摘要：依照ISO 14616空氣加熱原理試驗方法測試不同材質(zhì)熱收縮膜的收縮性能，研究不同材質(zhì)熱收縮膜的熱縮力與冷縮力的關系以及確定收縮時測試的方向，并通過對國內(nèi)外三種性能差異較大的熱收縮膜進行大量測試，驗證試驗設置溫度與zui大熱縮力出現(xiàn)時間等參數(shù)的選擇。從而，為國內(nèi)尚未成熟的熱收縮膜的收縮力性能的研究提供技術參考。
關鍵詞：空氣加熱原理；熱收縮膜；熱縮力；冷縮力；收縮率
熱收縮膜包裝是現(xiàn)今較為廣泛應用的一種包裝形式，具有包裝緊實、透明美觀、貼合度強等優(yōu)點，常用于飲料標簽、瓶裝收束包裝、腸類收縮包裝、日化用品外膜、香煙盒外膜等產(chǎn)品的包裝。在特定高溫環(huán)境下將熱收縮膜材料進行拉伸，部分分子鏈段在拉伸方向上定向取向，無序卷曲的分子鏈段將會有序排列，待溫度急速降低時，分子鏈段取向結(jié)構(gòu)與內(nèi)應力被“冷凍”，則熱收縮膜即在此溫度下被定型。當熱收縮膜再次被加熱到上述溫度時，被“冷凍”的分子鏈段發(fā)生解取向，恢復到無序卷曲形態(tài)，即為熱收縮[1]。當進一步冷卻時，已熱收縮的薄膜將進一步產(chǎn)生緊致力，即冷縮力。
目前，國內(nèi)絕大多數(shù)企業(yè)采用烘箱[2-3]或油浴設備[4]測試熱收縮膜的收縮性能，國內(nèi)熱收縮膜產(chǎn)品標準中對熱收縮率的檢測方法多為油浴熱收縮，美國熱收縮膜的檢驗標準ASTM D2732[5]中也是使用的油浴熱收縮檢測方法。但是，不管是油浴熱收縮測試儀，還是將熱收縮膜直接放入烘箱中測試，均只能檢測熱收縮膜的熱收縮率。而標準化組織發(fā)布的熱收縮膜檢測標準——ISO 14616[6]則要求利用空氣加熱原理（即空氣浴）進行薄膜各種熱收縮性能的測試，包括熱收縮力、冷縮力、收縮率、收縮時間等性能，這有助于對不同材質(zhì)的熱收縮膜的研發(fā)，保證各種材質(zhì)熱收縮膜性能的穩(wěn)定性，滿足各種熱收縮膜在各行業(yè)的使用需求。
本文利用空氣加熱原理的多工位薄膜熱縮性能測試儀測試了多種熱收縮膜的收縮力、收縮率等性能，從而比較不同材質(zhì)原料生產(chǎn)的收縮膜性能的差異，同時研究ISO14616所規(guī)定的測試方法是否適用于測試不同材質(zhì)的熱收縮膜。
1試驗儀器與方法
1.1試驗儀器與試樣
(1)測試原理
將熱收縮膜分別放置在帶有位移傳感器或力值傳感器的夾具上，通過測試薄膜在封閉加熱腔內(nèi)受熱后隨時間變化的各收縮性能曲線，從而獲得熱縮力、冷縮力及zui大收縮率結(jié)果值。
(2)儀器結(jié)構(gòu)
FST-02薄膜熱縮性能測試儀可同時測試三組試樣，采用PID控溫技術提高測試時溫度的可靠性與穩(wěn)定性。高精度的位移傳感器與力值傳感器的應用，以及低阻尼位移測試結(jié)構(gòu)，可保證樣品測試的穩(wěn)定性及各熱收縮性能的準確性。該測試儀器突破了其他檢測設備應用范圍的局限性，極大地滿足國內(nèi)企業(yè)和質(zhì)檢機構(gòu)對可測試多項熱收縮性能指標設備的需求。
圖1FST-02 薄膜熱縮性能測試儀
(3)試樣
從國內(nèi)熱收縮膜生產(chǎn)廠家獲取了2款PVC標簽膜（PVC-1與PVC-2）、2款PETG熱收縮膜（PETG-1與PETG-2）、1款OPS熱收縮膜、1款BOPP熱收縮膜、1款POF熱收縮膜、1款PE熱收縮膜，從國外廠家獲取2款PE熱收縮膜（LDPE-1與LDPE-2）。上述薄膜在不同的方向上具有一定的熱收縮性能。
1.2 試驗步驟
用FST-02薄膜熱縮性能測試儀分別測試在不同設置溫度下上述所有樣品的熱收縮性能，每個樣品在不同設置溫度下平行測試6次，記錄*設置溫度下薄膜在15~30秒之內(nèi)出現(xiàn)的zui大熱縮力、冷縮力、熱收縮率、zui大熱縮力出現(xiàn)時間等參數(shù)，計算熱縮力、冷縮力與熱收縮率的平均值。*設置溫度即可實現(xiàn)熱收縮膜在15~30秒內(nèi)出現(xiàn)zui大收縮率的溫度。
2結(jié)果與討論
2.1冷縮力與熱縮力之間的關系
表1 各種熱收縮膜*設置溫度下熱收縮性能測試結(jié)果
