国家新闻出版署颁布的《覆膜质量检测标准》要求纸塑复合产品分割后无明显卷曲。实际上不少纸塑复珍贵产品在分割后都存在卷曲明显的现象。你双手能把它展开,可一松手,很快又回缩成筒状。这些卷曲的纸塑复合产品,很难用补救方法恢复平整。这给覆膜后的断切、折叠、包贴封面等再加工造成很多不便和浪费。纸塑复合产品卷曲已成为一种仅次于起泡和脱膜的严重问题。
一、纸塑复合产品卷曲有其规律
纸塑复合产品是由纸张、BOPP薄膜和粘合剂三种固相物质组成的紧密体,它具有传统单一纸张不可能具有的优越性能。BOPP薄膜增强了基体一纸张的机械性能和对光的折射,粘合剂做为界面使纸塑合二为一。
纸张和BOPP薄膜二者的不同组分,决定了在复合过程中和复合后新的自然条件下各自产生不同的变化。我们经过较长时间、较大范围、较多品种的观测、分析、对比后,发现产生卷曲的纸塑复合产品有一个共同点,即“膜短纸长”。将贴合的薄膜从纸张上完整剥离后测量,薄膜横向尺寸总是小于纸张同向尺寸。
(一)与纸塑复合产品卷曲程度有关的几个因素
1.纸张定量 定量低的纸张卷曲率大于定量高的纸张。
2.纸张质地 质地疏松、粗糙的纸张卷曲程度严重于质地密、光滑的纸张。
3.薄膜拉伸形变 薄膜拉伸形变大的严重于薄膜拉伸形变小的。
4.温度 每年的四月份以前和十月下旬以后,生产车间与大气温差加大,卷曲事故明显出现。
5.湿度 雨、雪、雾等空气湿度大的天气,是诱发纸塑复合产品卷曲的重要条件。
6.生产工艺 即涂胶复合工艺比预涂膜干式复合工艺易造成产品卷曲。
(二)纸塑复合产品卷曲的原因
不同的热压合工作条件产生不同的应力
纸塑复合生产采用的BOPP双向拉伸薄膜,是在高于PP(聚丙烯)树脂软化点的温度条件下,用机械纵、横双向拉伸到一定宽度(4000—4000mm)、一定厚度(28—15μm),然后冷却定型而成。
BOPP薄膜通过拉伸取向,耐热性和耐候性得到改善,寿命延长。BOPP薄膜冷却定型的同时,分子链段的取向被冻结起来,在拉伸方向的膨胀系数变小(包括热膨胀和湿膨胀),热收缩率增加。
当BOPP薄膜被覆膜机加热辊筒重新加热时,被冻结的分子链段产生一种恢复未拉伸进尺寸的趋势,即薄膜在纵、横方向都要发生受热收缩。国家标准规定BOPP薄膜在纵、横向的收缩率为不大于4%。
BOPP薄膜在复合受热时的收缩特性,决定它必然要产生收缩内应力。
BOPP薄膜在复合受热收缩时间,还得承受热压合机构的碾压延展和收卷机构的拉伸牵引这两种纵向外力。这几种力量同时作用于BOPP薄膜,加大了它的横收收缩度和脱离热压合机构进入常温后的收缩张力。
纸塑复合中的纸张,是天然纤维游离将和填料抄制成的网状织物。纤维与纤维的结合总是以水为媒介,而且几乎总是可逆的。在水的桥梁作用下,松散的植物纤维通过一系列作用结合起来,脱水烘焙后制成纸张。当纸张的水分增大到一定数值时,又会发生松解,成为碎片、纸浆。
纸张的水分含量一般在5—7%,相当于相对温度50—60%时的平衡水分。当周围环境的相对湿度变化时,纸张具有吸湿或脱湿的功能,以达到自身水分和周围环境空气中水蒸气含量新的平衡。
纸张是一种吸湿材料,它能从空气中吸收水分,吸收水分的速度取决于空气中水蒸气的含量及空气的温度。它也能把水分传到空气中而失去水分,失水速率决定于纸张的水分含量及其温度。
在纸塑复合生产过程中,纸张和BOPP薄膜通过热压合机构时,存在着两个相互联系的运动。首先是热运动,加热辊筒的热量要连续不断地传导给加压橡胶辊、BOPP薄膜及薄膜上涂布的粘合剂和与之复合的纸张。其次是流体运动。流体的运动包含两个方面:一是粘合剂的流平和向薄膜、纸张及油墨印层微孔间的双向渗透;二是纸张所含水分在加热辊筒热挤压下的蒸发。热运动和流体运动是相互联系的,前者是后者的基础,后者是前者作用效果的动态反应。其结果是将存在于纸张孔隙和细胞腔内的吸附水、游离水大部分除去,使纤维干燥收缩,纸张尺寸变小。
纸塑复合时的热压合工作条件,使BOPP花天酒地膜产生收缩张力。纸张推动水分产生收缩应力。薄膜的热收缩主要表现在横向,纸张的干燥收缩主要表现在反面的横向。虽然这两种不同的固相物质对热的反应都表现为收缩,但存在着方向性和大小性的矢量差别,薄膜收缩张力大于纸张收缩应力。
二、复合后环境湿度变化造成纸张应力变化
纸张的平衡水分在同一湿度下,随环境温度的增加而减少。如胶版纸在18℃时,平衡水分为6%,28℃时,平衡水分为5.5%,42℃时,平衡水分为5%。其规律为在一定湿度下,温度每变化15℃左右,纸张的平衡水分变化量大约为0.5%。
纸张的平衡水分在一定的温度条件下,随空气相对湿度的增加而增加,在相对湿度达75%以上的条件下,较小的湿度变化就会引起纸张较大的水分变化和变形。
纸张吸湿或脱湿变形有两个特性:
1.方向性 横向伸缩大,纵向伸缩小。横向伸缩率是纵向伸缩率的2—8倍。
