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背景 食品和其他消費(fèi)產(chǎn)品的包裝是一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)激烈而又 發(fā)展迅速的行業(yè),。塑料容器、塑料包裝紙,、泡沫包裝等的使用,，結(jié)合印刷信息、消費(fèi)者信息和標(biāo)識(shí),，使得產(chǎn)品的最好 形象得到展示,。除了展示的需求,，塑料包裝還必須運(yùn)用一種快速、自 動(dòng)化的封裝過(guò)程來(lái)封裝產(chǎn)品,；它必須價(jià)格劃算的,，還有再循環(huán)利用能 力的要求也與日俱增。熱分析,，包括動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析,，對(duì)于發(fā)展新的 包裝材料和調(diào)整現(xiàn)有材料以適應(yīng)新的包裝產(chǎn)品和加工要求非常有用。 材料的難題之一是尺寸問(wèn)題,，也就是說(shuō)，確定材料隨溫度變化產(chǎn)生的 尺寸變化,，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)和封裝過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力,。珀金埃爾默公 司近期開(kāi)發(fā)出一種花費(fèi)適中的熱機(jī)械分析儀（TMA），TMA4000,， 其他地方也有報(bào)道,，它非常適用于膨脹系數(shù)和應(yīng)力釋放導(dǎo)致的尺寸變 化的測(cè)試，這兩種情況被塑料加工的多種場(chǎng)合所特別關(guān)注,。

本文介紹的是采用珀金埃爾默的TMA4000對(duì)塑料薄膜 產(chǎn)品進(jìn)行分析的幾個(gè)例子,。每個(gè)案例中，對(duì)一個(gè)大約 10毫米的包裝材料成品進(jìn)行了分析,，它在X和Y軸構(gòu)成 的平面上進(jìn)行過(guò)拉伸,，在垂直于該面的Z軸方向進(jìn)行過(guò) 壓縮。施加到TMA探頭上的力是最小的,，以便使材料內(nèi) 部的應(yīng)力以膨脹或收縮的形式釋放,。由于作者對(duì)于要測(cè) 試的樣品的技術(shù)信息了解甚少，這里強(qiáng)調(diào)的是分析技術(shù) 和儀器的表現(xiàn),。當(dāng)應(yīng)用于工業(yè)部件時(shí),，TMA關(guān)注的問(wèn)題 在解決和特殊包裝產(chǎn)品進(jìn)展上。

食品包裝紙 食品包裝的典型要求是,，首先,，要有阻隔特性以保證口 感質(zhì)量和安全不受污染，其次,，可印刷性,、透明性、容 易打開(kāi),，還有關(guān)鍵的一點(diǎn),，加工的生產(chǎn)能力。為實(shí)現(xiàn)這 些迥然不同的目標(biāo),，常采用多層膜技術(shù),。由于多層膜的 各層具有不同的熱膨脹系數(shù)（CTE）,，封裝過(guò)程中會(huì)產(chǎn) 生應(yīng)力，這在軟化時(shí)會(huì)導(dǎo)致破裂,。 要在分子間水平解釋這些現(xiàn)象,，或許需要用差示掃描 量熱儀（DSC）和TMA這兩種儀器來(lái)進(jìn)行分析，DSC在 熱流方面提供解釋?zhuān)?/span>TMA則記錄尺寸變化,。DSC8000 用來(lái)觀察熱流方面的行為,，包括說(shuō)明玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 （Tg）區(qū)域和結(jié)晶熔化。Pyris軟件為比較多種熱分析技 術(shù),，諸如DSC,，TMA，TGA和STA的數(shù)據(jù)提供了便利,。

圖1顯示的是一種用于單獨(dú)包裝健康食品條的覆鋁多層 聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）包裝紙的DSC熱流掃描 譜圖,。由DSC數(shù)據(jù)可以看到兩個(gè)明顯的熔化吸熱峰，高 溫處的似乎是聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）的,。沒(méi)有 放熱峰表示這里的PET是與許多商標(biāo)名為MylarTM的雙 向拉伸聚酯類(lèi)似的晶態(tài),。 

圖2顯示的是這種零食包裝紙的TMA分析，用壓縮模式 分析,，觀察垂直于薄膜平面的Z軸方向上薄膜的軟化和 收縮,。六層膜的薄膜呈三明治結(jié)構(gòu)放置于一個(gè)DSC樣品 皿中以放大位移，同時(shí)避免了熔化后的清理工作,。 圖3顯示的是同一個(gè)包裝紙的縱向和橫斷面的TMA圖 譜,。第一次60℃時(shí)包裝紙顯示的是在縱向和橫斷面方 向都膨脹。在150℃時(shí)收縮有差異,，隨之而來(lái)的是第一 次熔化,。

