12.1.4.8 Coëxtrusie en meerlaagse structuren
De ontwikkeling van de wrijvingscoëfficiënt in meerlaagse films die migrerende slipadditieven bevatten, kan complex zijn. De additieven kunnen migreren naar aangrenzende lagen of worden overgebracht naar de achterkant van de folie terwijl deze in de rol is gewikkeld. Hierdoor blijft er minder additief over voor blooming naar het gewenste lage COF oppervlak. De migratie van de aangrenzende lagen wordt beïnvloed door de oplosbaarheid van het additief in de lagen; vetzuur-amide-slipadditieven zijn beter oplosbaar in polaire polymeren, zoals bindlagen en ionomeren, dan in PE. De zaken worden nog gecompliceerder door het effect van de temperatuur op de oplosbaarheid en de diffusie van amide. De conclusie is dat in één laag aangebrachte slipadditieven waarschijnlijk niet in die laag zullen blijven. Hiermee moet rekening worden gehouden bij de beslissing hoeveel additief moet worden gebruikt en in welke lagen het moet worden geplaatst.
Sankhe en Hirt meten de erucamideconcentratie over een 50-μm bilaag van LLDPE. De structuur is (25-μm LLDPE-25 μm LLDPE); slechts één laag bevat erucamide (bij een belading van 1%). Het erucamide-concentratieprofiel over de dikte van de film wordt gemeten met synchrotrongebaseerde FTIR-microspectroscopie om voldoende ruimtelijke resolutie voor de films te krijgen. Eerdere werkzaamheden om erucamideprofielen te meten waren beperkt tot dikke films (600 μm) vanwege de beperkte resolutie van conventionele FTIR-spectroscopie. In het eerdere werk werden significante concentratiegradiënten gevonden wanneer slechts aan één laag slip werd toegevoegd in vergelijking met het toevoegen van gelijke hoeveelheden slip aan alle lagen. In het werk met de dunne film vinden zij dat de concentratie bijna uniform is over de gehele dikte van de bilaagfilm, zelfs 1 dag na fabricage. Zij stellen dat de slip tijdens de coëxtrusie naar de aangrenzende laag migreert; de karakteristieke diffusietijd neemt toe met het kwadraat van de filmdikte, zodat het niet verbazend is dat de concentratie in dunne films snel gelijkmatig wordt. De oppervlakteconcentratie van erucamide wordt gemeten met ATR. Aan beide zijden van de bilaagfilm zien we een bijna gelijke stijging van de oppervlakteconcentratie met de opslagtijd (tot 3 dagen) die samenvalt met een daling van de bulkconcentratie.
Kitchel test een reeks drielagige LDPE-geblazen films met 500 ppm erucamide toegevoegd aan verschillende lagen. De totale filmdikte is 50 μm met laagpercentages van (20/60/20). De COF wordt gemeten aan de voor- en achterzijde van de film met als doel het verschil zo groot mogelijk te maken. Het grootste verschil in COF wordt verkregen wanneer alle slip wordt toegevoegd aan de buitenste huidlaag (ten opzichte van de geblazen filmbel). In een tweede experiment wordt de totale filmdikte gevarieerd van 25 tot 150 μm. Een toename van de dikte helpt het COF-verschil te vergroten.
Glover extrudeert LDPE met een vetzuur-amide-slipadditief op twee verschillende substraten, kraftpapier en aluminiumfolie. De COF van de coating is hoger voor de papieren coatings, wat hij toeschrijft aan het poreuze papier dat een deel van de slip absorbeert, waardoor er minder overblijft om naar het oppervlak van de LDPE te migreren.
Bryant meet de COF als functie van de tijd op een reeks drielaagse geblazen films met verschillende laagcombinaties van LLDPE en een natriumionomeer. Elke laag is 25 μm dik voor een totale filmdikte van 75 μm. Het amide wordt in één of meer van de lagen aangebracht om het effect van migratie tussen de aangrenzende polaire (ionomeer) en niet-polaire (LLDPE) lagen te bestuderen. Er zijn hogere niveaus van het glijadditief nodig om een lage COF te bereiken wanneer ten minste één van de lagen een ionomeer is, wat de grotere oplosbaarheid van het amide in het ionomeer weerspiegelt. Interessant is dat een lagere COF wordt verkregen wanneer de slip aan de ionomeerlaag wordt toegevoegd dan wanneer hij alleen aan een LLDPE-laag wordt toegevoegd. De aanwezigheid van een polaire laag beïnvloedt ook de reactie van de COF met toenemende opslagtemperatuur (van 23 tot 38°C). De COF-veranderingen met de temperatuur zijn meer uitgesproken bij de niet-polaire LLDPE-film dan bij die met ionomeer. Bryant schrijft dit toe aan verschillen in oplosbaarheid.
