摘要：熱收縮薄膜是近年來被廣泛使用的一種塑料包裝材料,，收縮率和收縮力是衡量薄膜收縮性能的兩個重要指標(biāo),。本文選擇部分結(jié)晶的LDPE、非結(jié)晶的OPS和結(jié)晶材料PET改性后的PETG三種不同類型的熱收縮膜進(jìn)行收縮力試驗,，并分析了熱縮溫度與材料的關(guān)系,、熱縮力與時間的關(guān)系及生產(chǎn)工藝對熱縮力的影響，希望能對熱收縮薄膜收縮力的研究起到拋磚引玉的作用,。
關(guān)鍵詞：熱收縮膜,熱縮力,冷縮力,結(jié)晶度,ISO 14616
熱收縮薄膜的收縮原理為高分子的記憶效應(yīng),，即將薄膜在玻璃化溫度Tg以上、熔點Tm以下的溫度條件下拉伸時,，無序卷曲的分子鏈段在拉伸方向上取向,，進(jìn)行有序排列，此時再將溫度急速驟降,，分子鏈段取向結(jié)構(gòu)與內(nèi)應(yīng)力被“冷凍”,。當(dāng)高聚物再次加熱到被拉伸時的溫度時，分子鏈段發(fā)生解取向,，恢復(fù)到無序卷曲形態(tài),，宏觀上即表現(xiàn)為熱收縮。
大多包材企業(yè)對熱縮性能的研究測試都集中于熱收縮率的測試,，卻往往忽視了收縮力的測試,。目前，國內(nèi)也鮮有對薄膜收縮力的研究文獻(xiàn),。實際上,，熱收縮率影響熱縮膜包裝的貼合度，而收縮力的大小則影響包裝的緊實性,。當(dāng)使用收縮膜緊束物品時,，收縮力越小，對物品的捆扎力越小,，物品越容易散落,；而收縮力過大則容易使被包裝物品變形，影響包裝形象,。因此,，在測試薄膜熱縮性能時,，不應(yīng)忽略收縮力。
筆者根據(jù)ISO 14616《塑料 聚乙烯,、乙烯共聚物及其混合物的熱收縮薄膜.收縮應(yīng)力的測定》,，采用濟(jì)南蘭光機電技術(shù)有限公司的FST-02薄膜熱縮性能測試儀對LDPE、PETG和OPS三種熱收縮膜的收縮力進(jìn)行測試,，旨在對薄膜收縮力的研究起到拋磚引玉的作用,。
1 試驗
1.1 試驗材料選擇
收縮性能由高分子材料中的非結(jié)晶區(qū)貢獻(xiàn)。當(dāng)結(jié)晶度增大時,，高聚物的收縮性能下降,，所以結(jié)晶度高的高聚物不適宜用來生產(chǎn)收縮膜。本次試驗選擇三種類型的收縮膜,，分別是部分結(jié)晶的LDPE、非結(jié)晶的OPS和結(jié)晶材料PET改性后的PETG,。其中,，PETG取兩種不同改性配方的試樣，分別編號為PETG1和PETG2,。
1.2 試驗儀器
選擇濟(jì)南蘭光機電技術(shù)有限公司的FST-02薄膜熱縮性能測試儀測試收縮力,，該儀器不僅可測量在加熱過程中出現(xiàn)的zui大熱縮力、熱縮后冷卻至室溫的冷縮力,，還可以讀取zui大熱縮力的出現(xiàn)時間,。
1.3試驗與結(jié)果
選擇平整均勻的試樣，將試樣裁為寬15mm,、長150mm（收縮方向）的長條,，平整地裝夾在試樣夾持裝置上。注意不得通過試樣對力值傳感器施加外力,。通過試驗找到符合ISO 14616要求的溫度,，使試樣在加熱時于15~30S間出現(xiàn)zui大熱縮力，本文將該溫度稱為熱縮溫度,。
利用FST-02對薄膜收縮力的測試中,，根據(jù)牛頓第三定律，儀器將試樣的收縮力轉(zhuǎn)換為拉伸力,，通過測試因試樣收縮而帶來的拉伸力即可測定試樣內(nèi)部的收縮力,。結(jié)果如圖1、圖2,、圖3和圖4所示,。
圖1 LDPE收縮力測試結(jié)果
圖2 OPS收縮力測試結(jié)果
圖3 PETG1收縮力測試結(jié)果
圖4 PETG2收縮力測試結(jié)果
結(jié)果表明，薄膜不僅在熱縮溫度加熱時收縮,，而且在從試驗腔出來后的降溫過程中也會出現(xiàn)收縮,。薄膜的收縮力包括熱縮力與冷縮力兩個階段,。
2 分析與討論
2.1 熱縮溫度與材料的關(guān)系
熱縮性能與溫度密切相關(guān)，只有達(dá)到了拉伸取向的溫度,，熱縮膜的收縮性能才能充分表現(xiàn),。根據(jù)自由體積理論，無論是液體還是固體,，從微觀上來看,，高聚合物內(nèi)部并不是一個實體，其體積是由兩部分組成的,，一部分體積由分子占據(jù),，另一部分體積為分子之間的空隙，稱為自由體積或自由空間,。自由空間為分子鏈段提供活動的空間,。
