（木材科学与技术专业论文）软包装复合材料拉伸性能的初步研究.pdf

摘要 本文主要研究了软包装复合材料的断裂特性，运用损伤力学理论来解释裂纹扩展的规 律。分别研究了自然环境下，人工模拟紫外线照射环境以及软腐茵环境下复合软包装材料 拉伸性能的变化和加载速率对其的影响。还研究了割口角度、割口宽度、加载速率对复合 材撕裂性能的影响。其研究成果将有利于建立一套复合软包装材料损伤和破坏力学的新理 论。同时为复合工艺技术的发展和提高复合软包装材料的使用性能提供理论基础。 ( 1 ) 研究了在不同加载速率下低密度聚乙烯薄膜横向、纵向拉伸强度和断裂伸长率 的变化规律，并运用生物显微镜观察了在不同变形率下裂纹的扩展情况。低密度聚乙烯的 横向和纵向的分子结构不同，其横向拉伸强度和断裂伸长率大于纵向拉伸强度和断裂伸长 率；低密度聚乙烯的延展性较大，对材料的拉伸能量有一定的缓冲作用，加载速率对拉伸 强度年口断裂伸长率没有显著影响。 ( 2 ) 研究了在不同加载速率下，复合软包装材料( b o p e t a l l d p e ) 的拉伸性能。加 载速率对软包装复合材的拉伸性能有一定的影响，当加载速率较高时，材料来不及缓冲能 量，分子链之间来不及滑移，拉伸强度较低；当加载速率较低时，材料缓冲了部分能量， 分子链及时采取相应的重组，拉伸强度相对较大。 ( 3 ) 研究了在不同加载速率下，复合软包装材料( b o p e t a l l d p e ) 的4 种割口深度 和5 种割口角度的撕裂强度。割口角度一定时，割口深度小的试样的撕裂强度反而大；当 割口角度在4 5 。 b 的椭圆形孔。裂缝尖端处的最大张力 。= 。( 1 + 2 扛历) 式中a - 裂缝长度之半：p 尖端的曲率半径。 因此，狭长尖锐的裂缝可导致材料的迅速破坏，强度大为降低。 现代的断裂理论基本上是在g r i f f i t h 理论基础上发展起来的。g r i f f i t h 认为，脆性材料 的拉伸强度因材料结构的不完全均匀而远达不到理论强度。实际的脆性固体，由于在应力 方向上产生各种裂纹而使强度变弱，裂纹或裂缝的增长，最后导致材料的破坏。当裂缝延 仲中释放出的应变能等于或超过形成新的断裂表面所需要的能量时，裂缝才增长。由此可 导出材料的抗张强度为oe = 2 e y 蒯其中y 为材料单位表面的表面能：a 为裂纹长度之 半；e 为材料的杨氏模量。此式将材料的强度与材料的表面能联系起来，因而与材料的内 聚能也联系起来。 对于聚合物材料，裂缝尖端会产生明显的粘弹形变。裂缝扩展还应包括这种粘弹功在 内。这种粘弹功来源于屈服形变，它常比表面能大许多。所以聚合物的破坏过程具有明显 的松弛性质“。 多层复合以后的材料，其性质并不仅仅是单层基材的叠加。 14 本课题国内外研究现状 复合软包装行业在国内产生的时问还不长，我国在发展前期主要在生产工艺、新材料 开发、及辅助材料粘合剂、印刷工艺、包装设计等方面投入的精力比较多，但在其力学性 能发面研究较少。比如宋锦平等人研究了复合软包装袋的热封强度【1 “。刘圣迁在硕士论 文“液态软包装锂离子电池工艺及电化学性能研究”中研究了铝塑复合膜的剪切强度和热 封强度1 1 ”。菜秋香在纸页损伤力学的初步研究硕士论文中研究了纸页的撕裂强度、剪切 强度等 1 8 】。国外研究的手段比较丰富。如a n n a b e l l evb r i o n e s 研究了角叉菜薄膜的拉伸 强度和剪切强度与低密度聚乙烯薄膜的性能的比较【1 。k a r i g a n a k o s 研究了复合食品 软包装材料在电离射线照射下的性能影响【2 。a n t o n i o seg o u l a s 研究了商业用复合共挤 软包装材料在y 电离射线照射f 的物理化学性能和力学性能的变化【2 1 1 。