不同溫濕度下幾種軟包裝膜力學(xué)性能的研究

郭 風(fēng)，劉容宏，吳艷鳳

(1.山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，濟(jì)南 250102； 2.山東省體育用品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，濟(jì)南 250102)

0 前言

隨著全社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的提高，互聯(lián)網(wǎng)+的迅猛發(fā)展，電商平臺(tái)的成熟，物流產(chǎn)業(yè)的遍及，商品的外包裝和內(nèi)包裝的防護(hù)功能越來越受到各行各業(yè)的重視，塑料薄膜作為軟包裝占到了塑料制品總產(chǎn)量的五分之一，成為包裝材料中需求量最多的產(chǎn)品之一。科研技術(shù)水平的快速發(fā)展，幾乎可以加工所有的合成塑料樹脂。若在塑料樹脂[聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯乙烯(PS)、乙烯/乙酸乙烯(EVA)、聚酰胺(PA)]中添加適宜的各種助劑(如增塑劑、穩(wěn)定劑、著色劑等)，就可以制備出行業(yè)所需的各種功能性薄膜[1-2]。而且隨著各種新材料、新設(shè)備、新工藝和新方法的不斷涌現(xiàn)，我國的塑料薄膜軟包裝將朝著品種多樣化、專用化以及多功能化的方向發(fā)展。

本文采用8種軟包裝薄膜，分別為雙向拉伸聚丙烯(BOPP)涂布膜(非熱封)、雙向拉伸聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(BOPET)涂布膜(非熱封)、雙向拉伸聚酰胺(BOPA)涂布膜(非熱封)、BOPET鍍鋁膜、BOPP鍍鋁膜、CPP鍍鋁膜、BOPA膜、BOPET膜，選取的薄膜應(yīng)無明顯裂紋、松弛、褶皺、瑕疵、雜質(zhì)及任何影響適用性的缺陷。根據(jù)我國南北方氣候的差異，模擬3種試驗(yàn)環(huán)境，考察在不同的溫、濕度使用環(huán)境下，8種不同材質(zhì)的軟包裝膜對(duì)其物理力學(xué)性能的影響，為用戶合理的選擇包裝材料提供參考意見。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

