鐳射BOPP基膜循環(huán)拉伸力學(xué)性能的試驗研究

杜子康，于法月，夏家良，何邦貴*，鐘靈杰

鐳射BOPP基膜循環(huán)拉伸力學(xué)性能的試驗研究

杜子康1，于法月2，夏家良3，何邦貴1*，鐘靈杰4

（1.昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650000；2.紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司昆明卷煙廠，昆明 650000；3.云南九九彩印有限公司，昆明 650000；4.云南九澳包裝材料有限公司，玉溪 653100）

為研究雙向拉伸聚丙烯（Biaxially Oriented Polypropylene，BOPP）薄膜在重復(fù)拉伸使用后的彈性模量變化以及應(yīng)變變化趨勢。以26 μm BOPP薄膜為研究對象，以1、1.5、2、2.5、3、3.5、4 N為最大加載力分別進(jìn)行加載周期為15次的單軸循環(huán)拉伸試驗，總結(jié)對比循環(huán)次數(shù)以及加載力對彈性模量及棘輪應(yīng)變的影響，分析薄膜性能變化趨勢。通過對比同一加載應(yīng)力不同循環(huán)下的彈性模量以及棘輪應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)在預(yù)設(shè)加載力下隨著循環(huán)次數(shù)增加，薄膜彈性模量呈增大趨勢，且增大幅度逐漸減小，其棘輪應(yīng)變與彈性模量變化趨勢一致；通過取均值對比不同加載力下的彈性模量以及棘輪應(yīng)變變化，發(fā)現(xiàn)薄膜彈性模量隨加載力增大而先增大后減小，最大應(yīng)變以及最小應(yīng)變均隨加載力的增加而增大。通過試驗研究得出了BOPP薄膜在循環(huán)拉伸中彈性模量及棘輪應(yīng)變隨加載力、循環(huán)次數(shù)增大的變化趨勢；對薄膜性能變化有了一定的預(yù)測，并為實際加工中的張力選擇提供了指導(dǎo)性建議。

雙向拉伸聚丙烯薄膜；單軸循環(huán)拉伸試驗；彈性模量；棘輪應(yīng)變

在現(xiàn)代軟包逐漸發(fā)展的如今，各種材料的開發(fā)應(yīng)用也愈發(fā)豐富，其中鐳射膜由于其獨特美觀的樣式以及防偽功能越來越受廣大消費者以及生產(chǎn)廠家的青睞，應(yīng)用十分廣泛。目前市面上鐳射膜生產(chǎn)主要使用的是聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜，且均以傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝[1]進(jìn)行加工生產(chǎn)。傳統(tǒng)工藝主要有涂布、模壓、鍍鋁、復(fù)合、剝離等工序，其中模壓需要進(jìn)行鎳板的制作，模壓前后PET薄膜均需要進(jìn)行涂布，由于其工序較多以及材料損耗較大，使得生產(chǎn)效率相對較低，成本也較高。目前市面上，出現(xiàn)了對薄膜進(jìn)行重復(fù)加工利用的工藝。如鄭成賦[2]對可重復(fù)利用的激光全息轉(zhuǎn)移膜的研制，是對復(fù)合涂料進(jìn)行改性，以PET/BOPP復(fù)合膜為基體，使其可以重復(fù)鍍鋁并進(jìn)行多次轉(zhuǎn)移。云南九澳包裝材料有限公司開發(fā)了“冷轉(zhuǎn)印”工藝，以壓印好鐳射圖文的BOPP薄膜作為基膜進(jìn)行鐳射圖文的轉(zhuǎn)移，剝離后的BOPP薄膜可進(jìn)行重復(fù)利用，該工藝大大降低了生產(chǎn)成本，其較少的工藝步驟也使得冷轉(zhuǎn)印生產(chǎn)效率較傳統(tǒng)鐳射膜生產(chǎn)有很大的提高。但冷轉(zhuǎn)印工藝為新型工藝，現(xiàn)面臨著基膜利用次數(shù)不高、加工質(zhì)量不穩(wěn)定的問題，目前在實際生產(chǎn)中也無具體的參數(shù)調(diào)整方案。

