塑料包裝薄膜的力學(xué)性能檢測(cè)方法及標(biāo)準(zhǔn)

崔衛(wèi)鑫 王克儉

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）

1. 引言

塑料包裝薄膜是由聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯或其他樹脂制成，主要用于包裝以及作覆膜層。

目前，塑料包裝及塑料包裝產(chǎn)品在市場上所占的份額越來越大，特別是復(fù)合塑料軟包裝，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域，這些產(chǎn)品都給人們生活帶來了極大的便利。而力學(xué)性能包括拉伸、抗沖擊、耐撕裂、剝離強(qiáng)度、熱合強(qiáng)度等是保障包裝物品在裝卸、運(yùn)輸、保管、供應(yīng)和銷售的整個(gè)流通過程中順利進(jìn)行的最基本性能。因此對(duì)其力學(xué)性能的檢測(cè)顯得尤為重要。

2. 塑料包裝薄膜的力學(xué)性能特點(diǎn)

塑料包裝薄膜的力學(xué)性能主要包括拉伸強(qiáng)度、耐沖擊性能、熱封強(qiáng)度、耐撕裂性能、剝離強(qiáng)度等。普通包裝薄膜的性能主要取決于塑料的品種。常用的包裝塑料薄膜有：聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、玻璃紙、尼龍、聚酯及聚碳酸酯等。由于各種塑料薄膜的性能不同，因而應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的不同包裝要求，合理選擇塑料包裝薄膜。

聚氯乙烯熱薄膜的收縮率強(qiáng)、易處理，堅(jiān)韌抗沖，抗撕裂性能好。低密度聚乙烯薄膜伸長率大，抗沖擊性與耐低溫性較優(yōu)。聚丙烯薄膜由于拉伸分子定向，所以力學(xué)強(qiáng)度較高，堅(jiān)韌耐磨，但是熱封性差，一般用做復(fù)合薄膜的外層薄膜。玻璃紙的透明性好、硬度高，但撕裂強(qiáng)度差、熱封性差。尼龍薄膜較堅(jiān)韌，具有良好抗撕裂性及較高的拉伸強(qiáng)度，并且還具有較好的耐熱性和耐磨性，因此適于包裝硬性物品。

聚酯薄膜力學(xué)性能優(yōu)良，硬度及韌性高，耐撕裂、耐高溫和低溫，因此常用做蒸煮包裝的外層材料。表1為常用單一薄膜的力學(xué)性能比較。

表1 單一薄膜力學(xué)性能比較

3. 力學(xué)性能檢測(cè)

3.1 標(biāo)準(zhǔn)

塑料包裝薄膜的力學(xué)性能是最重要、最基本的性能之一[1]。包裝薄膜在使用前必須對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)，以防止因力學(xué)性能不足而導(dǎo)致包裝破損與泄漏。塑料包裝薄膜的力學(xué)性能測(cè)定通常參考國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的方法進(jìn)行，塑料包裝薄膜的拉伸性能、剝離性能、沖擊性能、熱封性能以及撕裂性能的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)參見表2。

表2 塑料包裝薄膜的力學(xué)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

3.2 力學(xué)性能檢測(cè)方法

3.2.1 拉伸性能檢測(cè)

拉伸性能是塑料包裝薄膜的重要力學(xué)性能，它能夠直觀反映薄膜的使用性能。該性能通常作為包裝材料的出廠檢驗(yàn)指標(biāo)以及產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)指標(biāo)。

在拉伸性能測(cè)試中，一般需要將試樣制成啞鈴形或長條形，通過萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)的夾具夾持試樣兩端，以一定速度（如表3所示）進(jìn)行拉伸，直至載荷達(dá)到最大值。對(duì)于不同拉伸強(qiáng)度的塑料包裝薄膜應(yīng)選擇適當(dāng)摩擦力的夾持端面，以確保夾持過程中夾持面不會(huì)對(duì)塑料包裝薄膜造成破壞。同時(shí)，測(cè)試應(yīng)符合GB/T 1040.3-2006《塑料拉伸性能的測(cè)定第3部分：薄塑和薄片的試驗(yàn)條件》。該標(biāo)準(zhǔn)適合于各種材料制成的塑料薄膜。