進(jìn)一步加熱導(dǎo)致收縮，在最終熔化時(shí)變?yōu)樯煺?。由?TMA4000的動(dòng)態(tài)范圍很寬,，無(wú)論是膨脹還是收縮，位 移能夠在幾個(gè)毫米之內(nèi)跟蹤到,。又因?yàn)橛袘腋∽枘?，?夠采用低力值（約1克）而不引入不適當(dāng)?shù)脑胍簟Ｔ诓?璃化轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域的應(yīng)力釋放也非常小,，因?yàn)閼?yīng)力在薄 膜生產(chǎn)的牽伸卷取過(guò)程中已經(jīng)被釋放,。

蛤殼式包裝 蛤殼式包裝—典型的非晶PET—其表現(xiàn)與PET食品包裝紙不同。這里在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域有大量的應(yīng)力釋放,， 這種應(yīng)力來(lái)自模塑成型過(guò)程中伴隨有冷結(jié)晶過(guò)程的反向 尺寸恢復(fù),。見(jiàn)圖4和圖5。 蛤殼封裝材料領(lǐng)域的一個(gè)新材料是非晶的聚乳酸 （PLA）蛤殼包裝材料，它正在回收再利用存在問(wèn)題的 領(lǐng)域開(kāi)展應(yīng)用,。聚乳酸PLA蛤殼包裝材料在風(fēng)化環(huán)境中 能夠生物降解,。在過(guò)去幾十年中，PET的制造問(wèn)題得到 很大程度的解決,，但聚乳酸PLA的熱信息還不夠充分,。 圖6所示是10℃/分鐘掃描的DSC熱流曲線，顯示的是一 些相同特性的非晶聚酯PET,，換句話(huà)說(shuō),，一個(gè)占主導(dǎo)地 位的玻璃化轉(zhuǎn)變隨后是結(jié)晶，再接著是熔融,。這些熱 現(xiàn)象也可以在圖7所示的Z軸方向的TMA膨脹曲線中觀 察到,。

圖8顯示的是聚乳酸PLA在XY平面的膨脹，所示的兩個(gè) 樣品相互間相差90度,，一個(gè)由蛤殼的中心向外輻射,， 另一個(gè)與此相切。

測(cè)試伸展薄膜樣品的建議 當(dāng)測(cè)試?yán)w維或脆性薄膜樣品時(shí),，要在低負(fù)荷下獲得好的 尺寸變化數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，是注意仔細(xì)制備和安裝樣品,。樣 品應(yīng)該按尺寸裁切而不產(chǎn)生應(yīng)力,，它應(yīng)該直線安裝在夾 具里使分析儀施加的力均勻分布于樣品上。夾具應(yīng)該絕 對(duì)地平行且彼此成直線,。圖9所示的裝樣夾具對(duì)于進(jìn)行 這類(lèi)測(cè)試沒(méi)有參考價(jià)值,，而是為在拉伸模式下做動(dòng)態(tài)機(jī) 械分析設(shè)計(jì)的，它要求夾具非常平行且保持剛性,，這樣 樣品夾持到位后它的長(zhǎng)度就被測(cè)量了,。

小結(jié) 雖然動(dòng)態(tài)機(jī)械分析能夠確定一個(gè)塑料制品的模量， 諸如包裝中使用的薄膜,，而TMA作為一項(xiàng)操作更簡(jiǎn) 便的技術(shù),，能更簡(jiǎn)單地揭示與加工過(guò)程中機(jī)械尺寸 相關(guān)的產(chǎn)品問(wèn)題的來(lái)源，尤其是那些與應(yīng)力釋放相 關(guān)的問(wèn)題,。從上述案例可以很清楚地看到包裝成品塑 料薄膜在加熱時(shí)由于應(yīng)力釋放表現(xiàn)出可測(cè)量的尺寸變 化,。TMA4000熱機(jī)械分析儀是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)以滿(mǎn)足電子工 業(yè)應(yīng)用中測(cè)量小膨脹系數(shù)材料的靈敏度要求的，但它 同樣也擁有寬的動(dòng)態(tài)范圍和低加載力性能,，可以用于 包裝材料工業(yè)中分析產(chǎn)品問(wèn)題,，或者其它塑料工業(yè)。