BOPP涂布膜(非熱封)，公稱厚度12 μm，市售；

BOPET涂布膜(非熱封)，公稱厚度17 μm，市售；

BOPA涂布膜(非熱封)，公稱厚度20 μm，市售；

BOPET鍍鋁膜，公稱厚度14 μm，市售；

BOPP鍍鋁膜，公稱厚度21 μm，市售；

CPP鍍鋁膜，公稱厚度25 μm，市售；

BOPA膜，公稱厚度15 μm，市售；

BOPET膜,公稱厚度22 μm，市售；

乙二醇乙醚，分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

甲酰胺，分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

甲醇，分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

摩擦因數(shù)/剝離試驗(yàn)儀， 3500，濟(jì)南市蘭光機(jī)電有限公司；

測厚儀，i-THINKNESS 4100，濟(jì)南市蘭光機(jī)電有限公司；

光澤度儀，KGZ-1A，天津科器高新技術(shù)公司；

透光率/霧度測定儀，WGT-S，上海儀電物理光學(xué)儀器有限公司；

電子拉力試驗(yàn)機(jī)，Z020，德國ZWICK公司；

電熱鼓風(fēng)干燥箱，GFL-125，天津市萊玻特瑞儀器設(shè)備有限公司；

水蒸氣透過率測試儀，W3/060，濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司。

1.3 樣品制備

取樣時(shí)，在成品膜卷表面去掉幾層，取未被外界污染的大約10層進(jìn)行各項(xiàng)力學(xué)性能的研究。根據(jù)我國南方、北方氣候的差異性[3]以及GB/T 2918—1998的試驗(yàn)環(huán)境規(guī)定，選擇了3組溫、濕度條件，分別為A(南方夏季，時(shí)間較長)：溫度30 ℃、相對(duì)濕度70 %；B：(北方秋冬春季折合，時(shí)間較長)：溫度5 ℃、相對(duì)濕度20 %；C(標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定條件)：溫度23 ℃、相對(duì)濕度50 %的環(huán)境中進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)，根據(jù)國家發(fā)布的方法標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)節(jié)時(shí)間分別為4 h(拉伸、斷裂、熱收縮、潤濕張力、透濕量)、16 h(摩擦因數(shù))、40 h(霧度)，并在與狀態(tài)調(diào)節(jié)相同的環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)。

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

拉伸性能按照GB/T 1040.3—2006[4]進(jìn)行測試，試樣采用長條形，尺寸為150 mm×15 mm，夾具間距為100 mm，試驗(yàn)速度為200 mm/min，分別測試縱向、橫向試樣各5條，再各取其平均值；

熱收縮率測定：調(diào)節(jié)電熱鼓風(fēng)干燥箱溫度，BOPP材質(zhì)要求是恒溫至(120±1) ℃，迅速放入試樣并開始計(jì)時(shí)，保持加熱2 min，PET材質(zhì)及雙向拉伸聚酯膜要求是恒溫至(150±1) ℃，保持30 min后取出， BOPA材質(zhì)及雙向拉伸聚酰胺膜要求是恒溫至(160±1) ℃，加熱5 min，分別冷卻至試驗(yàn)環(huán)境溫度后，沿標(biāo)線分別測量縱橫向長度，計(jì)算試樣的熱收縮率，縱橫向試樣各5片，取算術(shù)平均值為測量結(jié)果，精確到小數(shù)點(diǎn)后一位；

摩擦因數(shù)按照GB/T 10006—1988[5]進(jìn)行測試，每組薄膜測量3對(duì)試樣，取算術(shù)平均值；

水蒸氣透過量按照GB/T 1037—1988[6]進(jìn)行，每組薄膜測量3個(gè)試樣，取算術(shù)平均值；

霧度按照GB/T 2410—2008[7]進(jìn)行測試，采用霧度計(jì)法，每組薄膜測量3個(gè)試樣，取算術(shù)平均值；

潤濕張力按照GB/T 14216—2008[8]進(jìn)行測試，每組薄膜測量3個(gè)試樣，取算術(shù)平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸強(qiáng)度

拉伸強(qiáng)度測試結(jié)果如表1所示，低溫環(huán)境下的拉伸強(qiáng)度要優(yōu)于高溫和標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的數(shù)值，高溫環(huán)境下，塑料樹脂軟化是造成材料力學(xué)性能下降的原因。BOPA涂布膜與CPP鍍鋁膜的縱向強(qiáng)度大于橫向強(qiáng)度，另6組試樣的縱向拉伸強(qiáng)度均小于橫向拉伸強(qiáng)度，拉伸強(qiáng)度最大的是雙向拉伸聚酰胺膜，因其具有氫鍵結(jié)合的分子結(jié)構(gòu)，具有更高的拉伸強(qiáng)度，低溫下縱向拉伸強(qiáng)度的數(shù)值為336.3 MPa，橫向拉伸強(qiáng)度的數(shù)值為386.5 MPa。

表1 8組薄膜的拉伸強(qiáng)度Tab.1 Tensile strength of the eight films

2.2 斷裂伸長率

斷裂伸長率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，CPP鍍鋁膜的縱向斷裂伸長率小于橫向，另7組試樣的縱向斷裂伸長率均大于橫向，在高溫環(huán)境下，斷裂伸長率要優(yōu)于低溫、標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的測試結(jié)果，與拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果正好相反。說明環(huán)境溫度影響塑料樹脂的塑性變形。斷裂伸長率最大的是CPP鍍鋁膜， PP是繼PA之后發(fā)現(xiàn)的性能優(yōu)良的樹脂，是一種高密度、無側(cè)鏈、高結(jié)晶的線形聚合物，機(jī)械強(qiáng)度大，耐溶劑，無毒，硬度高，可在110～120 ℃下長期使用。高溫下縱向斷裂伸長率的數(shù)值高達(dá)為501.4 %，橫向數(shù)值高達(dá)為654.8 %。