表3 推薦實(shí)驗(yàn)速度 單位：mm/min

賴桂珍等[2]結(jié)合影響拉伸性能測(cè)試結(jié)果的因素，對(duì)測(cè)試結(jié)果的不確定度做了評(píng)析，使檢測(cè)結(jié)果更具可信性。

3.2.2 沖擊性能測(cè)試

塑料薄膜耐沖擊性能是薄膜重要的力學(xué)性能之一[3]，其沖擊強(qiáng)度值高低直接影響到薄膜承受外界撞擊的能力。如果薄膜用于包裝食品及藥品，還影響到包裝物保質(zhì)期。在測(cè)試沖擊性能時(shí)主要采用抗擺錘沖擊法和自由落鏢法。

抗擺錘沖擊法是將試樣放在擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)（如圖1所示）規(guī)定的位置上，使具有一定高度的半球沖擊薄膜，以薄膜破壞時(shí)單位面積所吸收的沖擊能量表示沖擊強(qiáng)度。在性能測(cè)試時(shí)，測(cè)試的試樣需要在溫度為23±2℃、濕度為45%-55%的環(huán)境中處理至少4小時(shí)并且均勻裁取。測(cè)試方法應(yīng)符合GB/T 8809-2015《塑料薄膜抗擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，并且該標(biāo)準(zhǔn)適合各種塑料薄膜的抗擺錘沖擊試驗(yàn)。

圖1 擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)[3]

自由落鏢法是將試樣放在落鏢沖擊試驗(yàn)儀指定的位置上，在給定的自由落鏢沖擊下，測(cè)定使塑料薄膜試樣破損的沖擊質(zhì)量。對(duì)于試驗(yàn)試樣的選取應(yīng)無氣泡、折痕及其它明顯的缺陷，數(shù)量不少于30個(gè)。測(cè)試中應(yīng)遵循GB/T 9639.1-2008《塑料薄膜和薄片抗沖擊性能試驗(yàn)方法自由落鏢法》，該標(biāo)準(zhǔn)適用于塑料薄膜和厚度小于 1 mm的薄片。謝新藝等[4]對(duì)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9639.1-2008進(jìn)行了改進(jìn)，提高了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，更精確的表征塑料薄膜的抗沖擊性能。

3.2.3 抗撕裂性能測(cè)試

抗撕裂性能是指通過萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣施加拉伸負(fù)荷，使試樣在直角口處撕裂，測(cè)定試樣的撕裂力[5]。測(cè)試塑料薄膜的撕裂性能一般采用3種方法，分別為褲形撕裂法、直角撕裂法和埃萊門多夫法。

褲型撕裂法是在試樣長軸方向上切縫至 1/2處所形成的兩“褲腿”上（如圖2所示）經(jīng)受拉伸試驗(yàn)，測(cè)試沿長軸方向上撕裂試樣所需的平均力。試樣中央切口長度為 75±1 mm。試樣裁切的邊緣應(yīng)光滑無缺口。對(duì)于某些材料耐撕裂性可能隨膜面的方向而變化的情況，需要制備兩組試樣。測(cè)試中應(yīng)遵循 GB/T16578-1996 《塑料薄膜和薄片耐撕裂性能試驗(yàn)方法 褲型撕裂法》，其適用于厚度在1 mm以下的軟質(zhì)薄膜或片材。

圖2 褲形撕裂法試樣[5]

直角撕裂法是指對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣施加拉伸負(fù)荷，使試樣在直角口處撕裂，測(cè)定試樣的撕裂力。該法試樣（圖3所示）的直角口處應(yīng)無裂縫及傷痕，且試樣不少于5個(gè)。在受到拉伸試驗(yàn)機(jī)的量程限制下應(yīng)采用疊合試樣組進(jìn)行試驗(yàn)，此時(shí)試驗(yàn)組應(yīng)不少于3組，每組5片。但應(yīng)注意單片試樣和疊合試樣組不能比較。此外，疊合試樣組并不適用于泡沫片。直角撕裂法應(yīng)遵循QB/T1130-1991《塑料直角撕裂性能試驗(yàn)方法》，其適用于薄膜、薄片及其他相似的塑料材料。

