幾種塑料薄膜拉伸力的檢測

梁世何+應(yīng)永煒+鄒春曉+林文峰

塑料薄膜是最主要的軟包裝材料之一，本文對幾種常見的塑料薄膜，結(jié)合其所適用的對應(yīng)標準，在GB/T 2918《塑料試樣狀態(tài)調(diào)節(jié)和試驗的標準環(huán)境》規(guī)定的環(huán)境下進行狀態(tài)調(diào)節(jié)4～8h，并在此條件下利用MTS公司的SANS萬能拉力試驗機進行試驗，獲得拉伸曲線，同時分析了薄膜在拉伸測試過程中的變形特點，供大家對比和參考。

幾種塑料薄膜的拉伸曲線

1.BOPP薄膜

GB/T 10003-2008《普通用途雙向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜》適用于 BOPP薄膜，其中檢測項目“拉伸強度及斷裂標稱應(yīng)變”按GB/T 1040.3-2006《塑料 拉伸性能的測定》的規(guī)定進行，采用切割法制備試樣，試樣類型為2型試樣，采用長150mm、寬（15±0.1）mm的長條形，夾具間距為100mm，試驗速度為（250±25）mm/min，分別進行縱向和橫向拉伸測試，繪制拉伸曲線，如圖1所示。

從圖1可知，BOPP薄膜縱向、橫向拉伸曲線形態(tài)差異較大。MD曲線較為平滑，拉伸力數(shù)值較大，拉伸呈剛性；TD曲線呈現(xiàn)出屈服拐點，拐點前后曲線線性平直。

2.CPP薄膜

QB/T 1125-2000《未拉伸聚乙烯、聚丙烯薄膜》適用于CPP薄膜，其中檢測項目“拉伸強度及斷裂伸長率”按GB/T 13022《塑料薄膜拉伸性能試驗方法》規(guī)定進行，試樣采用長150mm、寬15mm的長條形，標距為50mm，試驗速度為（500±50）mm/ min，分別進行縱向和橫向拉伸測試，繪制拉伸曲線，如圖2所示。

從圖2可知，CPP薄膜縱向、橫向拉伸曲線形態(tài)近似，起始拉伸力迅速上升，曲線斜率較大，進入屈服后拉伸力隨拉伸伸長的增大無明顯變化，曲線呈波浪狀起伏，隨后隨拉伸伸長的增大薄膜拉伸力呈線性升高，表現(xiàn)出拉伸硬化現(xiàn)象。

3.LDPE薄膜

GB/T 4456-2008《包裝用聚乙烯吹塑薄膜》適用于PE薄膜，其中檢測項目“拉伸強度及斷裂標稱應(yīng)變”按GB/T 1040.3-2006《塑料 拉伸性能的測定》規(guī)定進行。試樣為2型試樣，寬度為10mm，夾具間距為50mm，試驗速度為（500±50）mm/min，分別進行縱向和橫向拉伸測試。圖3為最常用的LDPE薄膜拉伸曲線。

從圖3可知，MD曲線與CPP薄膜的拉伸曲線類似；TD曲線起始拉伸力迅速上升至屈服拐點，后隨拉伸伸長的增大薄膜拉伸力升高較為緩慢，但曲線平滑，拉伸力穩(wěn)定。

4.BOPET薄膜

GB/T 16958-2008《包裝用雙向拉伸聚酯薄膜》適用于BOPET薄膜，其中檢測項目“拉伸強度及斷裂伸長率”按GB/T 1040.3-2006《塑料 拉伸性能的測定》規(guī)定進行。試樣采用2型試樣，長150mm、寬（15±0.1）mm的長條形，夾具間距為100mm，試驗速度為（100±10）mm/min，分別進行縱向和橫向拉伸測試，繪制如圖4所示的拉伸曲線。

從圖4可知，BOPET薄膜縱向、橫向曲線形態(tài)和數(shù)值均相近，起始拉伸力迅速上升至明顯的屈服拐點，之后拉伸力隨拉伸伸長的增大基本呈線性升高；曲線形態(tài)光滑平直，表現(xiàn)出拉伸力穩(wěn)定，表明材料性能較為均衡。

