陳 攀 申曉燕

(上海賽科石油化工有限責(zé)任公司，上海 201507)

線型低密度聚乙烯(LLDPE)具有優(yōu)良的抗撕裂強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度及抗穿刺性，有利于降低厚度，廣泛應(yīng)用于食品包裝、醫(yī)藥包裝、文化用品包裝、重包裝袋、購(gòu)物袋及農(nóng)用薄膜等方面，市場(chǎng)需求量呈逐年上升態(tài)勢(shì)[1]。在包裝膜應(yīng)用領(lǐng)域，為提高產(chǎn)量，現(xiàn)有技術(shù)的包裝機(jī)自動(dòng)化程度越來越高，包裝速度也越來越快，這就要求薄膜具有優(yōu)良的爽滑性，確保其在包裝機(jī)上能順利、快速地進(jìn)行包裝。LLDPE薄膜的爽滑性是通過添加爽滑劑來實(shí)現(xiàn)的，常見的爽滑劑主要是遷移型的芥酸酰胺和油酸酰胺，油酸酰胺的遷移速率比芥酸酰胺快，但是芥酸酰胺能提供更好的爽滑性[2]。在薄膜成型后，爽滑劑遷移到薄膜表面，能夠顯著降低薄膜的動(dòng)摩擦因子，使薄膜具有良好的爽滑效果[3]。

但在實(shí)際管吹膜或流延膜生產(chǎn)過程中，采用芥酸酰胺類爽滑劑的薄膜經(jīng)常會(huì)由于各種原因?qū)е麻_口爽滑性過低，影響后續(xù)的自動(dòng)包裝；或開口爽滑性過高，導(dǎo)致薄膜析出物過多，嚴(yán)重影響薄膜外觀或者降低后續(xù)的復(fù)膜強(qiáng)度[4]。對(duì)于薄膜析出物過多或過低的問題，多數(shù)研究[1,4-5]從無機(jī)開口劑、有機(jī)爽滑劑的選擇及其添加量的方面來研究問題，鮮有考慮工藝或外界條件對(duì)薄膜析出性的影響。通過走訪多家LLDPE薄膜析出物異常的企業(yè)得知，在開口劑、爽滑劑添加量正常的情況下，即薄膜原料LLDPE質(zhì)量正常的情況下，偶有遇到該類企業(yè)所生產(chǎn)的薄膜析出物異常的情況。排除原料質(zhì)量原因后，分析其工藝的變動(dòng)，例如薄膜厚度、加工溫度和薄膜存儲(chǔ)條件的變化，以及外界天氣條件的變化，例如氣溫、濕度，認(rèn)為加工工藝和外界天氣條件對(duì)薄膜析出物有一定影響。

基于實(shí)驗(yàn)室研究條件的限制，主要用單一的LLDPE為原料生產(chǎn)管吹膜，從吹膜加工溫度、薄膜厚度、薄膜存儲(chǔ)溫度三個(gè)具有代表性的工藝影響因子入手，以正交設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法，系統(tǒng)地研究加工溫度、薄膜厚度、薄膜存儲(chǔ)溫度三個(gè)自變量因子對(duì)因變量薄膜動(dòng)摩擦因子的影響，從而可以用于指導(dǎo)LLDPE普通管吹膜或流延膜生產(chǎn)過程中對(duì)薄膜析出物芥酸酰胺的控制。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

LLDPE：LL0220KJ粒料，熔融指數(shù)(樹脂熔料通過標(biāo)準(zhǔn)毛細(xì)管在2.16 kg負(fù)荷下，10 min內(nèi)流出的熔料克數(shù))為2.02，密度為0.921 g/cm3，含無機(jī)開口劑和有機(jī)爽滑劑，有機(jī)爽滑劑為上海賽科石油化工有限責(zé)任公司生產(chǎn)的芥酸酰胺。

1.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備

吹膜機(jī)：ME45270003型，OCS公司；摩擦測(cè)試儀：CF-800XS型，RDM公司；烘箱：KBF115型，BINDER公司。

1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

基于實(shí)驗(yàn)室研究條件，以單獨(dú)的LLDPE為原料，利用管吹的方式生產(chǎn)薄膜，能夠合理控制的自變量因子有成品膜存儲(chǔ)溫度(A)、薄膜厚度(B)、吹膜加工溫度(C)。對(duì)上述三種因子及其相互之間的交互作用對(duì)LLDPE薄膜析出性能的影響進(jìn)行系統(tǒng)研究，以指導(dǎo)LLDPE普通管吹膜或流延膜對(duì)薄膜析出物芥酸酰胺的控制。薄膜析出性以薄膜的動(dòng)摩擦因子來間接表征。

