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GB 10006與ASTM D 1894塑料薄膜摩擦系數(shù)測(cè)定方法的比較

目前，薄膜、復(fù)合膜在機(jī)械技術(shù)的飛速發(fā)展下實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化包裝，伴隨效能大幅提高的同時(shí)，質(zhì)量問題愈加凸顯。包裝薄膜拉斷、打滑，進(jìn)而導(dǎo)致包裝線斷流的事件時(shí)有發(fā)生，給包裝生產(chǎn)、印刷企業(yè)造成了巨額經(jīng)濟(jì)損失。其主要原因在于企業(yè)對(duì)塑料薄膜的摩擦系數(shù)沒有做到合理的控制。

1 塑料薄膜的摩擦系數(shù)

　　 摩擦系數(shù)是對(duì)兩個(gè)接觸表面摩擦力的一種量度。在微觀世界中，材料表面是凹凸不平的，當(dāng)兩種材料相互接觸時(shí)，真正接觸的只有凸處，凸處原子緊密接觸，形成很強(qiáng)的相互作用力。當(dāng)接觸面發(fā)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)，這種作用力將被硬性剪切，兩接觸面凸處相互碰撞而發(fā)生斷裂、磨損，形成對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的阻礙，而平行于接觸面、破壞凸處的剪切力，即為摩擦力。摩擦力包括靜摩擦力和動(dòng)摩擦力。靜摩擦力是兩接觸表面在相對(duì)移動(dòng)開始時(shí)的阻力，其與垂直于物體接觸面的力之比就是靜摩擦系數(shù)；動(dòng)摩擦力是兩接觸表面以一定速度相對(duì)移動(dòng)時(shí)的阻力，其與垂直于物體接觸面的力之比就是動(dòng)摩擦系數(shù)。

　　在實(shí)際包裝中的摩擦力常常既是拖動(dòng)力又是阻力，因此必須有效地控制摩擦系數(shù)的大小，使它在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。包裝機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，一般要求薄膜內(nèi)層摩擦系數(shù)比較小，但不能過(guò)小，否則可能引起制袋成型時(shí)疊料不穩(wěn)定而產(chǎn)生錯(cuò)邊；而薄膜外層與包裝機(jī)拖動(dòng)金屬面摩擦系數(shù)需適中，太大會(huì)引起包裝過(guò)程中阻力過(guò)大致使材料拉伸變形，太小可能又會(huì)引起拖動(dòng)機(jī)構(gòu)打滑造成電眼跟蹤和切斷定位不準(zhǔn)。

　　對(duì)此，通常在薄膜中加入爽滑劑控制薄膜表面的摩擦系數(shù)[1]。爽滑劑為有機(jī)物，作用是在塑料薄膜表面“鋪”上一層潤(rùn)滑油，使其表面的摩擦系數(shù)下降到需要的程度或數(shù)值，包括內(nèi)爽滑劑和外爽滑劑兩類。內(nèi)爽滑劑能促進(jìn)聚合物大分子鏈或鏈段相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而改善物料流動(dòng)性；外爽滑劑則是與聚合物基團(tuán)相容性差的極性有機(jī)化學(xué)品，在聚合物鏈的布朗運(yùn)動(dòng)作用下，這些分子遷移到薄膜表面形成一層油性表面，從而起到改善薄膜表面性能的爽滑作用并降低材料表面的摩擦系數(shù)。通常所有的潤(rùn)滑劑都兼具有兩方面的功能[2]。

　　當(dāng)包裝制成后，軟包生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)常遇到下游使用單位關(guān)于包裝袋開口性差的反饋：制好的包裝袋開口發(fā)生粘連，當(dāng)填充內(nèi)容物時(shí)，包裝袋開口難以“在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)開啟到需要的程度”，影響裝填工序的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。這里不僅涉及到摩擦系數(shù)，還涉及薄膜粘連性的問題。粘連，是塑料薄膜接觸層之間的一種粘著現(xiàn)象，通常是由兩種情況引起的：光滑的薄膜表面緊密接觸且?guī)缀醺艚^空氣；壓力溫度引起的薄膜接觸表面粘融。針對(duì)該問題，抗粘連劑被研發(fā)出來(lái)并作為添加劑投入薄膜生產(chǎn)中，作用是將薄膜的表面從原來(lái)的光滑的狀態(tài)轉(zhuǎn)變成凹凸不平的狀態(tài)，當(dāng)兩片薄膜靠近時(shí)，實(shí)際接觸面積被大大降低，從而消除了彼此粘連的可能性，表面的摩擦系數(shù)也相應(yīng)變化。