分析和討論

對于高分子聚合物來說，在沒有外力作用時，大分子鏈、鏈段或微晶的排列是無序的，呈現(xiàn)各向同性。當受到拉伸應(yīng)力等外力作用時，大分子鏈、鏈段或微晶就會沿著外力方向進行有序排列，產(chǎn)生不同程度的取向，形成取向態(tài)結(jié)構(gòu)。但是取向后，由于取向方向與未取向方向上原子之間的作用力不同，聚合物呈現(xiàn)為各向異性，致使材料在取向方向上的模量、強度、折射率等性質(zhì)與取向前有了顯著的差別。因而對于成品薄膜，由于縱向、橫向取向程度的不同，其拉伸試驗時的結(jié)果差異較大。

材料的拉伸試驗，是測定材料在拉伸載荷作用下一系列特性的試驗。圖5為筆者總結(jié)出的塑料薄膜拉伸試驗時發(fā)生的變形特征近似曲線。從中可以看出，薄膜在拉伸測試中，當成品薄膜受到拉伸應(yīng)力作用時，初期體現(xiàn)出一定的彈性特征，其大分子主鏈伸直張緊，分子鍵角扭變，在宏觀上表現(xiàn)為試樣繃緊狀態(tài)。該階段即圖5中OA段，又稱瞬時彈性變形，在該階段拉伸應(yīng)力解除時可完全回復(fù)原來形狀。材料繼續(xù)受力，分子鏈開始產(chǎn)生平行排列的變形，即分子取向變形。由于試驗是在標準環(huán)境下進行的，即制品溫度始終處在玻璃化溫度以下，使取向后的大分子鏈和鏈段的運動近于凍結(jié)，故拉伸應(yīng)力解除后形變不能恢復(fù)。材料開始從彈性狀態(tài)非均勻地向彈-塑性狀態(tài)過渡，標志著材料宏觀塑性變形的開始，即所謂屈服（圖5中A點開始）。材料屈服后將產(chǎn)生頸縮，應(yīng)變增大，使材料失去原有功能。該階段即圖5中的AB段，又稱頸縮變形，在該階段拉伸位移增大而拉伸應(yīng)力無明顯變化。由于材料承載持續(xù)的拉伸負荷，圖5中B點之后，大分子間彼此滑動而發(fā)生大變形，隨著主鏈化學鍵的伸長，大分子間結(jié)合力如氫鍵等斷裂，直至某個大分子主鏈發(fā)生斷裂，在薄膜試樣上表現(xiàn)為出現(xiàn)微孔洞而產(chǎn)生應(yīng)力集中，此后大量分子斷裂使微孔洞生長并通過聚集變成裂紋，直至宏觀斷裂，圖5中BC段又稱完全塑性變形，在該階段拉伸位移和拉伸應(yīng)力近線性增大。

在相關(guān)標準中，規(guī)定用薄膜試樣拉伸斷裂后的位移和力的最大值計算拉伸強度和斷裂伸長率（斷裂標稱應(yīng)變），以此作為判斷材料“拉斷力”和“斷裂伸長率”檢測項目是否符合標準要求。然而對于產(chǎn)品的使用來說，多以屈服點或屈服強度作為材料抗力的指標并成為設(shè)計應(yīng)力的依據(jù)，它們是材料的實際使用極限。薄膜一般都表現(xiàn)出一定的延展性，屈服開始之后，薄膜將進入彈-塑性過渡狀態(tài)和完全塑性階段，產(chǎn)生變形且不可恢復(fù)，即薄膜材料將開始逐漸失去原有的設(shè)計功能，直至最終完全失效。薄膜在印刷和復(fù)合過程中要受到機械力的作用，在產(chǎn)品使用過程中還要受到外力的作用，若以“最大拉斷力”作為材料抗力的指標進行設(shè)計，則包含了材料處于動態(tài)變化過程中的拉伸變形形態(tài)，極易造成不可預(yù)知的情況（如破膜等），難以保證產(chǎn)品包裝的安全要求，顯然存在著物理性能方面的安全隱患。因此，在薄膜成袋的后續(xù)工藝或產(chǎn)品的使用過程中，以屈服點來設(shè)計產(chǎn)品的使用指標，可以確保產(chǎn)品包裝物理性能方面的安全使用要求。endprint