每個(gè)因子選取兩個(gè)水平，通?？茖W(xué)試驗(yàn)中經(jīng)常會(huì)發(fā)生兩個(gè)因子之間存在交互作用，但一般三因子及其以上的交互作用對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響非常小，不予考慮。兩因子交互作用是指如果A因子的效應(yīng)依賴于B因子所處的水平時(shí)，則稱A、B之間存在交互作用。本研究中各因子的水平設(shè)置根據(jù)專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)確定，水平選取應(yīng)適中，不易過大或過小[6]，具體如表1所示。其中水平-1代表低水平設(shè)置，水平+1代表高水平設(shè)置。

表1 因子水平設(shè)置

1.4 試樣制備

按正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行吹膜，收卷后，按摩擦因子測(cè)試的需要立即裁切成合適片段，并在設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)溫度下鋪開，進(jìn)行24 h狀態(tài)調(diào)節(jié)。

1.5 試樣測(cè)試表征

每種樣品測(cè)試4對(duì)摩擦副，均指薄膜的內(nèi)面/內(nèi)面的動(dòng)摩擦因子，并取其平均值參與方差分析等計(jì)算。摩擦因子測(cè)試采用GB 10006—1988《塑料薄膜和薄片摩擦因子測(cè)定方法》。

2 結(jié)果與討論

2.1 全因子正交試驗(yàn)

表2是包含試驗(yàn)結(jié)果的帶中心點(diǎn)的三因子兩水平正交試驗(yàn)結(jié)果，共包含11次試驗(yàn)，并且經(jīng)MINITAB軟件隨機(jī)化處理，試驗(yàn)順序也按隨機(jī)化后的順序進(jìn)行。吹膜并經(jīng)24 h狀態(tài)調(diào)節(jié)后，對(duì)其動(dòng)摩擦因子進(jìn)行測(cè)試，并取其平均值。

表2 帶中心點(diǎn)的三因子兩水平正交試驗(yàn)表和試驗(yàn)結(jié)果

2.2 全因子正交試驗(yàn)方差分析

利用MINITAB軟件對(duì)表2的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，首先判斷初步的試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠翊嬖趶澢?，即判斷該一階線性回歸方程是否能夠滿足動(dòng)摩擦數(shù)據(jù)的擬合。動(dòng)摩擦因子與因子A、B、C的方差分析見表3。表3中Adj SS為調(diào)整平方和，表示對(duì)距離均值的變異或離差的度量，是對(duì)模型不同分量變異大小的度量；而Adj MS稱為調(diào)整的均方和，由Adj SS除以自由度得來；F值等于組間平均方差除以組內(nèi)平均方差，其值如果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，則其對(duì)應(yīng)的項(xiàng)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，為顯著。而在F分布中，每一個(gè)F值都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)P值，F(xiàn)值越大，P值越小，但在方差分析當(dāng)中，通常以P值小于0.05或0.01來考察F值是否足夠大，即P值小于0.05或0.01，則拒絕原假設(shè)，即組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，或者模型中的對(duì)應(yīng)特征項(xiàng)顯著。

表3 動(dòng)摩擦因子與因子A、B、C的方差分析

在因變量動(dòng)摩擦因子與自變量因子A、B、C的方差分析表中，在顯著性水平α=0.05下，模型的P=0.049，初步顯示該一階線性回歸方程模型總體是接近有效的，彎曲的P=0.059，也初步顯示該一階線性回歸方程模型不存在彎曲現(xiàn)象。

但進(jìn)一步將因子P值大于0.05的項(xiàng)去除后，如表3所示，在顯著性水平α=0.05下，模型的P<0.05，顯示該一階線性回歸方程模型總體是有效的，但彎曲的P<0.05，因此該一階線性回歸方程模型存在彎曲現(xiàn)象。所以，為了準(zhǔn)確建立動(dòng)摩擦因子與因子A、B、C的數(shù)學(xué)模型，需要進(jìn)一步用二階非線性回歸方程模型進(jìn)行擬合。

2.3 響應(yīng)曲面正交試驗(yàn)