Soutar geeft een aantal anekdotes over migrerende slip in meerlaagse films. Vooral bindharsen blijken een effect te hebben op de COF, vermoedelijk door hun polaire aard. Hij veronderstelt dat de chemische functionaliteit van de bindhars de amidemoleculen aantrekt. In één voorbeeld worden de lagen uit elkaar gepeld en wordt geen accumulatie van amide gevonden op het grensvlak tussen de bind- en polyethyleenlagen.
Soutar bespreekt ook problemen met de overdracht van amiden of andere additieven van de voorzijde van de folie naar de aangrenzende achterzijde van de op een rol gewikkelde folie. Dit heeft geleid tot contaminatieproblemen met slechte bedrukking of heatseal.
Poisson onderzoekt drielaagse barrièregeblazen folies met de structuur (Polyamide 6,66
tiePE). De das is een met maleïnezuuranhydride gemodificeerd polyethyleen. In dit basisscenario worden verschillende variaties overwogen door 50% EVA (VA = 9 gew.-%) toe te voegen aan de bindlaag, het afdichtingsmateriaal, of beide. De laagdiktes zijn (30/10/50 μm). Aan de afdichtingslaag wordt erucamide of oleamide toegevoegd in concentraties variërend van 0 tot 2500 ppm. AFM en FTIR worden gebruikt om het slipconcentratieprofiel over de dikte van de film en de oppervlakteconcentratie te meten. IR kon niet worden gebruikt om de hoeveelheid slip in de polyamide (PA)-laag te meten, aangezien de IR-pieken van het PA en het amide elkaar overlappen. De hoeveelheid slip in de PA-laag wordt geschat door de gemeten hoeveelheden aan het oppervlak, in het afdichtmiddel en in de bindlaag af te trekken van de totale toegevoegde hoeveelheid.
Erucamide geeft de beste COF-prestaties van de twee geteste slipadditieven. Oleamide geeft een aantal verrassende COF-resultaten te zien, zoals een aanvankelijke toename met de tijd, wat te wijten kan zijn aan de polariteit van het EVA. De COF met erucamide bereikt snel het 0.2 doel, zelfs bij 500 ppm concentratie. De heat seal prestaties worden niet beïnvloed totdat hoge niveaus erucamide worden toegevoegd; bij 2500 ppm stijgt de heat seal initiatietemperatuur met 30°C.
In Poisson’s experimenten met erucamide komt het grootste deel van de slip bij het oppervlak terecht nadat de monsters 1000 uur zijn verouderd. COF correleert met de fractie van de totale slip aan het oppervlak. De aanwezigheid van EVA verhoogt de COF bij alle slipniveaus, maar het verschil is niet substantieel en wordt ondervangen door een kleine hoeveelheid extra erucamide toe te voegen. Met oleamide komt niet zoveel slip aan het oppervlak terecht, en de oppervlakteconcentratie correleert niet met de COF.
Poisson presenteert gegevens over hoeveel slip er in elke laag terechtkomt. Wanneer EVA aan de tie- of PE-laag wordt toegevoegd, beïnvloedt dit aanzienlijk de concentratie van slip in elk van de lagen en aan het oppervlak. Een significante hoeveelheid slip wordt gevonden in de polaire bandlaag en PA-lagen, hoewel de hoeveelheid die voor de PA-laag wordt gerapporteerd onrealistisch lijkt. Dit is waarschijnlijk te wijten aan de meettechniek. De FTIR heeft wellicht niet de juiste resolutie om de concentratie in de dunne PE- en bindlagen nauwkeurig te meten. Deze fout wordt nog verergerd door de aftrekmethode die wordt gebruikt om tot de PA-laagconcentratie te komen. Niettemin bevestigen de metingen van de bindlaag wat anderen hebben verondersteld over de absorptie van slip door de bindlaag.
Als de complexiteit van gecoëxtrudeerde filmstructuren toeneemt, zal een beter begrip van slipmigratie tussen lagen en naar het oppervlak nodig zijn.