金属复合用双向拉伸聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜的研制

陈铸红，王红兵，郝文涛，孙善卫，崔 鹏，任鸟飞，张少伟，占晶晶,施中华

（1.安徽国风塑业股份有限公司，安徽合肥230088；2.合肥工业大学化学与化工学院，安徽合肥230009）

奶粉罐、熟食罐头、化学品罐以及部分电容器在制造过程中需要在金属罐体表面印刷图案，传统油印方式已不能满足人们对高品质生活的需求。采用双向拉伸聚对苯二甲酸乙二醇酯（BOPET）薄膜和金属板材加工成的覆膜金属板材是目前最为常见的方式。覆膜前薄膜可以使用塑料凹印技术，在表面印刷所需的图文，相比原来的印铁制罐工艺，在印刷的精美度、清晰度、层次感等方面都大大增强。金属复合膜的应用极大地提升了金属制罐的品质、档次，降低了生产成本。但是目前市场上的覆膜金属片材在加工过程中，需在BOPET 表面涂覆环氧胶粘剂，存在双酚A 等有害物质析出的安全隐患。因此，迫切需要研发新型无胶粘剂金属片材覆膜用BOPET 薄膜。

金属片材表面通常存在一些水合氧化物，这些水合氧化物上带有羟基，为覆膜与金属的界面贴合提供了结合位点。基于这个思路，我们开展了无胶粘剂型多层共挤出BOPET 薄膜生产工艺研究。结果表明，项目产品BOPET 薄膜能够与镀铬板、不锈钢板、铝板、铜板等多种金属板材直接热压贴合，粘接强度高，减少下游加工，有效提升生产效益；并且，无胶粘剂，提升了健康水平和罐装制品的品质和档次。

1 实验部分

1.1 原材料和实验设备

聚对苯二甲酸乙二醇酯切片；聚对苯二甲酸乙二醇酯共聚母料；聚对苯二甲酸丁二酯切片；聚对苯二甲酸乙二醇酯抗粘母料。

8.2 m幅宽生产线。

1.2 成型工艺

金属复合用BOPET 薄膜是将添加有功能助剂的高分子聚酯切片、母料通过预结晶、干燥后经模头挤出，急冷成铸片，再进行纵拉、横拉分步拉伸，经冷却、测厚、电晕处理，收卷成卷材，分切制得。成型工艺如图1所示。

2 结果与讨论

2.1 金属复合用BOPET薄膜的结构

本项目研发的金属复合用BOPET薄膜为ABC三层结构。A层为金属复合层，可与金属材料热压复合；B层为芯层，起支撑作用，提高薄膜耐冲击和阻隔性能；C层为抗粘连层，主要起开口作用，可用于浅网印刷，并提高薄膜耐磨性。

2.2 BOPET薄膜的金属复合层设计

（1）金属复合层引入低结晶度共聚PET，提高复合牢度

PET 是结晶性高聚物，收缩率高，与金属片热复合后会由于结晶收缩而脱落。为改变PET结晶性能，需引进其他组分共聚，生产无定型的PET 共聚物，达到与金属片材热复合的要求。通过在BOPET薄膜金属复合层引入改性PET材料，使BOPET薄膜无需涂胶，直接与多种金属（不锈钢板、铝板、冷轧板等）在高温下进行热复合，复合牢度可达4.0 N/15 mm以上。

（2）合理调节金属复合层的厚度，提高复合牢度

金属复合层厚度对薄膜与金属片材的复合牢度有重要的影响。通过多次试验得出，在同等温度、压力、热压时间下（160℃、180 kPa、1 s），薄膜功能层厚度与不锈钢板复合牢度的关系如图2所示。

图1 无胶粘剂金属板材贴合用BOPET薄膜的生产工艺

图2 功能层厚度对薄膜与不锈钢板复合牢度的影响

从图2可以看出，在相同热复合条件下，功能层厚度在3.0～3.5 mm时，复合牢度达到最高值，厚度继续增大，复合牢度基本保持稳定，最终确定功能层厚度为3.0 mm。

（3）BOPET 薄膜与不同类型金属片材间的复合牢度

继续研究在上述同等条件下，薄膜与其他几种不同金属片材之间的复合牢度，如图3所示。

图3 薄膜与不同金属复合牢度对比

从图3可以看出，薄膜与不同材质金属片材的复合牢度有一定差异，但均可达到4 N/15 mm 以上，可以满足下游制罐过程薄膜与金属材料不脱离、不破损的要求。其中，薄膜与铁基金属板的复合牢度要高于铝板，这可能是由于铝板表面有氧化物膜，降低了表面极性，从而与BOPET 薄膜的复合牢度低于铁基金属板。因此，传统的铝塑复合板材均需使用胶粘剂提高复合牢度[7-8]。

2.3 BOPET薄膜的芯层设计

本项目产品与金属片材复合后，主要用于制罐领域，若用作金属罐内壁材料，使用深冲工艺，则需要薄膜具有优异的耐冲击性能，否则薄膜在冲击过程中易破裂，造成废品率提高。为提高薄膜的耐冲击性能，本项目在薄膜芯层引入聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）材料。PBT与PET相比，由于分子链中亚甲基数目多，柔性高，因此耐冲击性、耐磨性明显提高。PBT材料的添加比例直接影响下游冲罐过程中薄膜破裂的比例。

图4 芯层PBT含量与冲罐薄膜破损率的关系

从图4看出，芯层中无PBT时，在冲罐过程中，薄膜破损率约为10%。加入PBT的比例提高，薄膜破损率逐渐降低。综合考虑薄膜成本、破膜比例及其他物性，最终确定薄膜芯层PBT的添加量为20%。

2.4 金属复合用BOPET薄膜生产工艺设计

BOPET 薄膜厚度均匀性对复合牢度均匀和印刷效果有重要影响。本研究通过以下几个方面控制薄膜的厚度均匀性。如表1所示。

表1 金属复合用BOPET薄膜生产工艺控制要点

2.5 国内外产品性能比较

金属复合用BOPET薄膜产品与国内外同类产品的性能指标对比如表2所示。由表2可见，产品性能指标中金属复合牢度和横向拉伸强度已经超过国外同类产品。

表2 产品性能对比表

3 结论

通过在BOPET 薄膜功能层引入改性的PET 材料，芯层引入PBT 材料，确定了合理的配方结构，并且对薄膜成型工艺条件、生产参数、设备不断优化，在8.2 m幅宽生产线上研制出金属复合用BOPET薄膜。目前已批量生产。