對于非結(jié)晶型的OPS來說，玻璃化溫度Tg是聚合物分子鏈段開始運動的溫度,。在玻璃化溫度以下時,，自由空間的大小不足以讓分子鏈段自由運動，分子鏈保持一定的穩(wěn)定性,。試驗時,，試樣從標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境進(jìn)入已加熱至熱縮溫度的試驗腔中，溫度快速升高,，分子鏈內(nèi)積聚的能量越來越多,，當(dāng)達(dá)到玻璃化溫度后，自由空間的體積也開始增加,，此時大多數(shù)分子鏈段完成解取向,，出現(xiàn)zui大熱縮力。
對于部分結(jié)晶的材料LDPE,、PETG來說,，雖然收縮性能主要是由非晶區(qū)提供的，但由于受到晶格的束縛,，非晶區(qū)的分子鏈段無法在玻璃化溫度時解取向,。所以，對于部分結(jié)晶的熱收縮膜,，必須加熱到熔點附近,，待晶格被破壞后，非晶區(qū)分子鏈段方可順利解取向,。因此,，此類材料在高于玻璃化溫度的熔點附近才能出現(xiàn)zui大熱縮力。
因此,，非結(jié)晶型熱縮膜的熱縮溫度與玻璃化溫度有關(guān),，而部分結(jié)晶的熱縮膜的熱縮溫度則與其熔點相關(guān)聯(lián),，并且材料的結(jié)晶度越大，這種關(guān)聯(lián)性越明顯,。
2.2 熱縮力與時間的關(guān)系
達(dá)到zui大熱縮力后,，理論上分子鏈段應(yīng)恢復(fù)到平衡態(tài)。但在試驗中,，因試樣的兩端被夾具固定,，阻止了試樣的回縮，相當(dāng)于對試樣進(jìn)行了拉伸,，因此,，在取向帶來的內(nèi)應(yīng)力消失的同時，試樣內(nèi)也積聚了拉伸應(yīng)力,。在試驗溫度和拉伸應(yīng)力的作用下,，分子結(jié)構(gòu)要達(dá)到平衡態(tài)需要一定的松弛時間。應(yīng)力松弛是高聚物的普遍特性,，具有時溫等效性,，即對于同一個松弛過程，既可以在低溫下較長時間觀察到,，也可以在高溫下較短時間內(nèi)觀察出來。升高溫度或延長觀察時間對于聚合物的分子運動是等效的,，對于觀察同一個松弛過程也是等效的,。因此，在加熱時,，試樣的松弛過程縮短,。
試樣的應(yīng)力松弛是一個試樣分子結(jié)構(gòu)內(nèi)部運動以達(dá)到平衡態(tài)的一個過程，在松弛過程中,，試樣的拉伸應(yīng)力減弱,，熱縮力減小。因此,，試驗中熱縮力達(dá)到zui大值后,，試樣開始明顯表現(xiàn)出應(yīng)力松弛，隨著時間的推移,，力值逐漸減小,，曲線呈現(xiàn)拋物線特征。
2.3 生產(chǎn)工藝對熱縮力的影響
試驗中選擇兩種改性配方的PETG測試熱縮性能,。從結(jié)果中可以看出,，改性配方的不同對PETG的熱縮性能影響明顯，甚至影響到了熱縮力與冷縮力的大小關(guān)系,，詳見圖3,、圖4,。在實際生產(chǎn)中，生產(chǎn)工藝及配方直接影響高聚物分子結(jié)構(gòu),，比如交聯(lián)點密度增加,，會使高聚物的自由體積減小，使玻璃化溫度上升,；增塑劑的使用則會降低分子鏈的柔性,，使玻璃化溫度降低；通過引入柔性鏈段和不對稱結(jié)構(gòu),，可改變高聚物的結(jié)晶性能,，進(jìn)而影響薄膜的收縮力與收縮率。
3 結(jié)論
1）薄膜熱縮性能包括收縮力與收縮率兩個方面,，其中,，收縮力中的熱縮力與冷縮力是不同的，不可一概而論,。目前,，熱收縮膜的收縮力主要采取定性的方法來評判優(yōu)劣，說服力較差,。今后,，應(yīng)發(fā)展定量測定收縮力的方式，并進(jìn)一步研究其收縮機理,，特別是冷縮力的研究,，以指導(dǎo)生產(chǎn)實際。
2）在熱縮溫度下,，熱縮力值隨時間的變化為拋物線,，試樣在分子鏈段解取向后，熱縮力達(dá)到zui大值,。從加熱腔出來,，溫度降低，試樣冷縮,，出現(xiàn)冷縮力峰值,，冷縮力與熱縮力的大小關(guān)系是因材料而異的，并且改性分子的加入也會影響熱縮力與冷縮力之間的大小關(guān)系,。
3）非結(jié)晶型材料的熱縮溫度與玻璃化溫度有關(guān),，部分結(jié)晶型材料的熱縮溫度與熔點密切相關(guān)，遠(yuǎn)大于玻璃化溫度,，而若要使用結(jié)晶型高聚物生產(chǎn)收縮膜,，則需對高聚物進(jìn)行改性，降低其結(jié)晶度,。材料生產(chǎn)工藝對熱縮性能有直接影響,。輔助劑的加入及工藝的不同會對材料的結(jié)晶度或者玻璃化溫度產(chǎn)生影響,，并且，儀器的加熱方式與設(shè)備硬件特性會影響到試驗溫度,，因此,，熱縮溫度并不能直接與高聚物的玻璃化溫度或者熔點直接劃等號。
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