные амиды и бисамиды также менее летучи и обладают более высокой термической стабильностью, чем первичные амиды, что делает их полезными при создании полимерных применений и использовании технологий получения литой пленки с более высокими температурами. Они также обычно меньше мешают при реализации вторичных операций, таких как нанесение печати и герметизация по сравнению с первичными амидами.

Амидные добавки к полимерам, улучшающие скольжение, и взаимодействия добавок

На эксплуатационные характеристики амидных смазок влияет множество факторов:

• Концентрация добавки, улучшающей скольжение: скорость диффузии для данной добавки повышается с повышением концентрации в полимере.

• Тип смолы: миграция добавки проходит медленнее в кристаллических смолах, таких как полиэтилен высокой плотности (HDPE) и полипропилен (РР), нежели в полиэтилене низкой плотности (LDPE). Такие полярные смолы, как EVA (этилен винил ацетат), вступают во взаимодействие с функциональными группами добавок, замедляя их миграцию. При использовании высокоаморфных и липких полимеров, таких как металлоценовые LLDPE (линейные полиэтилены низкой плотности), необходимы более высокие концентрации таких добавок для получения того же коэффициента трения по сравнению со случаями использования менее липких и менее аморфных полимеров.

• Прочие добавки: поскольку антистатические и противовуалирующие вещества и прочие добавки мигрируют на поверхность пленки, они могут составить конкуренцию добавкам, улучшающим скольжение, во время диффузии и в рамках отдельных участков поверхности.  

• Обработка ниже по технологической цепочке: обработка коронным разрядом до нанесения печати делает поверхность более полярной за счет окисления полимера, она также позволяет выжигать поверхностную смазку и создавать градиент концентрации добавки.  В результате усиливается миграция добавки к обрабатываемой стороне и появляется возможность возникновения проблем при последующем нанесении печати.

• Натяжение при наматывании: добавка, улучшающая скольжение, мигрирует в туго намотанной пленке с меньшей скоростью по сравнению с пленкой, намотанной с меньшим натяжением рулона.

• Толщина пленки: в пленках с большей толщиной добавки дольше приходят в стабильное состояние, в то время как при использовании более тонких пленок необходимо добавление более высоких концентраций по сравнению с более толстыми пленками для получения того же самого коэффициента трения.

При оценке любой добавки, включая добавки, улучшающие скольжение, следует изучить рецептуру в целом для того, чтобы понять, какие могут возникнуть потенциальные взаимодействия, и оптимизировать концентрации добавок. На эксплуатационные характеристики амидных добавок, улучшающих скольжение, могут влиять технологические операции ниже по технологической цепочке, такие как адгезивное ламинирование, которое изменяет полярность пленки и убирает добавку с поверхности. Чрезмерное введение добавки, либо в результате неожиданных взаимодействий, либо в результате избыточных дозировок, может давать в результате порошкообразный осадок на направляющих и вытяжных вальцах, вызывать проблемы с нанесение печати, или 'влажное слипание', при котором избыток добавки делает поверхность очень гладкой, что позволяет слоям сливаться друг с другом. 

Немигрирующие добавки, улучшающие скольжение, и специальные рецептуры

Немигрирующие добавки, улучшающие скольжение, такие как силоксаны, имеют очень большие молекулы с молекулярной массой в 30 – 50 раз больше, чем у первичных и вторичных амидов.   Их большой размер не позволяет им осуществлять диффузию через полимерную матрицу, поэтому снижение коэффициента трения обеспечивается молекулами добавки, которые появляются на поверхности смолы во время экструзии. Такие материалы, улучшающие скольжение, используются в специальных применениях. Они дают немедленное снижение коэффициента трения, на который не оказывает никакого влияния длительное хранение или высокая температура применения. Поскольку коэффициент трения пленки данного типа изменяется после экструзии в минимальной степени, можно уменьшить затраты за счет добавления добавки, улучшающей скольжение, только к поверхностному слою многослойных пленок.  

Немигрирующие добавки, улучшающие скольжение, дают небольшое изменение CoF по истечении 62 дней
(Рисунок предоставлен: Ampacet Corporation)

Добавки, препятствующие слипанию слоев пленки

Слипание, адгезия соседних слоев пленки, может происходить в результате контакта под воздействием давления и/или теплоты. Оно может иметь место в процессе обработки, использования и/или хранения пленки. Из-за этого могут возникать проблемы при разматывании рулонов пленки, работе с пленкой, которая складывалась в кипы листами, или же при раскрывании пакета из пленки для осуществления расфасовки. Производители пленки преодолевают такое притяжение между слоями полиэтилена и полипропилена или других пленок путем добавления либо неорганических, либо органических веществ, препятствующих слипанию.   

Слипание: стремление двух слоев пленки прилипать друг к другу
(Рисунок предоставлен: Specialty Minerals Inc.)

Хотя слипание можно измерять на свежеизготовленной пленке прямо с вальцов, более воспроизводимые результаты можно получить за счет использования испытания "Вынужденного отлипания" ASTM D 3354, в ходе которого пленки разделяют, снова соединяют вместе и хранят при некотором давлении (6.9 кПа) и при определенной температур (40ºC или 60ºC) на протяжении 24 часов до испытания.