a n t o n i e t t ab a i a n o 研究了杏仁饼干包装材料的货架寿命1 捌。运用断裂力学方法复合软包装材料的剥离强度 1 2 3 1 。用红外光谱对包装材料进行定性分析【2 4 1 。d b r i a s s o u l i s 研究了低密度聚乙烯薄膜拉 伸剪切性能的测试方法 2 5 1 。a gp e d r o s o 研究了低密度聚乙烯薄膜的力学性能，热学性能 等，其中研究手段也较多，如f t i rs p e c t r o s c o p y 分析、m e l tf l o wi n d e x ( m f l ) 分析、 d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y ( d s c ) 分析、d y n a m i cm e c h a n i c a lt h e r m a la n a l y s i s ( d m t a ) 分析、s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) 等1 2 6 1 1 2 7 1 1 2 8 1 。我国的研究手段和方法还有待进一 步的加强。 1 5 本课题研究的主要目的、方法及主要内容 本课题试验目的是研究加载速率对复合软包装材料拉伸性能、撕裂性能的影响，以及 环境因子对拉伸性能和撕裂性能的影响，并通过采用紫外线照射和人工模拟软腐菌环境对 材料的拉伸性能研究、生物显微镜等试验方法来加以分析本课题主要从以下几个方面来 研究：( 1 ) 分析制造工艺对材料性能的影响；( 2 ) 分析自然条件下加载速率对材料拉伸性能和 撕裂性能的影响；( 3 ) 采用人工模拟几种主要环境因素来探讨复合软包装材料性能的变化 要使软包装复合材料产品真正推向市场，其材料性能的研究非常必要。本课题可以为 工艺提供改进依据，为其他同类产品的开发提供借鉴。故本课题具有很高的实用价值。 1 6 本文的主要特色与创新之处 ( 1 ) 研究加载速率对复合软包装材料力学性能的影响： ( 2 ) 研究环境因子对软包装复合材料耐老化性能的影响：采用人工模拟紫外线对复合软 包装材料力学性能的影响： ( 3 ) 研究软包装复合材料界面特性，以及预制断裂后薄膜断裂面情况的研究。 第二章复合工艺的概述 2 1 引言 软包装产品的工艺方法大体有层合法，涂布法、共挤法、真空镀膜等。在我国目前以 千式复合为主，生产的高阻隔性薄膜，在生产过程中粘合剂、溶剂的排放易污染环境，而 发展共挤包装薄膜，其工艺设备投资省、成本低、适应性强、操作方便。 复合材料的出现是包装的一次革命性转变，每一种单一材料都有其特有的特点，如， 金属材料脆性大、不耐腐蚀，但阻隔性极佳；l d p e 耐化学性好、易热封、加工成型方便， 但其强度、阻气性却相当差。复合即取长补短，使单性能的材料结合成具有各种综合性 能的新材料。可以说，复合软包装的灵魂在于复合，在于性能的叠加，这也是复合软包装 生产的技术核心所在。复合的方式有很多种，常见的复合工艺如下：1 干式复合。溶剂型、 无溶剂型。2 挤出复合。单层挤出复合、串联挤出复合、共挤出复合、挤出涂布。3 热溶 胶复合及热溶胶涂布。4 湿式复合。5 热复合。6 特殊涂布复合。涂底胶、涂p v d c 、涂 蜡。 干式复合是把粘合剂涂布到一种薄膜上，经烘箱蒸发掉溶剂与另一层薄膜压紧粘合成 复合薄膜的方式。 挤出复合是通过挤出机将热熔性树脂从t 膜均匀挤出到基材上，同时与另一基材加 压冷却贴合的方式，如无第二基材则为挤出涂布的方式。 湿式复合是将粘合剂涂布到一种基材上，然后与另- - ；f o o 基材压合在一块，再进入烘箱 巾蒸发掉溶剂或水分的方式。 热熔复合是对固体热熔胶加热到液态施加到基材上，通过压力使两种基材贴合在一 起的方式，如无第二基材则为热熔涂布，优点是复合时间短、无溶剂、成本低，但耐热性、 透明性差。