时效对BOPP烟用包装膜关键性能指标的影响

Effect of Time-processing on Key Properties of BOPP Cigarette Packaging Film

摘要

由于储存周期的不同，时效性会对双向拉伸聚丙烯（BOPP）烟用包装膜在实际应用中的性能表现造成显著影响，进而导致薄膜在使用过程中出现各种问题。文章旨在探讨时效处理对BOPP烟用包装膜的化学组成变化、光学性能、阻隔性能、力学性能、热封强度和摩擦性能等与上机适用性及产品质量密切相关的性能指标的具体影响，明确各项性能指标的最佳时效期限，为企业优化生产工艺流程、提升整体运营效率以及确保最终产品的品质提供科学依据。结果表明：将BOPP烟用包装膜的时效控制在30 d可以保证上机生产的稳定性和流畅度以及包装后的成品品质及效果。

Abstract

Because of the different storage periods, time-processing will have a significant impact on the performance of biaxially oriented polypropylene (BOPP) cigarette packaging film in practical applications, which will lead to various problems in the use of the film. The objective of the study was to investigate the specific impact of time-processing treatment duration on key performance indicators, including chemical composition, optical properties, barrier properties, mechanical properties, heat sealing strength and friction coefficient of BOPP cigarette packaging film and to clarify the optimal aging period of each performance index, so as to provide scientific basis for enterprises to optimize the production process, improve the overall operation efficiency and ensure the quality of final products. The results show that controlling the aging period of BOPP cigarette packaging film on 30 d can ensure the stability and fluency of the production as well as the quality and effect of the final product after packaging.

Graphical abstract

关键词

双向拉伸聚丙烯 / 烟膜 / 时效 / 关键性能

Key words

BOPP / Cigarette packaging film / Time-processing / Key performance

双向拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜因其优异的性能，如透明度高、防潮性强、耐油脂、抗撕裂以及良好的印刷适应性，在烟草包装行业被广泛应用^[1-2]。随着烟草行业中高速卷包机的投入使用，对BOPP烟用包装膜的上机适用性，即包装成型效果和其在包装流水线上的运行顺畅性提出了更高的要求^[3-5]。BOPP烟用包装膜的关键性能指标在机械方面主要有力学性能、热封强度、摩擦性能等，而光学性能和阻隔性能则关乎烟包成品的美观度和保存效果^[6-8]。

烟膜从生产加工到下线后的熟化、储运直至上机包装，会经历不同的存储时间^[9]。随着时间的延长，烟膜内部的分子链取向和晶体结构会发生变化，影响后续上机的运行流畅度和最终的包装效果。例如薄膜放置的时间过长，会过度老化，薄膜主体结构的聚丙烯分子链会产生一定程度的解聚，最终影响包装的透湿性、透氧性、密封性和耐久性。而出厂时间过短，聚丙烯分子链的取向和结晶未达到最佳状态，导致其力学性能不能达到最佳，在上机运行过程中易发生折角、撕裂等问题^[10]。因此探究时效对BOPP烟用包装膜的关键性能指标的影响具有重要意义。

本实验分别对相同厚度、不同厂家的BOPP烟用包装膜进行时效处理，探究时效对其化学组分变化、光学性能、阻隔性能、力学性能、热封强度和摩擦性能等与上机运行和产品品质密切相关的关键性能指标的影响，旨在明确BOPP烟用包装膜的最佳时效期，保证上机和包装作业流畅度，这对企业提高生产效率和保障卷烟产品的品质具有重要意义。

1 实验部分

1.1 主要原料

选取用于小盒包装的成卷114 mm热收缩膜及条盒包装的335 mm微收缩膜进行时效的各项性能研究，膜厚均为21 μm。A代表青岛某公司，B代表宿迁某公司，C代表湖北某公司，D代表江阴某公司。表1为热收缩型BOPP烟膜的样品情况。

