几种塑料薄膜拉伸力的检测

　　梁世何+应永炜+邹春晓+林文峰
　　塑料薄膜是最主要的软包装材料之一，本文对几种常见的塑料薄膜，结合其所适用的对应标准，在GB/T 2918《塑料试样状态调节和试验的标准环境》规定的环境下进行状态调节4～8h，并在此条件下利用MTS公司的SANS万能拉力试验机进行试验，获得拉伸曲线，同时分析了薄膜在拉伸测试过程中的变形特点，供大家对比和参考。
　　几种塑料薄膜的拉伸曲线
　　1.BOPP薄膜
　　GB/T 10003-2008《普通用途双向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜》适用于 BOPP薄膜，其中检测项目＂拉伸强度及断裂标称应变＂按GB/T 1040.3-2006《塑料 拉伸性能的测定》的规定进行，采用切割法制备试样，试样类型为2型试样，采用长150mm、宽（15±0.1）mm的长条形，夹具间距为100mm，试验速度为（250±25）mm/min，分别进行纵向和横向拉伸测试，绘制拉伸曲线，如图1所示。
　　从图1可知，BOPP薄膜纵向、横向拉伸曲线形态差异较大。MD曲线较为平滑，拉伸力数值较大，拉伸呈刚性；TD曲线呈现出屈服拐点，拐点前后曲线线性平直。
　　2.CPP薄膜
　　QB/T 1125-2000《未拉伸聚乙烯、聚丙烯薄膜》适用于CPP薄膜，其中检测项目＂拉伸强度及断裂伸长率＂按GB/T 13022《塑料薄膜拉伸性能试验方法》规定进行，试样采用长150mm、宽15mm的长条形，标距为50mm，试验速度为（500±50）mm/ min，分别进行纵向和横向拉伸测试，绘制拉伸曲线，如图2所示。
　　从图2可知，CPP薄膜纵向、横向拉伸曲线形态近似，起始拉伸力迅速上升，曲线斜率较大，进入屈服后拉伸力随拉伸伸长的增大无明显变化，曲线呈波浪状起伏，随后随拉伸伸长的增大薄膜拉伸力呈线性升高，表现出拉伸硬化现象。
　　3.LDPE薄膜
　　GB/T 4456-2008《包装用聚乙烯吹塑薄膜》适用于PE薄膜，其中检测项目＂拉伸强度及断裂标称应变＂按GB/T 1040.3-2006《塑料 拉伸性能的测定》规定进行。试样为2型试样，宽度为10mm，夹具间距为50mm，试验速度为（500±50）mm/min，分别进行纵向和横向拉伸测试。图3为最常用的LDPE薄膜拉伸曲线。
　　从图3可知，MD曲线与CPP薄膜的拉伸曲线类似；TD曲线起始拉伸力迅速上升至屈服拐点，后随拉伸伸长的增大薄膜拉伸力升高较为缓慢，但曲线平滑，拉伸力稳定。
　　4.BOPET薄膜
　　GB/T 16958-2008《包装用双向拉伸聚酯薄膜》适用于BOPET薄膜，其中检测项目＂拉伸强度及断裂伸长率＂按GB/T 1040.3-2006《塑料 拉伸性能的测定》规定进行。试样采用2型试样，长150mm、宽（15±0.1）mm的长条形，夹具间距为100mm，试验速度为（100±10）mm/min，分别进行纵向和横向拉伸测试，绘制如图4所示的拉伸曲线。
　　从图4可知，BOPET薄膜纵向、横向曲线形态和数值均相近，起始拉伸力迅速上升至明显的屈服拐点，之后拉伸力随拉伸伸长的增大基本呈线性升高；曲线形态光滑平直，表现出拉伸力稳定，表明材料性能较为均衡。
　　分析和讨论
　　对于高分子聚合物来说，在没有外力作用时，大分子链、链段或微晶的排列是无序的，呈现各向同性。当受到拉伸应力等外力作用时，大分子链、链段或微晶就会沿着外力方向进行有序排列，产生不同程度的取向，形成取向态结构。但是取向后，由于取向方向与未取向方向上原子之间的作用力不同，聚合物呈现为各向异性，致使材料在取向方向上的模量、强度、折射率等性质与取向前有了显著的差别。因而对于成品薄膜，由于纵向、横向取向程度的不同，其拉伸试验时的结果差异较大。
　　材料的拉伸试验，是测定材料在拉伸载荷作用下一系列特性的试验。图5为笔者总结出的塑料薄膜拉伸试验时发生的变形特征近似曲线。从中可以看出，薄膜在拉伸测试中，当成品薄膜受到拉伸应力作用时，初期体现出一定的弹性特征，其大分子主链伸直张紧，分子键角扭变，在宏观上表现为试样绷紧状态。该阶段即图5中OA段，又称瞬时弹性变形，在该阶段拉伸应力解除时可完全回复原来形状。材料继续受力，分子链开始产生平行排列的变形，即分子取向变形。由于试验是在标准环境下进行的，即制品温度始终处在玻璃化温度以下，使取向后的大分子链和链段的运动近于冻结，故拉伸应力解除后形变不能恢复。材料开始从弹性状态非均匀地向弹-塑性状态过渡，标志着材料宏观塑性变形的开始，即所谓屈服（图5中A点开始）。材料屈服后将产生颈缩，应变增大，使材料失去原有功能。该阶段即图5中的AB段，又称颈缩变形，在该阶段拉伸位移增大而拉伸应力无明显变化。由于材料承载持续的拉伸负荷，图5中B点之后，大分子间彼此滑动而发生大变形，随着主链化学键的伸长，大分子间结合力如氢键等断裂，直至某个大分子主链发生断裂，在薄膜试样上表现为出现微孔洞而产生应力集中，此后大量分子断裂使微孔洞生长并通过聚集变成裂纹，直至宏观断裂，图5中BC段又称完全塑性变形，在该阶段拉伸位移和拉伸应力近线性增大。
　　在相关标准中，规定用薄膜试样拉伸断裂后的位移和力的最大值计算拉伸强度和断裂伸长率（断裂标称应变），以此作为判断材料＂拉断力＂和＂断裂伸长率＂检测项目是否符合标准要求。然而对于产品的使用来说，多以屈服点或屈服强度作为材料抗力的指标并成为设计应力的依据，它们是材料的实际使用极限。薄膜一般都表现出一定的延展性，屈服开始之后，薄膜将进入弹-塑性过渡状态和完全塑性阶段，产生变形且不可恢复，即薄膜材料将开始逐渐失去原有的设计功能，直至最终完全失效。薄膜在印刷和复合过程中要受到机械力的作用，在产品使用过程中还要受到外力的作用，若以＂最大拉断力＂作为材料抗力的指标进行设计，则包含了材料处于动态变化过程中的拉伸变形形态，极易造成不可预知的情况（如破膜等），难以保证产品包装的安全要求，显然存在着物理性能方面的安全隐患。因此，在薄膜成袋的后续工艺或产品的使用过程中，以屈服点来设计产品的使用指标，可以确保产品包装物理性能方面的安全使用要求。