響應(yīng)曲面正交試驗(yàn)?zāi)軐?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二階非線性回歸擬合。采用序貫試驗(yàn)的研究方法，即在上述全因子正交試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并將試驗(yàn)結(jié)果與上述全因子正交試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行結(jié)合，具體如表4所示，其中包含了上述全因子正交試驗(yàn)的方案和數(shù)據(jù)結(jié)果，以及新增的響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方案和數(shù)據(jù)結(jié)果。

表4 帶中心點(diǎn)的三因子兩水平響應(yīng)曲面正交試驗(yàn)表和試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表4

2.4 響應(yīng)曲面正交試驗(yàn)方差分析

利用MINITAB軟件對(duì)表4的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析(見表5)，可以判斷出總體試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠行?，各因子及其交互作用的顯著性，試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诤?jiǎn)化的過程中是否存在失擬等。

表5 動(dòng)摩擦因子與區(qū)組和因子A、B的方差分析

如表5所示:在顯著性水平α=0.05下，經(jīng)模型簡(jiǎn)化處理后的方差分析，從P值一欄可以看出，模型的P<0.05，說明該二階非線性回歸方程模型總體是有效的;失擬誤差的P>0.05，說明該二階非線性回歸方程模型不存在失擬現(xiàn)象;結(jié)合方差來源一欄可以看出，C因子即薄膜加工溫度對(duì)薄膜動(dòng)摩擦因子沒有顯著影響，僅有A、B因子，和平方項(xiàng)B×B，以及兩因子交互作用項(xiàng)A×B對(duì)薄膜動(dòng)摩擦因子有顯著影響。所以該二階非線性回歸方程已經(jīng)能夠滿足動(dòng)摩擦因子數(shù)據(jù)的擬合。

2.5 動(dòng)摩擦因子效應(yīng)分析

動(dòng)摩擦因子與薄膜有機(jī)爽滑劑芥酸酰胺的析出量有直接關(guān)系，薄膜有機(jī)爽滑劑芥酸酰胺會(huì)向薄膜表面遷移，在薄膜表層逐漸形成一層爽滑層，因此析出越多，動(dòng)摩擦因子越小，薄膜開口爽滑性越好，反之則相反[5-7]。但薄膜爽滑性析出過多，會(huì)嚴(yán)重影響薄膜外觀或者降低后續(xù)的復(fù)膜強(qiáng)度[4]。動(dòng)摩擦因子效應(yīng)見圖1所示。

(a)主效應(yīng) (b)交互作用

從動(dòng)摩擦因子主效應(yīng)圖1(a)可以看出：只有存儲(chǔ)溫度和薄膜厚度對(duì)薄膜動(dòng)摩擦因子有顯著效應(yīng)，薄膜加工溫度對(duì)動(dòng)摩擦因子沒有顯著影響。薄膜厚度為30～60 μm時(shí)，在存儲(chǔ)溫度23～50 ℃內(nèi)，總體上薄膜動(dòng)摩擦因子隨著薄膜存儲(chǔ)溫度的升高而降低，這是因?yàn)楫?dāng)薄膜存儲(chǔ)溫度在一定范圍內(nèi)，溫度越高，薄膜有機(jī)爽滑機(jī)芥酸酰胺向薄膜表面遷移速率和量增加，引起薄膜動(dòng)摩擦因子降低；當(dāng)薄膜存儲(chǔ)溫度為23～50 ℃時(shí)，在薄膜厚度30～60 μm內(nèi)，總體上薄膜動(dòng)摩擦因子隨著薄膜厚度的增加而降低，這是因?yàn)楸∧ぴ胶?，單位表面積的薄膜有機(jī)爽滑劑芥酸酰胺濃度越高，因此能夠析出的量也就越多，動(dòng)摩擦因子也就越低[4]。