1.2 仪器与设备

傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)，NICOLET6700，美国赛默飞世尔科技公司；多晶粉末X射线衍射仪(XRD)，XRD-6100，岛津(中国)有限公司；气体渗透仪，Basic 201，济南兰光机电技术有限公司；水蒸气透过率测定仪，WB-121F，上海西唐科技有限公司；微机控制电子万能实验机，CMT4503，深圳市新三思材料检测有限公司；透光率/雾度测定仪，WGT-S，上海中光仪器仪表有限公司；摩擦系数测试仪，MXD-02，济南兰光机电技术有限公司。

1.3 性能测试与表征

将BOPP烟用包装膜置于温度为(25±2) ℃、相对湿度为(50±10)%的标准环境中存储，每隔0、30、60、90 d，对其透光率、雾度、氧气透过率、水蒸气透过率、拉伸强度、弹性模量、热封强度和摩擦系数等关键上机性能指标进行测试，分析时效处理对BOPP烟用包装膜各项性能指标的影响。

FTIR测试：选取A、C-Ⅰ作为热收缩和微收缩两种不同规格的代表性薄膜，分别在0、90 d时对其进行表征。使用傅里叶变换衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)对待测薄膜试样进行定性分析，分辨率为4.0 cm^-1，扫描数据点间隔为1.928 cm^-1，扫描次数为32。

XRD测试：选取A、C-Ⅰ作为两种不同规格的代表性薄膜进行表征。使用多晶粉末X射线衍射仪对待测薄膜试样的内部晶体结构进行表征，扫描角度为5°~35°，扫描速度为1 (°)/min。

透光率和雾度测试：按照GB/T 2410—2008测试BOPP烟膜的透光率和雾度。

水蒸气透过量测试：按照GB/T 1037—2021，采用杯式增重法，在温度(23±0.5) ℃、相对湿度(50±1)%的条件下测试72 h，计算水蒸气透过量。

氧气透过率测试：按照GB/T 1038.1—2022，采用压差法进行测试。

热封强度测试：按照QB/T 2358—98测试烟膜的热封强度。选择样品的纵向方向进行测试。

力学性能测试：分别按照YC/T 266—2008、GB/T 1040.1—2018和GB/T 1040.3—2006测试烟膜的拉伸强度、断裂伸长率和弹性模量。均选择样品的纵向方向进行测试。

摩擦系数测试：按照GB/T 10006—2021测试BOPP烟膜的动、静摩擦系数。

每个性能指标至少平行测定5次，将误差超过10%的数据舍弃，重新测试，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 FTIR分析

图1为BOPP烟用包装膜时效处理前后的FTIR谱图。从图1可以看出，2 950、2 870 cm^-1处的特征峰分别为BOPP烟膜中聚丙烯分子链上甲基(—CH₃)的不对称和对称伸缩振动吸收峰；2 913、2 838 cm^-1处的特征峰分别为亚甲基(—CH₂—)的不对称和对称伸缩振动吸收峰；1 450、1 374 cm^-1处的特征峰分别为—CH₂—和—CH₃的弯曲振动吸收峰。结果表明，虽然厂家不同，薄膜的热收缩性能不同，但是两种样品FTIR谱图特征官能团的出峰位置完全一致，且经90 d时效处理后，薄膜的特征峰几乎不变，说明不同公司生产的烟膜，其薄膜的主体成分相同，经时效处理后化学组成并未发生变化。

2.2 XRD分析

图2为BOPP烟用包装膜时效处理前后的XRD谱图。从图2可以看出，在14.1°、16.8°和18.5°处分别出现3个特征衍射峰，分别对应α晶型的(110)、(040)、(130)特征晶面^[11]。经90 d时效处理后，A烟膜中并未出现新的衍射峰，特征峰的位置未发生变化，但峰的强度增加，峰形变窄。这说明聚丙烯分子中的晶型未发生改变，仍为α晶型。经分峰拟合后计算得出，A烟膜经时效处理前后的结晶度分别为71.2%和77.6%，这说明对于热收缩型BOPP烟用包装膜，时效处理是一个使取向晶体逐渐完善的过程^[12]。而C-Ⅰ烟膜为微收缩烟膜，其时效处理前后的结晶度分别为71.7%和54.7%。经90 d时效处理后，C-Ⅰ烟膜的衍射峰强度明显减弱，但出峰位置不变，说明α晶型没有改变，但其晶体结构随时间的延长而出现劣化，即聚丙烯分子链发生了一定程度的解聚和分解^[9]。