　　除了人為的加入添加劑調(diào)節(jié)薄膜的摩擦系數(shù)，薄膜的加工、包裝、應(yīng)用過(guò)程的環(huán)境溫度也會(huì)造成薄膜表面摩擦系數(shù)的上下波動(dòng)。通常情況下，自動(dòng)包裝機(jī)成型裝置的表面溫度高于50℃，在這種高溫環(huán)境下，部分薄膜的摩擦系數(shù)會(huì)表現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，一方面由薄膜自身的特性所決定，另一方面是添加的爽滑劑接近熔點(diǎn)而變的粘結(jié)的緣故。

2 塑料薄膜的摩擦系數(shù)測(cè)定方法

　　摩擦系數(shù)的合適與否不僅會(huì)影響薄膜的生產(chǎn)與加工，也會(huì)對(duì)包裝的開口性產(chǎn)生影響，因此是塑料薄膜的基礎(chǔ)檢測(cè)項(xiàng)目之一。目前，對(duì)于薄膜摩擦系數(shù)的檢測(cè)方法以GB 10006-1988與ASTM D 1894為主，二者均采用“兩試驗(yàn)表面平放在一起，在一定的接觸壓力下，根據(jù)促使兩表面相對(duì)移動(dòng)的力值測(cè)算摩擦系數(shù)”的原理，同時(shí)又因標(biāo)準(zhǔn)制定的背景不同，部分檢測(cè)事項(xiàng)的具有一定的差異，下面將從試驗(yàn)裝置、試樣制備、摩擦系數(shù)測(cè)定三方面進(jìn)行對(duì)比介紹。

2.1試驗(yàn)裝置

2.1.1 滑塊

　　一種金屬塊，應(yīng)具有覆蓋橡膠、泡沫等彈性材料的正方形底面，避免粘貼試樣使其產(chǎn)生壓紋。對(duì)于滑塊尺寸和重量，兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)分別作了不同的規(guī)定：GB 10006要求滑塊底面邊長(zhǎng)63mm，面積40cm2，包括試樣在內(nèi)的滑塊總質(zhì)量為200±2g；而ASTM D 1894的規(guī)定略加詳細(xì)，底邊邊長(zhǎng)延長(zhǎng)了0.5mm，對(duì)厚度也做了基本的描述，約6mm。

2.1.2水平試驗(yàn)臺(tái)

　　水平試驗(yàn)臺(tái)是承載試樣與滑塊的平臺(tái)。由于滑塊為金屬材質(zhì)，當(dāng)其與磁場(chǎng)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)或處在變化磁場(chǎng)中，會(huì)發(fā)生磁阻尼現(xiàn)象，滑塊在非鐵磁質(zhì)良導(dǎo)體上運(yùn)動(dòng)時(shí)受的阻力除動(dòng)摩擦力外，還有磁阻力。因此為了保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，GB 10006要求水平試驗(yàn)臺(tái)由非磁性材料構(gòu)成，且表面平滑。ASTM D 1894除了此要求外，提出了一種高于23℃試驗(yàn)條件下的摩擦系數(shù)測(cè)定水平試驗(yàn)臺(tái)裝置的要求：水平試驗(yàn)臺(tái)需要安裝加熱元件，并有覆蓋裝置使平面在滑塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終保持在所需溫度的±2℃的范圍內(nèi)。

2.1.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

　　驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是促使兩試驗(yàn)表面發(fā)生相對(duì)移動(dòng)的裝置，依據(jù)兩標(biāo)準(zhǔn)提供的兩種相對(duì)移動(dòng)形式：滑塊靜止、水平試驗(yàn)臺(tái)移動(dòng)和水平試驗(yàn)臺(tái)靜止、滑塊移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)可任選其一。圖1為GB 10006和ASTM D 1894就水平試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)裝置的示意圖，展示了多種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)形式：鏈條驅(qū)動(dòng)、滾軸驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等。設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)無(wú)振動(dòng)，同時(shí)在整個(gè)移動(dòng)過(guò)程中需保持勻速，GB 10006要求速度為100±10mm/min，ASTM D 1894則為150±30mm/min，這是測(cè)試時(shí)需要注意的一點(diǎn)。

圖1 GB 10006和ASTM D 1894水平試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)裝置示意圖

2.1.4 測(cè)力系統(tǒng)

　　測(cè)力系統(tǒng)，即摩擦力的測(cè)定器，一般采用負(fù)荷傳感器。GB 10006要求整個(gè)測(cè)力系統(tǒng)的總誤差應(yīng)小于±2%，而且在測(cè)力系統(tǒng)一側(cè)安裝調(diào)節(jié)彈性系數(shù)的彈簧，用于動(dòng)靜摩擦力測(cè)試時(shí)將測(cè)力系統(tǒng)的彈性系數(shù)調(diào)節(jié)到2±1N/cm。若滑粘情況下測(cè)試動(dòng)摩擦力時(shí)，則應(yīng)取下彈簧。而在ASTM D 1894中沒有關(guān)于彈簧的規(guī)定。