通過實際生產(chǎn)可知，基膜在加工產(chǎn)生的塑性應(yīng)變和加工中的最大應(yīng)變分別影響基膜的利用次數(shù)和涂布質(zhì)量，由郭毅[3]研究了卷到卷系統(tǒng)中導(dǎo)向輥表面薄膜褶皺行為可知，褶皺的產(chǎn)生與薄膜的彈性模量相關(guān)，冷轉(zhuǎn)印工藝對薄膜而言本質(zhì)上是循環(huán)拉伸的過程，即基膜的利用次數(shù)和加工質(zhì)量受薄膜循環(huán)拉伸力學(xué)性能中彈性模量和棘輪應(yīng)變的影響。欲改善工藝，需了解薄膜循環(huán)拉伸力學(xué)性能。目前關(guān)于BOPP薄膜的研究主要圍繞其熱收縮性能、表面性能[4-5]以及經(jīng)過專用料改性后的性能研究[6-8]，對薄膜拉伸時的性能變化研究也只停留在對生產(chǎn)及初次拉伸時的狀態(tài)研究[9-11]。關(guān)于BOPP薄膜循環(huán)拉伸力學(xué)性能的研究較為缺乏。為了提升冷轉(zhuǎn)印工藝中BOPP基膜利用次數(shù)以及加工質(zhì)量，本文參考其他薄材循環(huán)拉伸性能的研究[12-14]，對BOPP薄膜進(jìn)行了在7組低加載應(yīng)力下的單軸循環(huán)拉伸試驗，深入研究了BOPP薄膜循環(huán)拉伸力學(xué)性能，詳細(xì)分析了彈性模量、棘輪應(yīng)變與循環(huán)次數(shù)以及加載應(yīng)力的關(guān)系，為實際生產(chǎn)中張力的設(shè)置提供了參考指導(dǎo)。

1 循環(huán)拉伸試驗

1.1 試樣材料及設(shè)備參數(shù)

主要材料：HBn26鐳射BOPP基膜，采自廣東德冠薄膜新材料股份有限公司。

主要儀器：MTS E45電子萬能試驗機(jī)，深圳三思縱橫科技股份有限公司。

1.2 方法

1.2.1 試樣尺寸

BOPP基膜試樣采用啞鈴型，以GB/T 1040.3— 2006-1B/10[15]為取樣標(biāo)準(zhǔn)，在縱向（MD）方向取樣，取樣部分均距薄膜邊緣100 mm，以確保試樣的可代表性。具體試樣尺寸如圖1所示。

圖1 試樣尺寸

1.2.2 試驗參數(shù)

1.2.2.1 設(shè)備加載力

加工生產(chǎn)中的張力較小，考慮實際情況，設(shè)置加載力為1、1.5、2、2.5、3、3.5、4 N。

1.2.2.2 試驗流程

分別以1、1.5、2、2.5、3、3.5、4 N為最大加載力，最小加載力為0 N，以三角波形式加載循環(huán)15次，加載以及卸載力的速率為0.15 N/s。為更接近實際工藝加工條件，在循環(huán)拉伸中設(shè)置最大加載力保載時間為5 s，以模擬實際中的膜在設(shè)備中的傳輸；設(shè)置0 N加載力的保載時間為5 s，以模擬膜在收卷后脫離設(shè)備受拉的狀態(tài)。為保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每一組參數(shù)測試5個試樣，這樣可在一定程度上避免試驗誤差。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