热熔复合还包括蜡复合法，即把微晶石蜡热熔涂布到基材上复合。 无溶剂复合是特殊的干式复合，把无溶剂的粘合剂施加到一种基材上与另一基材在压 力下粘合在一起的方式。 。义的复合还包括各种涂布方式，真空蒸镀金属及金属氧化物、共挤流延膜、共挤吹 塑薄膜等【2 9 1 。 复合工艺对复合材的性能的好坏起着关键的作用，基材与基材界面的粘接强度对复合 材的拉伸性能、剥离性能、热封性能等都有着直接的影响。 2 2 干式复合方式概述 2 2 1 干式复合设备工作原理 干式复合机( 以g f 1 3 0 0 型为例) 主要由放卷部分、涂布部分、烘干部分、复合 部分和收卷部分组成。其结构及主要控制示意图见图2 1 2 9 】。 8 5 9 5 图2 1 溶剂型干式复合机的结构及主要控制示意图 1 第一基材放卷辊，2 网纹涂布辊，3 一橡胶压辊，4 胶槽及胶液，5 导辊 6 复合钢辊，7 - 第二基材放卷辊，8 收卷辊9 烘干箱 主要研究干式复合工艺具体情况。设备：干式复合机器( d r yl a m i n a t o r ) ， 型号：g f 1 3 0 0 ，无锡市包装机械厂：干式复合机器( d r yl a m i n a t o r ) 型号：g f j 一6 0 0 ， 浙江海宁人民轻工机械厂 2 2 _ 2 干式复合工艺 匡困一团 图2 2 干式复合的基本工艺流程图 干式复合的特点：1 适用于各种基材薄膜，基材选择自由度高，可生产出各种性能的 复合膜，如耐热、耐油、阻隔性、耐化学性等。2 复合聚乙烯材料时，没有氧化臭味，热 合性更好。3 比挤出复合制品强度高、薄膜平整、刚性好；3 比挤出复合制品强度高、薄 膜平整、刚性好；4 适于进行多品种、少数量的产品复合，基料、粘合剂更换方便。 干式复合的缺点为：1 有残留溶剂在制品中：2 有溶剂引起火灾、爆炸的危险；3 粘 合剂的涂布性能难掌握：4 对基材的厚度、均匀性及烫边要求高。 在复合工段，当开机运行机器时，首先预热机器，使热鼓温度和烘道温度达到工艺需 要的设定值，同时用废弃的膜调试机器，安装复合橡胶辊和涂布橡胶压辊。 第一基材放卷轴上料过程：停机放气( 放卷轴上凸出并与轴辊筒内擘接触的。( 垫 凹进轴内，使轴与轴辊筒相连部分分离) 斗卸轴并卸下放卷轴上辊筒 装套另一卷 薄膜于放卷轴上+ 装轴- 充气( 气垫凸出顶住轴辊简内壁，运行轴时通过气挚与轴 辊简之间的摩擦力保证轴与膜卷的同步运行) 割断膜卷端头废薄膜 用胶带连接接 头于放卷轴上设定放卷张力值+ 运行机器 第二基材放卷轴上料过程：在上料之前，用甲酰胺和乙二醇乙醚混合标准溶液测试薄 膜原材料的表面张力，从而测出薄膜的电晕处理面，使薄膜的电晕处理面与另一基材复合 停机放气( 凸出并与轴辊筒内壁接触的气垫凹进轴内，使轴与轴辊筒相连部分分离) 卸轴并卸下放卷轴上辊筒卜装套另一卷薄膜于放卷轴上装轴卜充气( 气垫凸出 顶住轴辊筒内壁，运行轴时通过气垫与轴辊筒之间的摩擦力保证轴与膜卷的同步运行) 用胶带连接接头于放卷轴上( 根据不同材料而异，因为铝簿厚度较小，且脆性大，所以铝 薄不需经过自动感应器，用手工控制张力变化值；而薄膜的厚度和弹性好于铝薄，可以用 自动感应器控制张力变化值) - 割断膜卷端头废薄膜设定放卷张力值 稍微 运行机器，使接头在收卷的端部，再停机收卷轴下料 收卷轴下料及上轴过程：停机提起压辊 割断复合膜，并用胶带粘住膜卷的 端头，使膜卷不松卷放气，卸料轴在轴上套l 另一轴筒卜装轴- 充 气叶用胶带连接复合膜接头于收卷轴上叶放下收卷轴压辊叶设定收卷张力值 开机调试机器，使膜收力均匀运行机器 复合过程中的温度控制：1 烘道温度范围5 0 9 0 ；它的作用是蒸发涂着胶粘剂 的膜面上的溶剂，2 热鼓温度范同3 0 。c 7 0 ，它的作用是在复合前加热膜面，为复合 做好基础。