熱收縮膜 | 測試方向 | 設置溫度 (℃) | 熱縮力 平均值 (N/15mm) | 冷縮力 平均值 (N/15mm) | 熱收縮率平均值 (%) | zui大熱縮力 出現(xiàn)時間(s) |
PVC-1 | TD | 90 | 3.15 | 3.38 | 12.34 | 15.8-20.8 |
PVC-2 | TD | 85 | 3.35 | 3.41 | 10.92 | 21.6-27.7 |
PETG-1 | TD | 110 | 9.02 | 7.82 | 40.89 | 17.8-19.3 |
PETG-2 | TD | 110 | 3.81 | 3.87 | 35.75 | 16.5-19.6 |
OPS | TD | 105 | 2.14 | 2.89 | 20.50 | 23.5-26.2 |
BOPP | TD | 235 | 2.47 | 1.04 | 28.56 | 23.0-27.4 |
POF | MD | 150 | 0.54 | 0.26 | 24.16 | 21.8-27.3 |
國產(chǎn)PE | MD | 220 | 0.14 | 1.75 | 45.55 | 20.3-27.0 |
LDPE-1 | MD | 200 | 0.13 | 1.37 | 37.89 | 19.2-23.4 |
LDPE-2 | MD | 220 | 0.20 | 2.19 | 37.62 | 19.5-23.8 |
注：MD為機器加工方向，即薄膜的縱向；TD為垂直加工方向，即薄膜的橫向；zui大熱縮力出現(xiàn)時間一欄列出的是平行測試的六組樣品所出現(xiàn)的時間范圍。
由表1所示，PE熱收縮膜（國產(chǎn)PE膜及不同厚度的國外LDPE熱縮膜的驗證數(shù)據(jù)）的冷縮力明顯大于熱縮力，如ISO14616標準方法中所提及的試驗現(xiàn)象一致。另外，OPS熱收縮膜的冷縮力同樣明顯高于熱縮力。
而PVC-1、PVC-2、PETG-2熱收縮膜的冷縮力僅略大于熱縮力。除此以外，PETG-1、BOPP、POF這四種熱收縮膜的冷縮力明顯低于熱縮力。所以，不同的熱收縮膜的冷縮力與熱縮力的關系并不相同，沒有固定的趨勢，這點在DIN53369-1976標準中也有所提及。通過試驗證明了ISO14616標準中所提及的“冷縮力遠大于熱縮力，可加速熱收縮膜緊縮過程”這一現(xiàn)象并不適用于所有熱收縮膜材料，主要是針對以聚乙烯為原料的熱收縮膜而言的。這種現(xiàn)象可能與熱收縮膜材質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)、熔融溫度與玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度等自身性能以及生產(chǎn)過程中拉伸定型工藝、控制溫度、冷卻工藝等環(huán)節(jié)有關。
2.2熱收縮膜的測試方向
由表1中的測試數(shù)據(jù)可以看出國產(chǎn)PE、POF熱收縮膜以及國外不同厚度的LDPE熱收縮膜的測試過程可以發(fā)現(xiàn)，PE熱收縮膜、烯烴類POF共擠熱收縮膜均為縱向收縮（MD），而其他非乙烯烴類熱收縮膜均為橫向收縮（TD）。初步分析原因，應該與材料的結(jié)晶方向及加工定型方向有關。
所以，ISO14616 標準中有關“收縮力和冷縮力的測定”中提及的“因易于取得縱向試樣的測試曲線，所以建議試驗先從縱向試樣的測試開始。”僅是針對PE熱收縮膜、烯烴類POF共擠熱收縮膜而言。對于其他材質(zhì)的熱收縮膜在測試過程中，因易于取得橫向試樣的測試曲線，所以建議試驗應先從橫向試樣的測試開始。
2.3 不同測試儀之間的穩(wěn)定性比較
表2 不同熱收縮膜在不同設備間的測試結(jié)果比較
熱收縮膜 | 設備號 | 設置溫度（℃） | 熱縮力 平均值 （N） | 冷縮力 平均值（N/15mm） | 熱收縮率平均值 （%） | zui大熱縮力出現(xiàn)時間（s） |
PETG-2 | 1號 | 110 | 3.81 | 3.87 | 35.75 | 16.5-19.6 |
2號 | 110 | 3.71 | 3.78 | 33.60 | 17.0-19.7 | |
BOPP | 1號 | 235 | 2.47 | 1.04 | 28.56 | 23.0-27.4 |