圖3 直角撕裂法試樣

埃萊門多夫法是根據(jù)擺錘撕裂具有規(guī)定切口的試樣所消耗的能量來計(jì)算試樣的耐撕裂性。該法的試樣在其長度方向邊的切口應(yīng)至中心點(diǎn)并光滑無刻痕。埃萊門多夫法應(yīng)遵循GB/T11999 -1989《塑料薄膜和薄片耐撕裂性能試驗(yàn)方法-埃萊門多夫法》，其適用于軟塑料薄膜、復(fù)合薄膜、薄片，不適用于聚氯乙烯、尼龍等較硬的塑料材料。

陳美珍[6]對(duì)塑料薄膜直角撕裂強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果影響較大的因素進(jìn)行了分析，確定了擴(kuò)展不確定度，使測(cè)量結(jié)果更加可信。

3.2.4 剝離強(qiáng)度測(cè)試

剝離強(qiáng)度又稱為復(fù)合強(qiáng)度或復(fù)合牢度[7]，主要考察復(fù)合膜層與層之間的粘合強(qiáng)度。如果粘合強(qiáng)度過低，由其生產(chǎn)的包裝材料則極易在使用過程中產(chǎn)生泄露等問題。所以在選用包裝材料前測(cè)試復(fù)合層的剝離力很重要。

剝離強(qiáng)度主要通過運(yùn)用萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)過程中的拉力值變化和位移變化，來計(jì)算出試樣的剝離強(qiáng)度性能指標(biāo)。試樣在橫、縱方向上裁取試樣各5條且表面應(yīng)光滑無刻痕。測(cè)試方法應(yīng)遵循 GB/T8808-1988《軟質(zhì)復(fù)合塑料材料剝離試驗(yàn)方法》，其適用于各種塑料材料的復(fù)合薄膜。

樊軒虎等[8]利用電子萬能拉力試驗(yàn)機(jī)對(duì)雙面鋁塑復(fù)合帶剝離強(qiáng)度的影響因素進(jìn)行了詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)塑料薄膜的變形對(duì)剝離強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果影響較大。

3.2.5 熱合強(qiáng)度測(cè)試

塑料包裝薄膜常常采用熱合的方法將被包裝物封裝在內(nèi)[9]。因此，是否達(dá)到良好的密封與熱封的質(zhì)量有很大關(guān)聯(lián)。在產(chǎn)品的保存和運(yùn)輸過程中，若熱封強(qiáng)度太低，會(huì)導(dǎo)致熱封處裂開、泄漏等問題。因此我們需要通過試驗(yàn)來確定薄膜適宜的熱封合條件，滿足生產(chǎn)工藝的需要。

圖4 取樣位置[9]

熱合強(qiáng)度測(cè)試是將條形試樣的兩端夾在萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)兩個(gè)夾具上，進(jìn)行拉伸，破壞試樣封合部位的最大力值，就是熱封的力值，結(jié)果以單位長度的試樣所用的力值來表示，即熱封強(qiáng)度。測(cè)試中對(duì)于試樣的選取，應(yīng)分別在塑料薄膜包裝袋的側(cè)面、背面、底部和頂部，與熱合部位成垂直的方向上任取試樣（如圖4所示）。測(cè)試應(yīng)遵循QB/T2358-1998《塑料薄膜包裝袋熱合強(qiáng)度試驗(yàn)方法》。該標(biāo)準(zhǔn)適用于各種塑料薄膜包裝袋的熱合強(qiáng)度測(cè)定。

馮利軍[10]從微觀角度分析了影響熱合強(qiáng)度的因素，模擬建立了影響因素與熱合強(qiáng)度間的關(guān)系式，最終取得最佳的熱合條件。

4. 結(jié)論

塑料薄膜的力學(xué)性能是最基本的性能，也最能直接影響塑料包裝的效果。因此，為了滿足日益增長的塑料包裝需求，必須不斷提高加工技術(shù)，不斷完善性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，利用新型材料改性使塑料包裝薄膜的力學(xué)性能更加完善。此外，也可以看出對(duì)塑料包裝薄膜力學(xué)性能的研究分析將會(huì)受到越來越多的重視。