圖2為試樣在不同力下的單軸循環(huán)拉伸試驗力-位移曲線。由于加載力整體較小，為方便觀察曲線較為完整的變化，選擇加載力為3.5 N和4 N的曲線進(jìn)行初步觀察。由于設(shè)備實際導(dǎo)出圖較難觀察不同周期下加載段曲線的變化，現(xiàn)將第1、6、11、15次加載時的加載段曲線去除殘余應(yīng)變后進(jìn)行比較，結(jié)果如圖3所示。在初次加載時薄膜的非線性特征明顯，通過擬合加載段曲線各段斜率，在0.4 N以前曲線增長較為平緩，而后增速變快，在2.5 N后增速再次變緩，整體曲線呈“S”形；在循環(huán)過程中，前幾次循環(huán)的加載曲線與第1次加載曲線差異較大，而后隨著循環(huán)次數(shù)增加，加載段曲線的差異逐漸變小，且曲線逐漸貼近于線性；在循環(huán)拉伸過程中所產(chǎn)生的殘余變形量在第1次卸載時最大，然后隨著循環(huán)次數(shù)增加逐漸減??；加載段與卸載段曲線均不重合，表明BOPP薄膜黏彈性特征明顯，這進(jìn)一步證明了對其循環(huán)拉伸彈性模量以及塑性變形考察的必要性。

2.2 結(jié)果分析

為得到各加載段的彈性模量，現(xiàn)采用origin軟件中的直線擬合分析加載力-位移曲線斜率大小，再進(jìn)行彈性模量的轉(zhuǎn)化。為更準(zhǔn)確得到循環(huán)次數(shù)對彈性模量的影響，現(xiàn)對多組試樣數(shù)據(jù)求平均值來進(jìn)行分析。

2.2.1 力學(xué)性能分析

為了更直觀地觀察力學(xué)性能的變化，將表1數(shù)據(jù)分成1、1.5、2、2.5 N和2.5、3、3.5、4 N 2組作彈性模量-循環(huán)次數(shù)變化散點圖，如圖4所示。

觀察圖4發(fā)現(xiàn)在各組加載力下，彈性模量均隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大，在前幾次加載中增長較快，而后增速變緩。為探討不同加載力下，彈性模量增速變化情況以及到達(dá)“穩(wěn)定”的快慢，將不同加載力下的循環(huán)次數(shù)與彈性模量數(shù)據(jù)擬合為函數(shù)形式以便計算比較。擬合曲線使用origin軟件中的非線性曲線擬合，經(jīng)過多組模型嘗試，選擇對數(shù)據(jù)組擬合度最高的擬合模型，擬合模型及參數(shù)如表2所示。

圖2 BOPP薄膜單軸循環(huán)拉伸力-位移曲線

圖3 不同周期下的加載段比較

表1 不同加載力下的彈性模量均值

Tab.1 Mean elastic modulus under different loading forces MPa

圖4 不同拉力下彈性模量-循環(huán)次數(shù)變化散點圖

表2 彈性模量-循環(huán)次數(shù)擬合模型

Tab.2 Elastic modulus-cycle number fitting model

由直接觀察以及擬合數(shù)據(jù)可以得出，在目前加載力下彈性模量隨加載次數(shù)增大而增大，且增長幅度逐漸減小。為確定彈性模量在增長中的“穩(wěn)定點”，以相鄰2次循環(huán)的彈性模量差與第2次和第1次差值的比值為相對增長率。當(dāng)相對增長率小于10%時即認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)定[13]，通過計算可知，1～4 N的穩(wěn)定點分別是9、6、5、5、7、6、3次。

為討論拉伸力對彈性模量的影響，取表1中不同力加載下彈性模量平均值作比較。

如圖5可擬合為彈性模量與加載力的二次函數(shù)（式（1））。可得出在加載力為2.35 N以下時，彈性模量隨加載應(yīng)力的增大而增大，而超過2.35 N后則呈相反趨勢。原因為：初始狀態(tài)下，薄膜中的分子鏈?zhǔn)撬缮⑴帕械?，相互之間存在一定的間隙。當(dāng)受到拉伸應(yīng)力時，分子鏈開始被拉伸并逐漸排列整齊，分子鏈的排列使得分子間的相互作用力增強(qiáng)，從而增加了薄膜的剛度和強(qiáng)度。隨著應(yīng)力的進(jìn)一步增加，分子鏈之間的相互作用力達(dá)到一定程度后，開始出現(xiàn)斷裂和滑移現(xiàn)象，這導(dǎo)致分子鏈的斷裂和重新排列，使得分子鏈的排列變得不再整齊。這種不規(guī)則排列導(dǎo)致了分子鏈之間的相互作用力減弱，從而導(dǎo)致了薄膜彈性模量的減小。因此在宏觀上體現(xiàn)出彈性模量先增大后減小的態(tài)勢。