2號 | 235 | 2.32 | 1.02 | 29.65 | 19.0-24.0 | |
國產(chǎn)PE | 1號 | 220 | 0.14 | 1.75 | 45.55 | 20.3-27.0 |
2號 | 220 | 0.11 | 1.79 | 44.10 | 22.0-26.0 |
抽取PETG-2、國產(chǎn)PE、BOPP三種熱收縮膜在2臺不同的FST-02薄膜熱縮性能測試儀上分別測試，測試結(jié)果如表2所示，可以看出對于采用相同加熱空氣原理的檢測設備測試的同種熱收縮膜的熱縮力、冷縮力、熱收縮率這三項特征性能參數(shù)的數(shù)值基本相同，zui大熱縮力出現(xiàn)時間因設備不同而略有差別，但仍保持在15~30秒內(nèi)出現(xiàn)zui大熱縮力。
不同設備之間（特別是今后會出現(xiàn)不同廠家生產(chǎn)的薄膜熱縮性測試儀）因為加熱元件的原理或型號不同，即使設備的設置溫度相同，也可能會導致測試腔內(nèi)試樣周圍的溫度略有不同，但是在一定的溫度區(qū)間內(nèi)小幅度的溫差并不會導致試樣的熱縮力、冷縮力、熱收縮率這幾項薄膜特征性能參數(shù)發(fā)生改變，這與熱收縮膜材質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)以及熔融溫度有關，同時也與拉伸、定型溫度以及冷卻時間有關[7-8]。
2.4 設置溫度與zui大熱縮力測試時間的影響
為了驗證zui大熱縮力所出現(xiàn)的時間范圍與所設置的溫度對收縮膜的熱收縮率等性能的影響，挑選國外LDPE-2、國內(nèi)PETG-2以及OPS三種典型熱收縮膜進行驗證。不同設置溫度下zui大熱縮力出現(xiàn)時間、熱收縮率及收縮力值可見表3。
表3 各種材質(zhì)熱收縮膜不同設置溫度下各性能指標數(shù)據(jù)結(jié)果
試樣名稱 | 設置溫度（℃） | 熱縮力 平均值 （N） | 冷縮力 平均值 （N） | 熱收縮率平均值 （%） | zui大熱縮力出現(xiàn)時間 （s） |
LDPE-2 | 150 | 0.15 | 2.53 | 18.09 | 181.10~122.00 |
160 | 0.18 | 2.76 | 16.14 | 86.40~98.20 | |
170 | 0.18 | 2.62 | 18.42 | 60.50~66.10 | |
180 | 0.17 | 2.72 | 17.12 | 47.30~54.10 | |
185 | 0.20 | 2.87 | 25.96 | 46.10~51.20 | |
190 | 0.21 | 2.61 | 27.54 | 40.50~42.80 | |
195 | 0.20 | 2.64 | 29.42 | 32.90~37.00 | |
200 | 0.19 | 2.42 | 34.97 | 35.30~36.40 | |
205 | 0.20 | 2.21 | 34.74 | 28.70~30.00 | |
210 | 0.20 | 2.41 | 35.54 | 26.40~28.50 | |
215 | 0.19 | 2.39 | 36.31 | 27.80~29.00 | |
220 | 0.20 | 2.19 | 37.62 | 24.60~25.70 | |
225 | 0.20 | 2.27 | 37.16 | 21.80~23.50 | |
230 | 0.21 | 1.94 | 36.49 | 20.80~23.70 | |
235 | 0.20 | 2.44 | 36.49 | 20.80~22.40 | |
240 | 0.21 | 2.08 | 41.23 | 17.50~20.40 | |
PETG-2 (TD) | 80 | 3.73 | 3.89 | 41.50 | 261.60~316.80 |
85 | 3.62 | 3.67 | 40.49 | 191.10~232.80 | |
90 | 3.72 | 3.88 | 40.74 | 143.50~163.90 | |
95 | 3.70 | 3.87 | 42.95 | 91.50~101.10 91.50~101.10 | |
100 | 3.82 | 3.87 | 41.49 | 36.40~44.90 | |