表2 8組薄膜的斷裂伸長率Tab.2 Comparison of extention of the eight films

2.3 熱收縮率

熱收縮率是塑料薄膜因其固有的熱膨脹率而產(chǎn)生的表面變化。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示，每組樣品的縱向均大于橫向，符合楊智能等[9]對(duì)塑料薄膜熱收縮率的測試規(guī)律。熱收縮率最小的是CPP鍍鋁膜，在不同的溫、濕度試驗(yàn)環(huán)境下，試驗(yàn)數(shù)據(jù)無變化，縱向?yàn)?.2 %，橫向?yàn)?.1 %，流延CPP因其特殊的生產(chǎn)工藝，在任何環(huán)境下幾乎無收縮。熱收縮率最大的是低溫下BOPP鍍鋁膜，縱向?yàn)?.2 %，橫向?yàn)?.4 %，BOPP鍍鋁膜既具有塑料薄膜的特性，又具有金屬的特性，具有優(yōu)良的阻氣性、阻濕性、遮光性、保香性和收縮性能。

表3 8組薄膜的熱收縮率Tab.3 Hot-shrinkage rate of the eight films

2.4 摩擦因數(shù)

摩擦因數(shù)是指薄膜接觸面之間的摩擦力和作用在其一表面上的垂直力的比值，其與薄膜表面的粗糙度有關(guān)，可分為動(dòng)摩擦因數(shù)和靜摩擦因數(shù)，靜摩擦力是兩接觸表面在相對(duì)位移開始時(shí)的最大阻力，動(dòng)摩擦力是兩接觸表面以一定速度滑動(dòng)時(shí)的阻力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示，每組的靜摩擦因數(shù)均大于動(dòng)摩擦因數(shù)，符合工作原理，高溫高濕環(huán)境下的BOPET涂布膜靜、動(dòng)摩擦因數(shù)最大，靜摩擦因數(shù)為0.633，動(dòng)摩擦因數(shù)為0.393。低溫低濕環(huán)境下的BOPET鍍鋁膜靜、動(dòng)摩擦因數(shù)最小，靜摩擦因數(shù)為0.136，動(dòng)摩擦因數(shù)為0.117，摩擦因數(shù)與PET的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，PET俗名滌綸，主要作為合成纖維的原料， 根據(jù)需要選擇鍍層，可以改善PET的結(jié)構(gòu)特性。

表4 8組薄膜的摩擦因數(shù)Tab.4 Friction coefficient of the eight films

2.5 透濕量

1—BOPP涂布膜 2—BOPET涂布膜 3—BOPA涂布膜 4—BOPET鍍鋁膜 5—BOPP鍍鋁膜 6—CPP鍍鋁膜 7—BOPA膜 8—BOPET膜 組別：—A —B —C圖1 8組薄膜透濕量的比較Fig.1 Comparison of water vapor transmission of the eight films

透濕量是在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫度(38 ℃)、相對(duì)濕度(90 %)下，一定的水蒸氣壓差和一定厚度的條件下，1 m2試樣在24 h內(nèi)透過的水蒸氣量。劉釗等[10]測定了不同材質(zhì)食品包裝用塑料袋的透濕、透氧量，得出了不同材質(zhì)之間阻透性的差異。試驗(yàn)中采用試樣為圓形，直徑為75 mm。試驗(yàn)結(jié)果顯示，因生產(chǎn)工藝不同，3組涂布膜和3組鍍鋁膜的透濕量非常小，低溫低濕環(huán)境下的CPP鍍鋁膜的測試值最小，為0.6 g/(m2·24 h)。雙向拉伸聚酰胺膜的透濕量非常大，測試數(shù)據(jù)與陳景華[11]的研究結(jié)果相符，最大值為高溫環(huán)境下測試結(jié)果為98.3 g/(m2·24 h)，說明防潮效果比較差，對(duì)于有防潮要求的包裝材料，建議選擇涂覆薄膜。