一般温度随着气候的变化略有变化，夏季设定的温度低于冬季温度，因为夏季 的环境温度比冬季的环境温度高，热量损失小于冬季，且冬季胶粘剂的活性减弱。由于第 二道复合基材的厚度大于第道复合基材的厚度，所以在相同的条件下，第二道复合加热 的温度大于第一道复合加热的温度。 2 2 3 复合过程中注意点 ( 1 ) 第二基材上料，膜通过辅助辊，自动感应器，再经过复合辊( 上方装一反光镜， 观察边缘复合质量) 与第二基材复合，再经过若干辅助辊，最后到收卷轴，并在收卷轴上 压一压辊，加大了膜所受的摩擦力，使收卷轴收卷平稳，从而提高了膜面的平整度。( 2 ) 在进行第二道复合时，有时由于第一道复合的偏卷，易使上一层薄膜与下一层铝薄在边缘 粘住，导致在第二道复合时不易放卷，严重的会使薄膜撕裂，常用的方法是用手指轻弹薄 膜边缘，使相粘的边缘分开，并且涂滑石粉于导辊上，减少摩擦。( 3 ) 在进行复合的过程 中，有时由于张力太小，引起张力丢失，易导致胶粘剂在膜面局部聚集，必须立即停机擦 干导辊上的胶粘剂，并重新调试机器。( 4 ) 当膜卷为非防静电材料时，需要装一个静电消 除器，导走生产过程中产生的静电。当基材有铝薄参加复合时，铝薄是导体，可以自身把 静电导走。( 5 ) 当机器运行一段时间之后，复合机械设备运行导辊的摩擦系数减少，施加 于膜面的摩擦力减少，影响复合时的张力控制，从而影响复合质量，因此必须定期纠正张 力。( 6 ) 在复合过程中，根据生产规格在运行导辊上划线，当膜的边缘偏离标准线时，调 节定位螺母使膜的边缘与标准线重合：在复合热鼓的上方设置了一反光镜，可以根据反光 镜中所反映的膜边缘质量情况随时调节生产。( 7 ) 复合橡胶压辊通过气压泵控制，从而使 膜引进热鼓和复合橡胶压辊之间。( 8 ) 在紧靠网纹辊处设置了刮刀，当网纹辊运行时，刮 刀左右平行移动，刮下网纹辊上多余的胶粘剂，同时使网纹辊上涂胶均匀。当换料时，在 靠近网纹辊未涂胶膜面用手工涂胶。( 9 ) 当复合不同的材料时，材料的粗糙度，使用的橡 胶压辊也不同。( 1 0 ) 膜的宽度越小，收卷质量越好。第一道复合材料厚度小于第二道复 合材料的厚度，所以第一道复合的质量好于第二道复合的质量。厚度越大，质量越难控制。 ( 1 1 ) 当运行时，膜通过辊给它的摩擦力，以及磁粉离台器共同作用控制张力。( 1 2 ) 胶 的价格高，在保证质量的情况下，应尽可能省胶。复合相同的材料时，大机子胶粘剂的 用量多于小机子胶粘剂的用量。这与网纹辊的网纹大小有关，以及涂胶工艺有关。( 1 3 ) 在复合过程中，换料时，应提起网纹辊上面的橡胶压辊，且保持网纹辊正常运转，因为醋 酸为挥发性物质，若网纹辊停止运转，网纹辊上局部部位醋酸挥发掉剩下溶质，浓度变大， 再次运行时，无法涂胶于膜面上。导辊表面不均匀，会导致膜运行过程中速度忽快忽慢。 ( 1 4 ) 薄膜印刷时，应印在贴有“电晕处理”标记的面。( 1 5 ) 在复合过程中，磁粉制动 器是用来控制膜所受的张力，它通过施加滑差速度控制膜所受的张力。( 1 6 ) 在运行过程 中，磁粉制动器，由于摩擦会生热，用电风扇吹风，可阻起到冷却的作用。( 1 7 ) 在机器 运行过程中，随时注意查看热鼓是否干净，若有脏物，立即擦去辊上脏物，并涂上醋酸及 滑石粉，保证产品质量。( 1 8 ) 复合膜的边缘在制袋工艺中被切去，所以复合工序中，涂 布橡胶压辊宽度小于膜宽约5 m m 左右。在生产过程中，有时原料较重，运用小推车或起 重机运料，会省力又方便。 2 - 3 复合收卷质量的研究 复合质量的意义：对复合工序之后的制袋工序中的分切和封口有直接的影响。 复合收卷质量的要求：( 1 ) 内紧外松的张力均匀分布；因为随着膜卷半径的增大，同 一点处外膜叠加的厚度越来越大，压力逐渐增大，导致该点所受的摩擦力增大，如果内部 张力小于或等于外部张力，当内部摩擦力增大到滑动摩擦力值时，将导致膜层与层之间的 相对滑动。