105 | 3.64 | 3.69 | 37.27 | 15.40~18.30 | |
110 | 3.81 | 3.87 | 35.75 | 16.50~19.60 | |
115 | 3.85 | 3.95 | 34.41 | 11.30~15.10 | |
120 | 3.84 | 3.84 | 39.40 | 10.40~12.50 | |
125 | 3.90 | 3.93 | 39.84 | 9.20~11.00 | |
130 | 3.96 | 3.83 | 43.62 | 7.20~9.60 | |
135 | 3.94 | 3.71 | 47.28 | 6.50~7.70 | |
140 | 3.87 | 3.58 | 47.04 | 6.00~6.70 | |
OPS | 80 | 2.14 | 2.83 | 25.97 | 176.30~215.60 |
85 | 2.19 | 3.00 | 26.49 | 141.20~158.60 | |
90 | 2.15 | 2.89 | 25.46 | 58.10~104.80 | |
95 | 2.13 | 2.89 | 24.39 | 39.60~69.50 | |
100 | 2.15 | 2.90 | 22.44 | 26.40~34.60 | |
105 | 2.14 | 2.89 | 20.50 | 23.50~26.20 | |
110 | 2.13 | 2.79 | 21.73 | 15.90~18.80 | |
115 | 2.26 | 2.85 | 22.68 | 12.70~16.40 | |
120 | 2.22 | 2.89 | 23.71 | 11.40~14.50 | |
125 | 2.19 | 2.76 | 24.96 | 10.00~12.10 | |
130 | 2.23 | 2.72 | 27.43 | 8.50~11.00 | |
135 | 2.22 | 2.53 | 29.83 | 7.30~9.00 |
表3中的數(shù)據(jù)顯示，對于出現(xiàn)在15~30秒范圍內(nèi)的熱縮率及zui大熱縮力值均為對應熱收縮膜較為穩(wěn)定的熱縮參數(shù)數(shù)值，可參見圖1至圖3中有關PETG-2及OPS的熱縮力、冷縮力及熱收縮率隨溫度的變化曲線，可發(fā)現(xiàn)熱縮力及冷縮力力值并不隨設置溫度的變化有明顯波動，而15~30秒出現(xiàn)的熱收縮率在熱收縮率曲線中基本位于拐點位置附近。
由表3中的數(shù)據(jù)可以看出，LDPE熱收縮膜在選定的*參考溫度（220°C）±10°C范圍內(nèi)，zui大熱縮力均出現(xiàn)在15~30秒。其他種類的熱收縮膜在選定的*參考溫度（PETG-2為110°C，OPS為105°C）±5°C范圍內(nèi)，zui大熱縮力均出現(xiàn)在15~30秒。
通過第6條及第7條綜合得出，ISO14616規(guī)定的15 ~ 30秒的zui大熱縮力出艙時間同樣適用于其他材料。所以，建議在設置參考溫度進行測試時，可以針對不同熱收縮膜材料設置±5°C ~ ±10°C的參考范圍。
圖2 PETG、OPS不同溫度下的熱縮力
圖3 PETG、OPS不同溫度下的冷縮力
圖4PETG、OPS不同溫度下的收縮率
3結(jié)論
上述研究按照ISO14616的測試方法驗證了不同材質(zhì)熱收縮膜的冷縮力與熱縮力之間的趨勢并不相同，對于以聚乙烯為原料的熱收縮膜而言，冷縮力大于熱縮力，其他材質(zhì)則無明確規(guī)律。熱收縮膜的測試方向則根據(jù)不同材質(zhì)及加工工藝而定，同時收縮膜在采用不同檢測設備測試時，不會因為設備差異而導致收縮性能的變化。另外，ISO14616標準中提及的15~30秒內(nèi)獲取的zui大熱縮力及熱縮率的方法同樣適用于非聚烯烴類的其他材質(zhì)的熱收縮膜。因此，ISO14616中所規(guī)定的試驗儀器及試樣方法基本適用于其他材質(zhì)的熱收縮膜，其中僅試樣測試方向、溫度設置范圍試驗條件需根據(jù)熱收縮膜的材質(zhì)及加工工藝等條件進行不同的調(diào)整。
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