2.3 光学性能分析

透光率和雾度是评价薄膜的光学性能的两个重要指标^[13-14]。透光率代表薄膜表面的平滑程度及其透过光线的能力；雾度表示薄膜的透明度或清晰度，与薄膜表层及内部结构对光线的散射有关。

图3为时效处理对BOPP烟用包装膜透光率和雾度的影响。从图3可以看出，随着时间的增长，BOPP烟膜的透光率逐渐减小，雾度逐渐增大。在90 d的研究期限内，透光率从平均92.5%下降至平均86.6%，下降5.9%。雾度值上升的拐点基本从30 d开始，30 d之前，雾度值的增速比较平缓，30 d之后，雾度值的增加急转直上，在90 d的研究期限内，雾度从平均0.68上升至平均2.12，上升211.8%。结果表明，随着时效处理时间的增加，烟膜的光学性能呈现出劣化的趋势。这是由于BOPP薄膜下线后，在储存过程中会经历再结晶的过程，导致晶体形态和尺寸发生变化；另一方面，由于芯层中的抗静电剂等助剂随时间的增长不断地向表面迁移并聚集，从而改变了薄膜表面的物理化学特性，影响其反射和折射光线的能力。

2.4 透湿性能分析

卷烟产品的感官品质不仅受烟支中香气成分的影响，还与烟支含水量密切相关。优良的包装材料能够长时间保持烟支水分含量的稳定，防止香气成分的泄漏和异味的进入，从而满足消费者对吸食体验的需求。因此，透湿性能成为烟用包装膜的关键性能指标之一^[15-16]。而衡量薄膜透湿性能的关键指标主要有水蒸气透过量、水蒸气透过率和水蒸气透过系数。水蒸气透过量仅与样品本身有关，不考虑周围环境因素；水蒸气透过率受测试条件和样品特性共同影响；水蒸气透过系数则完全反映了材料固有的渗透性质，只与材料的种类有关。YC/T 266—2008中规定透湿量不应超过2.0 g/(m²‧24 h‧0.1 mm)，按此标准计算可得，膜厚为21 μm的烟膜，透湿量不应超过0.42 g/(m²‧24 h‧0.1 mm)。

对不同厂家BOPP烟用包装膜的水蒸气透过量这一参数进行时效性研究。图4为时效处理对BOPP烟膜的水蒸气透过量的影响。从图4可以看出，随着时间的增长，除B-I与D在30 d时出现了透湿量的微小下降，分别下降0.1 g/(m²‧24 h‧0.1 mm)，其余烟膜的透湿量均呈现线性增长，从最初的平均0.27 g/(m²‧24 h‧0.1 mm)增长至90 d时的0.31 g/(m²‧24 h‧0.1 mm)，平均增长0.04 g/(m²‧24 h‧0.1 mm)，且均未超过标准规定的透湿量0.42 g/(m²‧24 h‧0.1 mm)。这表明所有测试烟膜的阻湿性能良好且不受时效性影响，均可满足香烟的保湿、保润及防潮需求。

2.5 透氧性能分析

氧气透过率是衡量BOPP烟用包装膜阻隔性能的重要指标。烟丝中的醇、酚、醛、酮及杂环类有机小分子化合物在氧气的作用下会缓慢发生氧化、缩合、分解等复杂的化学反应，导致香烟香气及吸食口感发生变化，甚至缩短香烟的保质期，影响其货架寿命。