( 2 ) 膜面平整：首先膜卷受到一定的张力使膜处于崩紧状态，同时膜卷所受的 内部张力大于外部张力；其次膜复合的质量较好。( 3 ) 膜卷端面整齐；首先膜卷自身规格 标准，其次膜所受的张力应垂直于收卷辊的中心轴线。 复合收卷缺陷：( 1 ) 半面松紧；( 2 ) 膜卷表面有横皱、竖皱及皱纹：( 3 ) 由于张力不 均引起的偏卷；( 4 ) 膜面有雪花状斑点。( 5 ) 剥离强度差。影响收卷质量的因素：a 辊与 辊之间不平行；b 膜与膜之间的接头不匹配：c 张力控制不均衡。在复合过程中，张力过 大，膜面易引起竖皱；膜卷的张力内小外大，膜卷易引起横皱。膜上出现雪花状斑点的原 因：首先膜在经过烘道的过程中，膜面上胶粘剂的溶剂未充分蒸发；其次在复合时，热鼓 的温度过低，使复合不充分。 收卷张力控制是指收卷辊与复合辊之间的张力控制。在收卷辊上压一平行辊，或在平 行辊上加皮带，增大摩擦力。调节辊的定位螺母，使辊与辊之间相互平行。手轻抚膜面， 感觉膜所受的张力大小，从而调节张力人小。张力值变化的锥度值太快，易引起卷皱纹。 复合时，篼。基材和第二基材的张力值应相互匹配。 2 4 改进措施 在生产的过程中，应尽量避免停机。连续开机或关机有很多不良影响：1 机器产生感 应电动势：2 对周围机器产生不良影响；3 连续开机或关机，即频繁升压或降压，增大电 量的损耗。有人对电视机进行过相关实验发现，连续开关电视机所消耗的电量相当于2 0 分钟电视机正常运行消耗的电量。如果设计一接头机，既可以省电，又可以减少对机器的 损害，还可以减少料与料接头之间引起的不匹配。 由于r 积月累运行机器，易使导辊之间的水平度发生偏移，因此每过段时间，对导 辊进行水平度测量校正。 收卷轴中间设计得略微弧形，可以使收卷质量提高一些。在收卷轴前加一自动纠偏仪， 或用微控系统控制膜卷的边缘，可以明显提高收卷质量。 当机子经过曰积月累的使用，导辊逐渐变得光滑，摩擦系数减少，应定期加大摩擦系 数，从而保证摩擦力的大小，使运行过程中膜所受的张力平稳。 电流控制张力大小的精确度好于电压控制张力的精确度，因此尽量设置用电流控制复 合过程中膜内张力值的变化。 基材厚、薄1 i 同，热鼓工艺参数也不一样。 在我国干式复合工艺生产技术产生时问还不长，实际生产过程中仍存在不少问题，必 须解决和不断完善，从而生产出更优的产品，满足市场的需求。复合软包装行业的前景一 定会越来越广阔。 第三章加载速率对低密度聚乙烯薄膜拉伸性能的影响 3 1 引言 由于聚乙烯( p e ) 具有易合成、加工、无毒等性能，低密度聚乙烯薄膜在软包装材 料中应用比较普遍。一般低密度聚乙烯( l d p e ) 薄膜用作复合软包装材料的热封层。本 章主要采用不同的拉伸速率，分别对低密度聚乙烯薄膜横向、纵向拉伸强度和断裂伸氏率 进行研究。 所有的材料都是由原子构成的，这些原子由电磁场的相互作用形成的键联结在一起。 当结合键破坏时，便开始了损伤过程。例如金属以晶格或颗粒形成排列，除去一些原子空 位处的位错线之外，原子的排列都是有规律的。如果作用以剪应力，由于键的位移而引起 位错运动，于是便引起了由滑移而导致的塑性应变，而无任何脱键现象。位错的多次中止 即形成了微裂纹核。金属中的其它损伤机理包括晶间开裂以及夹杂物与基体之间的分离。 在聚合物中，由于分子长链之间的键带破坏而产生的损伤为塑性微应变。 塑性与滑移直接相关，在金属中，位错的运动引起滑移，或由位错的攀移和孪生导致 滑移。然而在任何情况下，都不会产生明显的体积改变。聚合物中分子的重新排列为不可 逆应变。他们都将引起体积的变化。在这些情况中，损伤影响塑性或不可逆应变，只是因 为基本受力面积随着键带数目的减少而减少。损伤并不直接影响滑移本身的机理，即没有 状态耦合i j 。 