2.2 試樣制備

　　首先，試樣應(yīng)具備良好的狀態(tài)。平整，無(wú)皺紋、翹曲，以及無(wú)任何可能改變摩擦性質(zhì)的傷痕，邊緣圓滑是試樣的基本要求，同時(shí)表面應(yīng)無(wú)灰塵、指紋等外來(lái)物質(zhì)。其次，試樣裁取的時(shí)候應(yīng)注意正反面和方向。一般試樣的長(zhǎng)度方向（即試驗(yàn)方向）與樣品的機(jī)械方向平行。第三，試樣的尺寸需根據(jù)參考標(biāo)準(zhǔn)和樣品厚度而定。GB 10006適用于厚度在0.2mm以下的塑料薄膜和薄片，在這一前提下，每次試驗(yàn)至少需要3對(duì)試樣，每對(duì)試樣長(zhǎng)20cm，寬8cm，若樣品較厚或剛性較大，需用雙面膠將其中一個(gè)試樣固定到滑塊底面，此時(shí)該試樣尺寸應(yīng)與滑塊底面尺寸一致。ASTM D 1894規(guī)定每對(duì)試樣中，粘附在水平試驗(yàn)臺(tái)上的試樣長(zhǎng)250cm，寬13cm。粘附在滑塊上的試樣，若試樣厚度不超過(guò)0.254mm，應(yīng)裁切為12cm長(zhǎng)的正方形試樣；若試樣厚度厚于0.254mm，應(yīng)裁切為6.35cm長(zhǎng)的正方形試樣。

2.3 摩擦系數(shù)測(cè)定

2.3.1 試樣固定

　　將一個(gè)試樣的試驗(yàn)表面朝上，平整的固定在試驗(yàn)臺(tái)上，并與試驗(yàn)臺(tái)的長(zhǎng)度方向平行。另一試樣的試驗(yàn)表面朝下，用膠帶在滑塊前沿和上表面固定試樣使之包住滑塊。若試樣較厚，取的為方形試樣，則需用雙面膠固定滑塊底面和試樣非試驗(yàn)面。

2.3.2 兩試樣相對(duì)移動(dòng)

　　將粘附試樣的滑塊用鋼絲與傳感器連接（ASTM D 1894使用尼龍絲代替鋼絲），將滑塊無(wú)沖擊的放在另一個(gè)試樣，并使兩試樣的試驗(yàn)方向與滑動(dòng)方向平行且測(cè)力系統(tǒng)恰好不受力。兩試樣接觸后保持15s。啟動(dòng)儀器使兩試樣以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的速度相對(duì)移動(dòng)。力的個(gè)峰值為靜摩擦力Fs，兩試樣相對(duì)移動(dòng)6 cm（ASTM D 1894規(guī)定為13cm）內(nèi)的力的平均值(不包括靜摩擦力)為動(dòng)摩擦力Fd。

2.3.3 公式計(jì)算

　　根據(jù)公式（1）和（2）測(cè)算出試樣的動(dòng)靜摩擦系數(shù)。

注：μs ——靜摩擦系數(shù)；μd——動(dòng)摩擦系數(shù)；Fs——靜摩擦力，N；Fd——動(dòng)摩擦力，N；Fp——法向力，即垂直于接觸面的力，N；

2.3.4 各材料摩擦系數(shù)測(cè)定結(jié)果

　　根據(jù)上述方法，針對(duì)各類薄膜的內(nèi)表面與外表面的動(dòng)靜摩擦系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果見表1。可為讀者提供一定的參考。

表1 各類薄膜試樣內(nèi)表面-外表面動(dòng)靜摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果

3 薄膜摩擦系數(shù)測(cè)定儀器的選擇

　　隨著測(cè)量?jī)x器的機(jī)械化發(fā)展，如今薄膜的摩擦系數(shù)測(cè)試主要采用自動(dòng)化的電子儀器完成。根據(jù)上述分析，由于不同標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的測(cè)試參數(shù)具有一定的差異，因此選擇測(cè)試儀器的時(shí)候需要注意以下三點(diǎn)：（1）水平試驗(yàn)臺(tái)必須采用非磁性材料制作，并且保證水平及光滑；（2）試驗(yàn)速度等參數(shù)應(yīng)能滿足所參考標(biāo)準(zhǔn)要求，宜選擇符合GB、ISO、ASTM多種標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)儀器；（3）應(yīng)能實(shí)現(xiàn)加溫試驗(yàn)功能，對(duì)于解決包裝線高溫環(huán)境下薄膜摩擦系數(shù)的實(shí)際問題具有指導(dǎo)意義。在此基礎(chǔ)上，包裝加工企業(yè)應(yīng)建立一套依托成熟檢測(cè)儀器的薄膜來(lái)料檢驗(yàn)、生產(chǎn)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和成品質(zhì)量抽檢質(zhì)量控制體系，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的包裝薄膜質(zhì)量監(jiān)控。