2.两面性 由于纤维在纸张正、反两面定向排列的程度不同,造成吸湿时,反面的伸长比正面的伸长要大,表现为纸张向正面卷曲;造成脱湿时,反面的缩短比正面的缩短面大,表现为纸张向反面卷曲。无论向哪一方面卷曲,它总是以纸张的纵纹方向为轴。
纸塑复合产品脱离热压合工作条件后,大多数的外界环境是温度低、湿度大。湿度降低使BOPP薄膜热收缩尺寸定型,湿度加大BOPP薄膜基本不受影响,其吸水率<0.005%,但使纸张吸湿延长。
BOPP薄膜的收缩定型,和纸张吸湿后延长、抵消纸张推动水分时产生的收缩应力这种新的反差,更加大了薄膜的收缩张力,使薄膜牵动纸向纸的正面(薄膜方向)卷曲。这种卷曲程度随纸张吸湿量的增加而增加)。
三、纸塑复合产品卷曲的预防
1.采用新工艺
沿用即涂胶覆膜旧工艺进行纸塑复合生产,BOPP薄膜在工艺流程中的运行图为:
放料→展平→涂胶→烘干→展平→初粘→热压合→收卷→存放→分切
采用预涂膜干式复合新工艺进行纸塑复合生产,BOPP热熔胶预涂薄膜的行程简化为:
放料→展平→热压合→收卷→存放→分切
预涂膜干式复合新工艺比即涂胶复合工艺简化,减少了BOPP薄膜涂胶前3—5道直辊、弓形变辊的展平张力、涂胶机构的挤压磨擦、烘干机构中各道展平辊的磨擦和热气流动等综合应力的产生,降低了主机为克服上述各种外烟囱而增加的牵引力,从而减轻了热压合前的拉伸和拉伸状态下热压合时的热收缩。
2.控制热压合工作温度
BOPP薄膜的热收缩率随温度的升高而增加。在温度为95℃以下时热收缩为正常值,收缩张力对纸张的作用不太明显。超过这个数值,热收缩急剧加大。纸塑复合生产时设定的上限温度为90—95℃为宜。
还要注意纸张对温度的反应。因在一定湿度下,温度变化15℃,纸塑复合生产与存放环境的温度差应低于10℃以22—25℃为最佳。
3.控制生产环境湿度
即涂胶覆膜工艺要使用大量溶剂。这些溶剂在和粘合剂调兑、涂布、烘干过程中,自由或被强制性地产生出大量在害挥发气体。同时,各类覆膜机工作时,电加热装置要产生大量热能,机械运转时各部件磨擦也产生一定热量。在覆膜机周围形成一个高温低温(与生产前相比,温度升高10—20℃,相对湿度降低10—30℃)的小气候区域。
为不断降低有害挥发气体的浓度和覆膜机周围的温度,在很少用空调机调节温度的生产车间,大多数是用机械排风方式强制生产车间内外气流的更换。当外界空气中的含水量大于生产环境时,大量含水量较高的外界空气被导入,使生产车间相对湿度增高,导致纸塑复合产品纸面吸湿延长,膜面收缩张力加大,引起卷曲。
依据纸张的水分含量相当于相对湿度为50—60%时的平衡水分,生产车间的湿度控制在60%为宜。相对湿度低时,可常向地面喷洒水以保湿;相对湿度高时,可加大覆膜机周围的热空气流动以干燥。生产全过程咯种的相对湿度差不可超过10%。
4.控制操作张力
纸塑复合生产操作流程为:
BOPP薄膜→(印刷品)→热压合机构→成品收卷
在此生产流程中,BOPP薄膜印刷品分别被热压合机构产生的动力牵引,脱离离料机构和输送带,纸塑复合产品又被收卷机机构的动力牵引,脱离热碾压工作界面。伴随整个生产过程中BOPP薄膜旋转—直—放心的运动形式,每卷BOPP薄膜的直径不断减小,每卷纸塑复合产品的直径不断加大。为保持和产生主动力的加热辊筒线速度的一致,BOPP薄膜放料机构的转速必须不断提高,其速比如下:
加热辊筒(ψ270mm)∶BOPP薄膜(ψ300mm)=1∶0.9
加热辊筒(ψ270mm)∶BOPP薄膜(ψ200mm)=1∶1.35
加热辊筒(ψ270mm)∶BOPP薄膜(ψ90mm)=1∶2.84
为保证薄膜不被强行拉伸,BOPP薄膜放料轴的张力控制应逐渐放松,并保持放料轴及轴座、各道展平、调整辊表面洁净和有良好的润滑。
成品收卷的变化与BOPP薄膜放料相反,不是逐渐减小,而是逐渐增大。以每500对开张为一成品卷,787×540对开纸的最终转速降低值为2.74倍,880×620对开纸的最终转速降低值为3.05倍。要求收卷装置的张力控制应与之匹配。
5.采取必要的防护措施
必要的防护措施有助于避免或减轻纸塑复合产品卷曲的发生。
(1)分割前应有一定的存放期
纸塑复合产品牢固的贴合不是产生于刚脱离热压合机构时,而是有待于粘合剂的效固化和BOPP薄膜与纸张应力的相互适应之后,不预留24小时以上的存放后制期而过早分割,BOPP薄膜的收缩反应加大,极易产生卷曲。
(2)纸塑复合半成品的防潮
刚脱离覆膜机的纸塑复合半成品的余温较高,较热的纸塑复合半成品向外界散发热量的同时,会吸收外部冷空气而降温,这种降温会造成湿度的增加。如将半成品直接放置在地面上,更易使纸张吸湿,产生分割后的卷曲。
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