圖5 彈性模量-加載力擬合曲線

Fig.5 Elastic modulus-loading force fitting curve

薄膜產(chǎn)生褶皺與張力及彈性模量等因素相關(guān)[3]。當(dāng)其他因素保持不變時，僅考慮彈性模量時，彈性模量越大薄膜越不易產(chǎn)生褶皺，在加載力為2.35 N，即加載應(yīng)力為9.04 MPa時其彈性模量最大，此時薄膜最不易產(chǎn)生褶皺。

2.2.2 棘輪應(yīng)變

棘輪應(yīng)變是材料在受到循環(huán)載荷時產(chǎn)生的漸進(jìn)應(yīng)變，對結(jié)構(gòu)的形狀和受力等有著影響，是實際生產(chǎn)中需要考慮的一個重要問題[16]。為觀察不同加載力下的棘輪應(yīng)變，取每組試驗中彈性模量最接近本組均值的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。不同加載力下應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)變化的擬合曲線如圖6所示，擬合模型及參數(shù)如表3和表4所示。

圖6 不同加載力下循環(huán)次數(shù)-應(yīng)變曲線

表3 最小變形-循環(huán)次數(shù)擬合模型

Tab.3 Minimum deformation-cycle number fitting model

表4 最大變形-循環(huán)次數(shù)擬合模型

Tab.4 Maximum deformation-cycle number fitting model

觀察可知，薄膜的最大應(yīng)變以及最小應(yīng)變均隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大，且增大幅度逐漸減小。當(dāng)最小加載力為0 N時，最小應(yīng)變?yōu)楸∧っ看卫旌蟮乃苄詰?yīng)變，而最大應(yīng)變?yōu)槔熘斜∧さ目倯?yīng)變。為得到薄膜在循環(huán)拉伸中塑性應(yīng)變的穩(wěn)定值，參考彈性模量穩(wěn)定點的確定方式進(jìn)行計算。以此可得1～4 N加載力下，塑性應(yīng)變的穩(wěn)定點分別在循環(huán)次數(shù)為9、10、7、9、11、9、14次時，穩(wěn)定點的塑性應(yīng)變分別為0.131 22%、0.137 98%、0.146 09%、0.228 8%、0.243 95%、0.309 66%、0.457 55%。在實際加工中，涂布以及復(fù)合時的薄膜變形也會一定程度上影響薄膜的加工效果，這就與拉伸時薄膜的總應(yīng)變量相關(guān)。計算不同加載力下的最大應(yīng)變均值即可得出對加工效果造成影響的大小。要使薄膜的利用次數(shù)增加，其產(chǎn)生的塑性應(yīng)變應(yīng)越小越好。為了解塑性應(yīng)變隨加載力增大而變化的情況，則需要計算不同加載力下最小應(yīng)變均值。不同加載力下最大及最小應(yīng)變均值的計算結(jié)果如表5所示。由此可知，最大應(yīng)變隨加載力的增大而增大，最小應(yīng)變也隨加載力增大而增大，且2 N以前增長幅度較小。