图5为时效处理对BOPP烟膜的氧气透过率的影响。从图5可以看出，在60 d内，随着时间的增长，所有烟膜的氧气透过率均缓慢增长；60~90 d时，B-Ⅰ、C和B三种样品的氧气透过率明显陡增，这是由于BOPP为非极性分子，其分子链为易于移动的链状结构，氧气也为非极性分子，氧气分子在薄膜表面有一定的亲和力及缓慢渗透的能力；60 d之后，氧气透过率明显陡增。这是由于随着时间的增长及缓慢积累，吸附在烟膜表面的氧气分子从一面逐渐溶解、扩散、进而渗透、穿过烟膜到达另一面。氧气透过率主要用于辅助评价包装对于香烟保香能力的影响，目前行业内也并没有明确的阈值标准。氧气透过率越低的膜，香烟包装的保香能力更强。

2.6 热封性能分析

热封温度和的热封强度是衡量BOPP烟用包装膜的热封性能的重要指标。热封温度越宽，热封强度越高，则BOPP烟用包装膜的热封性能越好。卷烟生产企业的热封温度一般在135 ℃左右，在热封温度和热封压力不变的情况下，热封强度是烟膜上机适用性的核心要素。热封强度是指薄膜与薄膜之间在一定的温度、压力以及接触时间内封合后，分离热封口所需的最小力，反映了包装材料经过热封后所形成接缝的牢固程度。热封性能也是影响包装阻隔效果的关键指标。YC/T 266—2008中规定热封强度不应低于2.4 N/15 mm。

文章考察热封温度为135 ℃时的不同厂家、不同规格BOPP烟用包装膜的热封强度随存储时间的变化。图6为时效处理对BOPP烟用包装膜的热封强度的影响。从图6可以看出，BOPP烟用包装膜的热封强度随时间的延长呈劣化趋势。在30 d内，除C-Ⅰ外，所有烟膜的热封强度均满足烟草行业标准中的要求。C和C-Ⅰ在30 d后的热封强度下降较多，在时效处理90 d后，其热封强度分别下降至0.863、0.564 N/15 mm，出现“假烫”现象；A、B、B-I和D的热封强度在90 d时与初始值相比分别降低21.6%、13.5%、15.7%和14.4%，均有不同程度的下降，但在90 d时仍能达到烟草行业标准规定的要求。

BOPP薄膜的主要原料为无规均聚聚丙烯^[17-18]，但其热封性能较差，在生产应用中通常与乙烯、丁烯等共聚形成热封层，以提高热封性能。图7为热封型BOPP烟膜的结构模型，其中内外表层的A层和C层为聚丙烯与乙烯或丁烯的共聚物，B层为添加了润滑剂、抗黏连剂、抗静电剂等助剂的均聚聚丙烯。随着时效处理的延长，芯层中的抗静电剂、润滑剂等小分子化合物由于在聚合物的分子链间可以自由活动，会逐渐向薄膜表层迁移。这些助剂一般属于表面活性剂，两端分别为亲油基和亲水基，当迁移至薄膜表层时，由于亲油基团与非极性的聚丙烯分子极性相似，伸向薄膜的内部，而含有的羟基等极性大的亲水基团则指向薄膜的外部，从而在薄膜的表面吸附水分子等极性物质，在热封时起到增塑作用，阻碍了表层和里层聚丙烯分子链之间的热缠绕，导致热封性能下降。因此，热封强度随时效处理的延长出现明显降低。

2.7 力学性能分析

烟膜的力学性能不仅影响烟支包装成品的完整性和包装效果，也对烟膜的上机适用性有较大的影响。图8为时效处理对BOPP烟膜的拉伸强度、断裂伸长率和弹性模量的影响。从图8可以看出，随着时间的延长，BOPP烟膜的拉伸强度和断裂伸长率均呈现下降的趋势，弹性模量在0~30 d迅速增大，而后基本趋于稳定。在时效处理90 d时，A、B、C、C-Ⅰ、B-Ⅰ、D的拉伸强度与初始值相比，分别下降7.6%、23.5%、12.9%、24.6%、10.9%和17.4%；断裂伸长率分别下降20.9%、24.6%、29.8%、33.5%、10.2%和 36.4%；弹性模量分别提高100.5%、91.6%、127%、53%、43.3%和54.8%。

