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)過程中,，一般要求薄膜內(nèi)層摩擦系數(shù)比較小,，但不能過小，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)引起包裝過程中阻力過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?隔絕空氣,；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)，底邊邊長延長了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)無振動(dòng),，同時(shí)在整個(gè)移動(dòng)過程中需保持勻速,，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,，無皺紋、翹曲,，以及無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)無灰塵,、指紋等外來物質(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250cm,，寬13cm,。粘附在滑塊上的試樣，若試樣厚度不超過0.254mm,，應(yīng)裁切為12cm長的正方形試樣；若試樣厚度厚于0.254mm,，應(yīng)裁切為6.35cm長的正方形試樣,。

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）,，將滑塊無沖擊的放在另一個(gè)試樣中央，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,。