12.1.4.8 Coextrusion und Mehrschichtstrukturen
Die Entwicklung des Reibungskoeffizienten in Mehrschichtfolien, die migrierende Gleitadditive enthalten, kann komplex sein. Die Additive können in benachbarte Schichten migrieren oder auf die Rückseite der Folien übertragen werden, während sie in der Rolle aufgewickelt werden. Dadurch verbleibt weniger des Additivs für das Ausblühen zur gewünschten niedrigen COF-Oberfläche. Das Ausmaß der Migration in benachbarte Schichten wird durch die Löslichkeit des Additivs in den Schichten beeinflusst; Fettsäureamid-Gleitadditive sind in polaren Polymeren wie Bindeschichten und Ionomeren besser löslich als in PE. Erschwerend kommt der Einfluss der Temperatur auf die Löslichkeit und Diffusion der Amide hinzu. Die Schlussfolgerung ist, dass Gleitadditive, die in einer Schicht platziert werden, wahrscheinlich nicht in dieser Schicht bleiben. Dies muss bei der Entscheidung, wie viel Additiv verwendet wird und in welchen Schichten es platziert wird, berücksichtigt werden.
Sankhe und Hirt messen die Erucamid-Konzentration über einer 50-μm-Zweischichtfolie aus LLDPE. Der Aufbau ist (25-μm LLDPE-25 μm LLDPE); nur eine Schicht enthält Erucamid (bei 1% Beladung). Das Erucamid-Konzentrationsprofil über die Dicke der Folie wird mit Synchrotron-basierter FTIR-Mikrospektroskopie gemessen, um eine ausreichende räumliche Auflösung der Folien zu erhalten. Frühere Arbeiten zur Messung von Erucamidprofilen waren aufgrund der begrenzten Auflösung der konventionellen FTIR-Spektroskopie auf dicke Filme (600 μm) beschränkt. In den früheren Arbeiten wurden signifikante Konzentrationsgradienten gefunden, wenn nur einer Schicht Schlicker zugefügt wurde, verglichen mit der Zugabe gleicher Mengen Schlicker zu allen Schichten. In der Dünnschichtarbeit fanden sie heraus, dass die Konzentration über die gesamte Dicke des Doppelschichtfilms nahezu gleichmäßig ist, sogar noch 1 Tag nach der Herstellung. Sie postulieren, dass der Schlicker während der Koextrusion in die benachbarte Schicht migriert; die charakteristische Diffusionszeit steigt mit dem Quadrat der Filmdicke, so dass es nicht überraschend ist, dass sich die Konzentration in dünnen Filmen schnell ausgleicht. Die Oberflächenkonzentration von Erucamid wird mittels ATR gemessen. Auf beiden Seiten der zweischichtigen Folie ist ein fast gleicher Anstieg der Oberflächenkonzentration mit der Lagerzeit (bis zu 3 Tagen) zu beobachten, der mit einer Abnahme der Bulk-Konzentration einhergeht.
Kitchel testet eine Reihe von dreischichtigen LDPE-Blasfolien mit 500 ppm Erucamid in verschiedenen Schichten. Die Gesamtfoliendicke beträgt 50 μm mit Schichtanteilen von (20/60/20). Der COF wird auf der Vorder- und Rückseite der Folie gemessen mit dem Ziel, die Differenz zu maximieren. Der größte Unterschied im COF wird erreicht, wenn der gesamte Schlupf auf der äußeren Hautschicht (in Bezug auf die geblasene Folienblase) hinzugefügt wird. In einem zweiten Experiment wird die gesamte Foliendicke von 25 bis 150 μm variiert. Die Erhöhung der Dicke trägt zur Erhöhung des COF-Differentials bei.
Glover beschichtet LDPE, das einen Fettsäureamid-Gleitzusatz enthält, durch Extrusion auf zwei verschiedene Substrate, Kraftpapier und Aluminiumfolie. Der COF der Beschichtung ist bei den Papierbeschichtungen höher, was er darauf zurückführt, dass das poröse Papier einen Teil des Schlickers absorbiert und weniger an die Oberfläche des LDPE migriert.
Bryant misst den COF als Funktion der Zeit an einer Reihe von dreischichtigen Blasfolien, die verschiedene Schichtkombinationen aus LLDPE und einem Natriumionomer enthalten. Jede Schicht ist 25 μm dick für eine Gesamtfoliendicke von 75 μm. Das Amid wird in eine oder mehrere der Schichten eingebracht, um den Effekt der Migration zwischen den benachbarten polaren (Ionomer) und unpolaren (LLDPE) Schichten zu untersuchen. Wenn mindestens eine der Schichten ein Ionomer ist, sind höhere Mengen an Gleitmittel erforderlich, um einen niedrigen COF zu erreichen, was die größere Löslichkeit des Amids im Ionomer widerspiegelt. Interessanterweise wird ein niedrigerer COF erzielt, wenn der Schlicker der Ionomerschicht zugesetzt wird, als wenn er nur einer LLDPE-Schicht zugesetzt wird. Das Vorhandensein einer polaren Schicht beeinflusst auch die Reaktion des COF mit steigender Lagertemperatur (von 23 bis 38 °C). Die COF-Änderungen mit der Temperatur sind bei der unpolaren LLDPE-Folie ausgeprägter als bei der Ionomer-haltigen. Bryant führt dies auf Unterschiede in der Löslichkeit zurück.