BOPP烟膜的力学性能会随着时效处理而发生显著变化，这主要是由于其独特的双向拉伸工艺。在纵、横向拉伸过程中，聚丙烯分子链在高温条件下会发生一定程度的解取向。而当BOPP烟膜经过快速冷却固化后，其内部的分子链依然处于不稳定状态，这种不稳定状态是导致其力学性能随时效处理而显著变化的关键因素。随着时效处理的延长，BOPP薄膜的分子链会产生一定程度的降解，从而丧失部分力学性能，表现为拉伸强度下降，即通常所说的塑料“老化”。此外，长时间放置的薄膜会经历应力松弛，即材料内部的应力随着时间的推移而逐渐减小的过程。当发生应力松弛后，材料的断裂伸长率也会相应降低。在0~30 d的时间内，随着聚丙烯高分子链的晶体结构的逐渐完善并稳定，弹性模量急剧增大，而后基本趋于稳定。薄膜的弹性模量越大，则包装外观越挺括。

2.8 摩擦性能分析

摩擦系数也是BOPP烟用包装膜上机性能的关键指标^[19-20]。静摩擦系数影响材料的初始启动能力。当静摩擦系数过高时，材料可能难以启动，导致卷包机启动时材料堆积或撕裂；相反，当静摩擦系数过低时，材料可能在没有足够力量的情况下就开始移动，导致定位不准确或材料滑脱，影响包装质量和生产效率。动摩擦系数影响烟用包装膜的传输过程，尤其对于小盒折叠成型及输送通道的顺畅性方面有重要影响。当动摩擦系数偏低时，包装膜在输送通道中容易发生滑移，特别是小盒烟包在成型轮中易发生窜动，进而导致包装松散和外观皱褶等问题。相反，若动摩擦系数过高，则可能因包装膜与输送通道之间的摩擦力过大而引起“卡包”甚至堵塞通道而造成停车，这不仅会导致烟包受到挤压而变形，还会影响生产效率。

图9为时效处理对BOPP烟膜的静摩擦系数和动摩擦系数的影响。从图9可以看出，所有样品的静、动摩擦系数随时间的延长均呈现先快速下降，之后基本稳定的趋势。这是由于BOPP烟用包装膜芯层中的功能性助剂，大多为极性有机小分子，会随着时间的延长从芯层逐渐扩散迁移至薄膜表层，形成一层润滑层，从而降低薄膜的摩擦系数。这些有机小分子的分子质量越小，迁移速度越快。当迁移达到平衡时，摩擦系数趋于稳定。因此，刚下线的BOPP烟用包装膜需放置不少于2 w才能正常上机使用。

YC/T 266—2008中规定动摩擦系数不应超过0.28，对于静摩擦系数未有明确规定。根据卷烟企业的实际生产经验及研究结果，在温度为(25±2) ℃、相对湿度为(50±10)%的标准环境下，动摩擦系数控制在0.15~0.25，静摩擦系数控制在0.30~0.25，有利于烟膜的上机运行。本实验中所涉及的6种烟膜，在经时效处理30 d后，其动摩擦系数和静摩擦系数均能满足上机适用性。

3 结论

综上所述，BOPP烟用包装膜在温度为(25±2) ℃、相对湿度为(50±10)%的标准环境下储存，随着时效处理的延长，不同厂家的不同种类(热收缩和微收缩)烟膜的化学组成均未发生明显变化，只存在时效作用对聚丙烯内部晶体结构的影响。其次，由于受到老化、助剂迁移和应力松弛等因素的影响，其光学性能、阻隔性能、热封性能和拉伸强度等关键性能指标均呈现劣化的趋势；弹性模量和摩擦系数在30 d达到最优水平，之后变化不大。因此，综合化学组成和各项性能测试的结果，对于不同厂家生产的不同规格的BOPP烟用包装膜，在符合YC/T 266—2008中规定的情况下，下线后稳定30 d时使用效果较好，既能满足烟包具有较好的光学效果、优良的阻隔性能、良好的挺括性，又可以保证烟膜在上机时的顺滑通畅性。

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