表5 不同加載力下應(yīng)變均值

Tab.5 Mean strain under different loading forces

3 結(jié)語

為提升鐳射BOPP基膜在循環(huán)加工中的利用次數(shù)，優(yōu)化基膜加工質(zhì)量，本文通過不同加載力下的單軸循環(huán)拉伸試驗，研究了循環(huán)次數(shù)與加載力對薄膜彈性模量與棘輪應(yīng)變的影響，擬合了加載力、加載次數(shù)與彈性模量及棘輪應(yīng)變的方程。結(jié)果表明彈性模量與棘輪應(yīng)變均隨加載次數(shù)的增加而增大，且加載幅度逐漸減小；彈性模量隨加載應(yīng)力的增大呈先增大后減小的趨勢，薄膜在加載應(yīng)力為9.04 MPa時彈性模量最大；棘輪應(yīng)變中最大及最小應(yīng)變隨加載力增大而增大，其中最小應(yīng)變在加載力為2 N前增幅較小，最大應(yīng)變在加載力為2.5 N以及4 N時增幅較大。通過數(shù)據(jù)處理結(jié)果可知，實際加工應(yīng)在應(yīng)力為9.04 MPa下進(jìn)行張力調(diào)整，應(yīng)力越小薄膜涂布質(zhì)量越好、可利用次數(shù)越多，增大應(yīng)力則可減少薄膜褶皺。此調(diào)整方案可對生產(chǎn)實際中設(shè)備張力控制有明確指導(dǎo)，提高了薄膜的利用次數(shù)和加工質(zhì)量。

[1] 翟玉福. 激光全息鐳射膜及生產(chǎn)工藝[J]. 廣東印刷, 2018(3): 58-59.

ZHAI Y F. Laser Holographic Laser Film and Production Process[J]. Guangdong Print, 2018(3): 58-59.

[2] 鄭成賦. 可重復(fù)利用激光全息轉(zhuǎn)移膜的研制[J]. 山東化工, 2021, 50(17): 69.

ZHENG C F. Development of Reusable Laser Holographic Transfer Film[J]. Shandong Chemical Industry, 2021, 50(17): 69.

[3] 郭毅. 卷到卷系統(tǒng)導(dǎo)向輥表面的薄膜褶皺行為研究[D]. 西安: 西安理工大學(xué), 2020.

GUO Y. Study on Film Wrinkling Behavior on the Surface of Guide Roller of Winding System[D]. Xi'an: Xi'an University of Technology, 2020.

[4] 方文彬. 電暈對BOPP薄膜表面化學(xué)組成和表面張力的影響研究[J]. 合成材料老化與應(yīng)用, 2022, 51(3): 55-56.

FANG W B. The Effect of Corona on the Surface Chemical Composition and Surface Tension of BOPP Film[J]. Synthetic Materials Aging and Application, 2022, 51(3): 55-56.

[5] LIN Y J, DIAS P, CHUM S, et al. Surface Roughness and Light Transmission of Biaxially Oriented Polypropylene Films[J]. Polymer Engineering and Science, 2007, 47(10): 1658-1665.

[6] 涂志剛, 熊立貴, 陳利偉, 等. 添加劑對BOPP薄膜光學(xué)性能的影響[J]. 包裝工程, 2020, 41(13): 139-144.

TU Z G, XIONG L G, CHEN L W, et al. Effects of Additives on Optical Properties of BOPP Films[J]. Packaging Engineering, 2020, 41(13): 139-144.

[7] 董志遠(yuǎn). 熱處理及β成核劑對BOPP薄膜的力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性的影響[D]. 北京: 北京化工大學(xué), 2021.

DONG Z Y. Effects of Heat Treatment and β Nucleating Agent on Mechanical Properties and Dimensional Stability of BOPP Films[D]. Beijing: Beijing University of Chemical Technology, 2021.

[8] YUKSEKKALAYCI C, YILMAZER U, ORBEY N. Effects of Nucleating Agent and Processing Conditions on the Mechanical, Thermal, and Optical Properties of Biaxially Oriented Polypropylene Films[J]. Polymer Engineering & Science, 1999, 39(7): 1216-1222.

[9] ZHANG C, DAI X Y, XING Z L, et al. Investigation on the Structure and Performance of Polypropylene Sheets and Bi-Axially Oriented Polypropylene Films for Capacitors[J]. Chinese Journal of Polymer Science, 2022, 40(12): 1688-1696.

[10] BOZDO?AN A, AKSAKAL B, KOC K, et al. Effect of Strain Level on Stress Relaxation and Recovery Behaviors of Isotactic Biaxially Oriented Polypropylene Films[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2015, 133(5/6): 42948.