Soutar liefert eine Reihe von Anekdoten über migrierenden Schlicker in Mehrschichtfolien. Insbesondere Bindeharze zeigen einen Einfluss auf COF, vermutlich aufgrund ihrer polaren Natur. Er stellt die Hypothese auf, dass die chemische Funktionalität des Bindeharzes die Amidmoleküle anzieht. In einem Beispiel werden die Schichten auseinander geschält und es wird keine Anhäufung von Amid an der Grenzfläche zwischen der Bindungsschicht und der Polyethylenschicht gefunden. Dies deutet darauf hin, dass sich der Schlupf in der Masse der Bindeschicht befindet.
Soutar diskutiert auch Probleme mit der rückseitigen Übertragung von Amiden oder anderen Additiven von der Vorderseite der Folie auf die angrenzende Rückseite der in einer Rolle aufgewickelten Folie. Dies hat zu Kontaminationsproblemen bei schlechter Bedruckung oder Heißsiegelung geführt.
Poisson untersucht dreischichtige Barriere-Blasfolien mit der Struktur (Polyamid 6,66
tiePE). Die Bindung ist ein Maleinsäureanhydrid-modifiziertes Polyethylen. Zu diesem Basisaufbau werden verschiedene Variationen betrachtet, indem 50 Gew.-% EVA (VA = 9 Gew.-%) zur Bindungsschicht, zum Dichtstoff oder zu beiden hinzugefügt werden. Die Schichtdicken sind (30/10/50 μm). Der Dichtstoffschicht wird Erucamid oder Oleamid in Konzentrationen von 0 bis 2500 ppm zugesetzt. Mit AFM und FTIR wird das Profil der Schlupfkonzentration über die Schichtdicke und die Oberflächenkonzentration gemessen. IR konnte nicht verwendet werden, um den Schlupf in der Polyamid (PA)-Schicht zu messen, da sich die IR-Peaks des PA und des Amids überlappen. Die Menge an Schlupf in der PA-Schicht wird geschätzt, indem die gemessenen Mengen an der Oberfläche, in der Versiegelung und in der Verbindungsschicht von der insgesamt zugegebenen Menge subtrahiert werden.
Erucamid zeigt die beste COF-Leistung der beiden getesteten Gleitadditive. Das Oleamid zeigt einige überraschende COF-Ergebnisse, wie z. B. einen anfänglichen Anstieg mit der Zeit, was auf die Polarität des EVAs zurückzuführen sein könnte. Der COF mit Erucamid erreicht schnell das 0,2-Ziel, selbst bei 500 ppm Konzentration. Die Heißsiegelleistung wird erst bei hohen Konzentrationen von Erucamid beeinträchtigt; bei 2500 ppm erhöht sich die Heißsiegel-Initiierungstemperatur um 30°C.
In Poisson-Experimenten mit Erucamid landet der größte Teil des Schlupfes in der Nähe der Oberfläche, nachdem die Proben 1000 h gealtert sind. Die COF korreliert mit dem Anteil des Gesamtschlupfes an der Oberfläche. Das Vorhandensein von EVA erhöht den COF auf allen Ebenen des Schlupfes, aber der Unterschied ist nicht wesentlich und wird durch die Zugabe einer kleinen Menge von zusätzlichem Erucamid überwunden. Mit Oleamid landet nicht so viel Schlupf in der Nähe der Oberfläche, und die Oberflächenkonzentration korreliert nicht mit dem COF.
Poisson präsentiert Daten darüber, wie viel Schlupf in jeder Schicht landet. Wenn EVA zur Bindung oder PE-Schicht hinzugefügt wird, beeinflusst dies die Konzentration des Schlupfes in jeder der Schichten und an der Oberfläche erheblich. Eine signifikante Menge an Schlupf wird in der polaren Verbindungsschicht und den PA-Schichten gefunden, obwohl die für die PA-Schicht angegebene Menge unrealistisch erscheint. Es ist wahrscheinlich, dass dies auf die Messtechnik zurückzuführen ist. Möglicherweise fehlt dem FTIR die Auflösung, um die Konzentration in den dünnen PE- und Bindeschichten genau zu messen. Dieser Fehler wird wiederum durch die Subtraktionsmethode verstärkt, die zur Ermittlung der PA-Schichtkonzentration verwendet wird. Nichtsdestotrotz bestätigen die Messungen der Verbindungsschicht die Vermutung anderer, dass die Verbindungsschicht Schlupf absorbiert.
Wenn die Komplexität der coextrudierten Folienstrukturen zunimmt, wird ein besseres Verständnis der Schlupfmigration zwischen den Schichten und zur Oberfläche benötigt.