Схематическое изображение измерения отлипания
(Рисунок предоставлен: ExxonMobil Chemical)

Неорганические минеральные добавки, препятствующие слипанию, которые распределяются в виде частиц по всей пленки, могут стать причиной образования шероховатой поверхности на микроскопическом уровне, что препятствует слипанию находящихся рядом друг с другом слоев пленки. Неорганические добавки, препятствующие слипанию, включая тальк и двуокись кремния, используются повсеместно. Одним из недостатков неорганических добавок, препятствующих слипанию, является то, что эти частицы могут негативно влиять на прозрачность пленки. Можно также использовать органические добавки, препятствующие слипанию, включая амиды, стеараты, силиконы и политетрафторэтилен (PTFE), особенно, в высококлассных применениях. 

Рентабельные неорганические добавки, препятствующие слипанию

Неорганические добавки, препятствующие слипанию, относительно дешевы, и максимально широко применяются для производства крупносерийных товарных применений.  Тальк является наиболее широко используемой неорганической добавкой, препятствующей слипанию; на его долю приходится около 40% глобального рынка. На долю диатомитовой земли (DE), природного кремнеземного минералa, приходится около 25% мирового рынка, на долю синтетического кремнезема приходится еще 25%, при этом на долю оставшихся  минеральных веществ, таких как каолин, карбонат кальция и слюда, приходятся остальные 10%.

К числу переменных, которые следует учитывать при использовании неорганических добавок, препятствующих слипанию, относятся размеры частиц, их форма, качество диспергирования и толщина пленки. К числу прочих важных факторов относятся жесткость, индекс преломления (RI), и плотность. Жесткость влияет на износ машин, в то время как различие индексов преломления неорганических частиц и полимеров обуславливает  то, как добавки, препятствующие слипанию, влияют на прозрачность. Размер частиц также влияет на прочность пленки. Содержание железа также имеет существенное значение, поскольку оно вызывает деградацию различных органических добавок.

Химические и физические свойства неорганических антиадгезивных добавок 
(Рисунок предоставлен: Ampacet Corporation )

У талька часто оказывается самое низкое отношение "стоимость-производительность", в то время как DE часто становится наилучшим способом сведения к минимуму общей концентрации неорганического компонента и его воздействия на оптические свойства пленки. Традиционные неорганические частицы добавок, препятствующих слипанию, имеют нерегулярную форму и размер, из-за которых возникают плохие оптические свойства пленки. Прозрачность связана с индексом преломления, распределением размеров частиц и концентрацией. Самую большую прозрачность можно получить в случае, когда индекс преломления добавки, препятствующей слипанию, ближе всего соответствует индексу преломления смолы. Более крупные частицы добавки, препятствующей слипанию, обеспечивают более высокую устойчивость к слипанию; в то же время, более мелкие частицы дают более высокую прозрачность. Управление распределением размеров частиц и их максимальными размерами позволяет создавать нужное соотношение оптических и антиадгезивных свойств.  

Традиционные неорганические добавки, препятствующие прилипанию, с частицами нерегулярной формы
(Рисунок предоставлен: ExxonMobil Chemical)

Органические антиадгезивные добавки с высокой степенью миграции

Органические антиадгезивные частицы по своей природе склонны мигрировать и кристаллизоваться на поверхности пленки, что препятствует слипанию расположенных рядом друг с другом слоев пленки. Эти материалы обычно дороже, чем неорганические, и, как правило, их используют в применениях с более высокой добавочной стоимостью. В число повсеместно используемых органических антиадгезивных добавок входят компаунды амида, органического стеарата и различных семейств металлического стеарата, а также такие материалы как силикон и PTFE.

 Для применений, требующих высокой прочности, органические амидные антиадгезивные добавки могут использоваться и сами по себе, но чаще всего они используются для снижения концентрации неорганической антиадгезивной добавки. Амидам требуется некоторое время для диффузии с поверхностью, прежде чем они смогут оказывать антиадгезивное воздействие. Амиды лучшего всего использовать в составе мягких полимеров, таких как EVA, в которых неорганические добавки, препятствующие слипанию, не столь эффективны.  Среди различных амидов самые эффективные антиадгезивные свойства  обеспечивает использование стеарамидов и беханамидов. Так, например, беханамид используется эффективно в составе биакисально ориентированных полипропиленовых пленок для обеспечения улучшения скольжения и препятствования слипанию при сохранении прекрасной прозрачности.

Заключительные соображения и выводы

Добавки, улучшающие скольжение и препятствующие слипанию, чаще всего используются в полиолефинах. Они также находят свое применение в PP, PVC, PS, PA (найлоне), а также PET, где их используют при производстве одно- и многослойных пленок для изготовления пластмассовых пакетов и других видов упаковки. При использовании в целом ряде применений для этих добавок требуются необходимые разрешения при использовании для применений, контактирующих с пищевыми продуктами. Хотя добавки, улучшающие скольжение и препятствующие слипанию, могут добавляться непосредственно производителем смолы, их обычно добавляет обработчик с помощью целого ряда маточных смесей.

www.polymery.ru