2.6 霧度

霧度是透過薄膜而偏離入射光方向的散射光與透射光通量的比值，霧度越大表示塑料薄膜的透明度特別是成像度越低，是塑料薄膜光學(xué)透明性的重要參數(shù)，董靜等[12]分析了影響丁苯透明抗沖樹脂霧度的一些因素，張莉瓊等[13]研究影響聚乙烯醇-魔芋葡甘聚糖包裝膜透光率和霧度的因素,吳富等[14]設(shè)計(jì)研制了相應(yīng)的透光率和霧度測量裝置。鍍鋁膜由于其生產(chǎn)工藝的特殊性，對(duì)霧度不做要求。另5組薄膜的試驗(yàn)方案如圖2所示，相對(duì)偏差均在5 %以內(nèi)。結(jié)果顯示，高溫高濕環(huán)境下雙向拉伸聚酯膜的霧度最大，為5.8 %，低溫低濕環(huán)境下BOPP涂布膜的霧度值最小，為1.5 %。

組別：◆—A ■—B ▲—C 1—BOPP涂布膜 2—BOPET涂布膜 3—BOPA涂布膜 4—BOPET鍍鋁膜 5—BOPP鍍鋁膜 6—CPP鍍鋁膜 7—BOPA膜 8—BOPET膜圖2 8組薄膜霧度的比較Fig.2 Comparison of haze of the eight films

2.7 潤濕張力

薄膜表面的潤濕性是制約印刷質(zhì)量的最大因素，薄膜表面的潤濕性必須比油墨的潤濕性好，印刷圖案才能牢固，不易脫落。趙波[15]利用量角法代替涂布法對(duì)電暈處理薄膜樣品潤濕張力進(jìn)行了測試，有一定的優(yōu)越性。8組樣品潤濕張力的測試結(jié)果如圖7所示，低溫低濕試驗(yàn)環(huán)境下與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境下的數(shù)據(jù)基本一致，變化不大，基材為PET、PA的潤濕性普遍較差，PP基材的潤濕性好的些，與分子結(jié)構(gòu)的親水自由基有關(guān)。高溫高濕環(huán)境下BOPA涂布膜與BOPET鍍鋁膜的潤濕張力最大，數(shù)值均為73 m·N/m，表明這兩類薄膜的潤濕性能較差，不易印刷。低溫低濕環(huán)境下CPP鍍鋁膜的潤濕張力值最小，為36 m·N/m，潤濕性能最好。

組別：◆—A ■—B ▲—C 1—BOPP涂布膜 2—BOPET涂布膜 3—BOPA涂布膜 4—BOPET鍍鋁膜 5— BOPP鍍鋁膜 6— CPP鍍鋁膜 7—BOPA膜 8—BOPET膜圖3 8組薄膜潤濕張力的比較Fig.3 Comparison of wetting tension of the eight films

3 結(jié)論

(1)聚酰胺(PA)膜的拉伸強(qiáng)度為最大，斷裂伸長率最大的是CPP鍍鋁膜；

(2)熱收縮率最大的是低溫下BOPP鍍鋁膜，高溫高濕環(huán)境下的BOPET涂布膜靜、動(dòng)摩擦因數(shù)最大；

(3)BOPET涂布膜、BOPA涂布膜的水蒸氣透過量較大，高溫高濕環(huán)境下聚酯膜PET的霧度最大，高溫高濕環(huán)境下BOPA涂布膜與BOPET鍍鋁膜的潤濕張力最大。