從動(dòng)摩擦因子交互作用圖1(b)，也就是兩因子交互項(xiàng)的效應(yīng)圖變化情況可以看出：當(dāng)薄膜存儲(chǔ)溫度為23～50 ℃時(shí)，厚度為30 μm的薄膜其動(dòng)摩擦因子均大于厚度為45 μm和60 μm的薄膜；而當(dāng)薄膜存儲(chǔ)溫度為23～30 ℃時(shí)，厚度為60 μm的薄膜動(dòng)摩擦因子大于厚度為45 μm的薄膜，但當(dāng)薄膜存儲(chǔ)溫度為30～50 ℃時(shí)，厚度為60 μm的薄膜動(dòng)摩擦因子小于厚度為45 μm的薄膜；此外，薄膜存儲(chǔ)溫度為23～50 ℃時(shí)，厚度為45 μm和60 μm的薄膜動(dòng)摩擦因子均隨薄膜存儲(chǔ)溫度升高而降低；而當(dāng)薄膜存儲(chǔ)溫度為23～50 ℃時(shí)，厚度為30 μm的薄膜動(dòng)摩擦因子隨薄膜存儲(chǔ)溫度升高而升高?？梢?，不同厚度的薄膜在不同的存儲(chǔ)溫度時(shí)，其析出特點(diǎn)是不一致的。

2.6 動(dòng)摩擦因子等值線圖分析

在圖2的等值線圖中，將兩個(gè)自變量的值分別表示在X和Y軸上，而將第三個(gè)因變量的值用稱之為等值線的陰影區(qū)表示。等值線圖與地形圖類似，只不過等值線圖中標(biāo)繪的是X、Y、Z值，而不是經(jīng)度、緯度和海拔。

圖2 動(dòng)摩擦因子等值線

如圖2所示：在動(dòng)摩擦因子的等值線圖中，由于只有薄膜厚度和存儲(chǔ)溫度對(duì)薄膜動(dòng)摩擦因子有顯著影響，因此只有一組組合的等值線圖。從圖2可以看出：當(dāng)薄膜加工溫度在180～220 ℃內(nèi)，在薄膜厚度為55 μm時(shí)，薄膜動(dòng)摩擦因子隨著薄膜存儲(chǔ)溫度從23 ℃升高到50 ℃而一直減小，并且可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)來說，較厚的薄膜相對(duì)較薄的薄膜動(dòng)摩擦因子減小得更快。從另一方面來看，當(dāng)薄膜加工溫度在180～220 ℃內(nèi)，薄膜存儲(chǔ)溫度為45 ℃時(shí)，薄膜動(dòng)摩擦因子隨著薄膜厚度從30 μm增加到60 μm而一直減小，并且也可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)來說，較高的薄膜存儲(chǔ)溫度相對(duì)較低的薄膜存儲(chǔ)溫度動(dòng)摩擦因子減小得更快。這與前述提到的不同厚度的薄膜在不同的存儲(chǔ)溫度下，其析出特點(diǎn)是不一致的觀點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。薄膜存儲(chǔ)溫度與薄膜厚度總體上對(duì)薄膜動(dòng)摩擦因子的影響與圖1(a)中薄膜存儲(chǔ)溫度、薄膜厚度與薄膜動(dòng)摩擦因子的關(guān)系圖是一致的，而等值線圖將其相互的影響關(guān)系反應(yīng)得更為精準(zhǔn)。

3 結(jié)論

利用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)，得到了有關(guān)加工工藝條件，即薄膜加工溫度和薄膜厚度以及薄膜存儲(chǔ)溫度及其交互作用對(duì)LLDPE薄膜動(dòng)摩擦因子的影響特點(diǎn)，也即對(duì)LLDPE薄膜有機(jī)爽滑劑芥酸酰胺的析出影響特點(diǎn)。

(1)薄膜加工溫度對(duì)LLDPE薄膜有機(jī)爽滑劑芥酸酰胺的析出沒有顯著影響。

(2)薄膜厚度、薄膜存儲(chǔ)溫度、薄膜厚度的平方項(xiàng)、薄膜存儲(chǔ)溫度與薄膜厚度的兩因子交互作用項(xiàng)對(duì)LLDPE薄膜有機(jī)爽滑劑芥酸酰胺的析出有顯著影響。

(3)不同厚度的薄膜在不同的存儲(chǔ)溫度下，其爽滑劑芥酸酰胺析出速率和析出量不一致。

該項(xiàng)研究從工藝方面研究了有關(guān)因素對(duì)薄膜有機(jī)爽滑劑芥酸酰胺析出性的影響，揭示了不僅開口劑、爽滑劑的種類和添加量對(duì)薄膜開口爽滑劑有影響，相關(guān)的工藝因素也對(duì)薄膜開口爽滑性有影響，從而對(duì)薄膜生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)LLDPE薄膜時(shí)對(duì)薄膜的開口爽滑性的控制有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。