[11] ELIAS M B, MACHADO R, CANEVAROLO S V. Thermal and Dynamic-Mechanical Characterization of Uni- and Biaxially Oriented Polypropylene Films[J]. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2000, 59(1): 143-155.

[12] 劉巖, 劉儼震. Kapton薄膜高溫單軸循環(huán)拉伸的力學(xué)性能[J]. 廈門大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2022, 61(4): 731-738.

LIU Y, LIU Y Z. Cyclic Tensile Behaviors of Kapton Foils under High Temperatures[J]. Journal of Xiamen University (Natural Science), 2022, 61(4): 731-738.

[13] 胡建輝, 陳務(wù)軍, 孫瑞, 等. ETFE薄膜單軸循環(huán)拉伸力學(xué)性能[J]. 建筑材料學(xué)報, 2015, 18(1): 69-75.

HU J H, CHEN W J, SUN R, et al. Mechanical Properties of ETFE Foils under Uniaxial Cyclic Tensile Loading[J]. Journal of Building Materials, 2015, 18(1): 69-75.

[14] 陳建穩(wěn), 陳務(wù)軍, 趙兵. 浮空器膜材循環(huán)拉伸力學(xué)性能及彈性常數(shù)研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2013, 40(6): 40-46.

CHEN J W, CHEN W J, ZHAO B. Study of the Mechanical Properties and Elastic Constants of Aerostat Envelope Fabric under Cyclic Tensile Loading[J]. Journal of Hunan University (Natural Sciences), 2013, 40(6): 40-46.

[15] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局, 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. 塑料拉伸性能的測定第3部分：薄膜和薄片的試驗條件: GB/T 1040.3—2006[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2007.

General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China, Standardization Administration of the People’s Republic of China. Plastics - Determination of Tensile Properties - Part 3: Test Conditions for Films and Sheets: GB/T 1040.3—2006[S]. Beijing: Standards Press of China, 2007.

[16] HUI S C. Ratcheting Behavior of PTFE under Cyclic Compression[J]. Polymer Testing, 2005, 24(7): 829-833.

Experimental Study on Cyclic Tensile Mechanical Properties of Laser BOPP Substrate Films

DU Zikang1, YU Fayue2,XIA Jialiang3,HE Banggui1,ZHONG Lingjie4

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650000, China; 2. Hongyun Honghe Tobacco (Group) Co., Ltd., Kunming 650000, China; 3. Yunnan Jiujiu Color Printing Co., Ltd., Kunming 650000, China; 4. Yunnan Jiu'ao Packaging Materials Co., Ltd., Yuxi 653100, China)

The work aims to study the changes in elastic modulus and plastic deformation trend of biaxially oriented polypropylene (BOPP) films after repeated stretching use. With 26 μm BOPP films as the research object, uniaxial cyclic tensile tests were conducted with a maximum loading force of 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, and 4 N for 15 loading cycles. The effects of the cycle number and loading force on the elastic modulus were summarized and compared, and the trend of film performance changes was analyzed. By comparing the elastic modulus and ratcheting strain under different cycles under the same loading stress, it was found that under the preset loading force, the elastic modulus showed an increasing trend with the increase of the cycle number, and the increasing amplitude gradually decreased. The ratcheting strain and the change trend of the elastic modulus were consistent. By comparing the elastic modulus and ratcheting strain changes under different loading forces by taking the mean, it was found that the elastic modulus first increased and then decreased with the cycle number, while the maximum and minimum strains both increased with the number of cycles. The experiment shows that the elastic modulus and the ratcheting strain of BOPP films increase with the increase of loading force and cycle number. It provides certain predictions about the changes in film properties and provides guidance for the selection of tension in actual processing.

biaxially oriented polypropylene film; uniaxial cyclic tensile test; elastic modulus; ratcheting strain

TB484.3

A

1001-3563(2024)01-0111-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.01.013

2023-09-18

云南省科技創(chuàng)新引導(dǎo)項目（202104AR040018）