檢測薄膜的拉伸性能的意義

塑料薄膜是主要的軟包裝材料之一，本文對幾種常見(jiàn)的塑料薄膜，結合其所適用的對應標準，在GB/T 2918《塑料試樣狀態(tài)調節和試驗的標準環(huán)境》規定的環(huán)境下進(jìn)行狀態(tài)調節4～8h，并在此條件下利用MTS公司的SANS***拉力試驗機進(jìn)行試驗，獲得拉伸曲線(xiàn)，同時(shí)分析了薄膜在拉伸測試過(guò)程中的變形特點(diǎn)，供大家對比和參考。

幾種塑料薄膜的拉伸曲線(xiàn)

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(chēng)應變”按GB/T 1040.3-2006《塑料 拉伸性能的測定》的規定進(jìn)行，采用切割法制備試樣，試樣類(lèi)型為2型試樣，采用長(cháng)150mm、寬（15±0.1）mm的長(cháng)條形，夾具間距為100mm，試驗速度為（250±25）mm/min，分別進(jìn)行縱向和橫向拉伸測試，繪制拉伸曲線(xiàn)，如圖1所示。

從圖1可知，BOPP薄膜縱向、橫向拉伸曲線(xiàn)形態(tài)差異較大。MD曲線(xiàn)較為平滑，拉伸力數值較大，拉伸呈剛性；TD曲線(xiàn)呈現出屈服拐點(diǎn)，拐點(diǎn)前后曲線(xiàn)線(xiàn)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(cháng)率”按GB/T 13022《塑料薄膜拉伸性能試驗方法》規定進(jìn)行，試樣采用長(cháng)150mm、寬15mm的長(cháng)條形，標距為50mm，試驗速度為（500±50）mm/ min，分別進(jìn)行縱向和橫向拉伸測試，繪制拉伸曲線(xiàn)，如圖2所示。

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

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(chēng)應變”按GB/T 1040.3-2006《塑料 拉伸性能的測定》規定進(jìn)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(jìn)行縱向和橫向拉伸測試。圖3為***常用的LDPE薄膜拉伸曲線(xiàn)。

從圖3可知，MD曲線(xiàn)與CPP薄膜的拉伸曲線(xiàn)類(lèi)似；TD曲線(xiàn)起始拉伸力迅速上升至屈服拐點(diǎn)，后隨拉伸伸長(cháng)的增大薄膜拉伸力升高較為緩慢，但曲線(xiàn)平滑，拉伸力穩定。

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(cháng)率”按GB/T 1040.3-2006《塑料 拉伸性能的測定》規定進(jìn)行。試樣采用2型試樣，長(cháng)150mm、寬（15±0.1）mm的長(cháng)條形，夾具間距為100mm，試驗速度為（100±10）mm/min，分別進(jìn)行縱向和橫向拉伸測試，繪制如圖4所示的拉伸曲線(xiàn)。

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

分析和討論

對于高分子聚合物來(lái)說(shuō)，在沒(méi)有外力作用時(shí)，大分子鏈、鏈段或微晶的排列是無(wú)序的，呈現各向同性。當受到拉伸應力等外力作用時(shí)，大分子鏈、鏈段或微晶就會(huì )沿著(zhù)外力方向進(jìn)行有序排列，產(chǎn)生不同程度的取向，形成取向態(tài)結構。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(zhù)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(shí)的結果差異較大。

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為筆者總結出的塑料薄膜拉伸試驗時(shí)發(fā)生的變形特征近似曲線(xiàn)。從中可以看出，薄膜在拉伸測試中，當成品薄膜受到拉伸應力作用時(shí)，初期體現出一定的彈性特征，其大分子主鏈伸直張緊，分子鍵角扭變，在宏觀(guān)上表現為試樣繃緊狀態(tài)。該階段即圖5中OA段，又稱(chēng)瞬時(shí)彈性變形，在該階段拉伸應力解除時(shí)可*回復原來(lái)形狀。材料繼續受力，分子鏈開(kāi)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(jìn)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(dòng)近于凍結，故拉伸應力解除后形變不能恢復。材料開(kāi)始從彈性狀態(tài)非均勻地向彈-塑性狀態(tài)過(guò)渡，標志著(zhù)材料宏觀(guān)塑性變形的開(kāi)始，即所謂屈服（圖5中A點(diǎn)開(kāi)始）。材料屈服后將產(chǎn)生頸縮，應變增大，使材料失去原有功能。該階段即圖5中的AB段，又稱(chēng)頸縮變形，在該階段拉伸位移增大而拉伸應力無(wú)明顯變化。由于材料承載持續的拉伸負荷，圖5中B點(diǎn)之后，大分子間彼此滑動(dòng)而發(fā)生大變形，隨著(zhù)主鏈化學(xué)鍵的伸長(cháng)，大分子間結合力如氫鍵等斷裂，直至某個(gè)大分子主鏈發(fā)生斷裂，在薄膜試樣上表現為出現微孔洞而產(chǎn)生應力集中，此后大量分子斷裂使微孔洞生長(cháng)并通過(guò)聚集變成裂紋，直至宏觀(guān)斷裂，圖5中BC段又稱(chēng)*塑性變形，在該階段拉伸位移和拉伸應力近線(xiàn)性增大。

在相關(guān)標準中，規定用薄膜試樣拉伸斷裂后的位移和力的值計算拉伸強度和斷裂伸長(cháng)率（斷裂標稱(chēng)應變），以此作為判斷材料“拉斷力”和“斷裂伸長(cháng)率”檢測項目是否符合標準要求。然而對于產(chǎn)品的使用來(lái)說(shuō)，多以屈服點(diǎn)或屈服強度作為材料抗力的指標并成為設計應力的依據，它們是材料的實(shí)際使用極限。薄膜一般都表現出一定的延展性，屈服開(kāi)始之后，薄膜將進(jìn)入彈-塑性過(guò)渡狀態(tài)和*塑性階段，產(chǎn)生變形且不可恢復，即薄膜材料將開(kāi)始逐漸失去原有的設計功能，直至***終*失效。薄膜在印刷和復合過(guò)程中要受到機械力的作用，在產(chǎn)品使用過(guò)程中還要受到外力的作用，若以“拉斷力”作為材料抗力的指標進(jìn)行設計，則包含了材料處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中的拉伸變形形態(tài)，極易造成不可預知的情況（如破膜等），難以保證產(chǎn)品包裝的安全要求，顯然存在著(zhù)物理性能方面的安全隱患。因此，在薄膜成袋的后續工藝或產(chǎn)品的使用過(guò)程中，以屈服點(diǎn)來(lái)設計產(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。
    薄膜一般都表現出一定的延展性，屈服開(kāi)始之后，薄膜將進(jìn)入彈-塑性過(guò)渡狀態(tài)和*塑性階段，產(chǎn)生變形且不可恢復，即薄膜材料將開(kāi)始逐漸失去原有的設計功能，直至***終*失效。薄膜在印刷和復合過(guò)程中要受到機械力的作用，在產(chǎn)品使用過(guò)程中還要受到外力的作用，若以“拉斷力”作為材料抗力的指標進(jìn)行設計，則包含了材料處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中的拉伸變形形態(tài)，極易造成不可預知的情況（如破膜等），難以保證產(chǎn)品包裝的安全要求，顯然存在著(zhù)物理性能方面的安全隱患。因此，在薄膜或者薄膜制成品的后續工藝或產(chǎn)品的使用過(guò)程中，以屈服點(diǎn)來(lái)設計產(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