国外对低密度聚乙烯薄膜拉伸性能早有研究，如d e m e t r e sb r i a s s o u l i s 研究了拉伸应 变对农用低密度聚乙烯薄膜的使用寿命的影响口“。 3 2 实验部分 3 2 1 实验材料 主要原料：材料a ：低密度聚乙烯薄膜( l d p e ) ， 低密度聚乙烯薄膜( l d p e ) ，厚度：o 0 8 0r n l t l ，河南。 3 2 2 实验仪器与设备 1 x l 、n 5 0 0 型智能电子拉力试验机 厚度：0 1 4 0 m m ，北京：材料b ： 2 k f r - 7 0 i w h 0 1 d s 分体热泵型落地式房间空气调节器 3 电子数显千分尺0 2 5t o n i ( 精度：0 0 0 1 r a m ) 4 百灵温湿度仪 5 游标卡尺0 - 3 0 0 m m 6 奥林巴斯c x 3 1 型生物显微镜 3 2 3 实验过程 3 2 3 1 试样状态调节和试验的标准环境 按g b2 9 1 8 中规定的标准环境正常偏差范围进行状态调节 国产 国产 国产 国产 国产 进口 时间不少于4 h ，并在此 环境f 进行试验。 3 2 3 2 取样 长条型试样，宽度1 0 2 5m i l l ，总长度不小于1 5 0m m ，标距至少为5 0m m 。试样 应沿样品宽度方向大约等间隔裁取。试样按每个试验方向为一组，每组试样不少于3 0 个。 3 2 3 3 性能测试 1 用g b6 6 7 2 中规定的上、下两侧面为平面的量具测量试样厚度，用精度为0 1r a i n 以上的量具测量试样宽度。每个试样的厚度及宽度应在标距内测量三点，取算术平均值。 厚度准确至0 0 0 lr a i n ，宽度准确至0 1 m m 。 2 + 将试样置于试验机的两夹具中，使试样纵轴与卜、下夹具中心连线相重合，并且要松 紧适宜，以防止试样滑脱和断裂在夹具内。 3 采用智能电子拉力试验机测定低密度聚乙烯薄膜的横向、纵向拉伸强度和断裂伸长 率。对试样分别施加1 0 0 m m m i n ，2 0 0 m m m i n ，3 0 0 m m m i n ，5 0 0 m m m i n 的加载速率进行试 验。 4 试样断裂后，读取所需负荷及相应的标线间伸氏值。若试样断裂在标线外的部位时， 此试样作废，另取试样重作。 3 2 3 4 结果的计算与表示 拉伸强度、拉伸断裂应力、拉伸屈服应力以a 。( m p a ) 表示，按式( 1 ) 计算： 0 5 = ： 扫d 式中：广最大负荷、断裂负荷、屈服负荷，n ； 6 试样宽度，m r n ； d 试样厚度，r a i n 。 断裂伸长率或屈服伸长率以r 。( ) 表示，按式( 2 ) 计算： ：l - l ox 1 0 0 一 厶 ( 2 ) 式中：岛试样原始标线距离，m m ； 三试样断裂时或屈服时标线间距离，1 2 1 1 i 1 3 3 结果分析 3 3 1 拉伸强度与断裂伸长率 图3 1 是材料a 横向、纵向拉伸强度和断裂伸长率与加载速率关系曲线，从图中可以 看出，材料a 纵向拉伸强度、纵向和横向断裂伸艮率曲线变化趋势相似，即随着加载速 率的增加，纵向拉伸强度和断裂伸长率、横向断裂伸长率平缓上升。横向拉伸强度与其它 略有不同，随着加载速率的增加，横向拉伸强度先l - 升后下降，在加载速率为3 0 0 r a m r a i n 时为转折点，横向拉伸强度为2 9 1 m p a 达到最大值。在相同加载速率情况下，横向拉伸 强度和断裂伸长率大于纵向拉伸强度和断裂伸长率。 醚 豁 磊。2 ： 2 4 薹 o 8 3 0 誊 7 8 0 簪 7 3 0 出- e - 6 8 0 、 5 3 0 5 8 0 5 3 0 4 8 0 i 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 + 材料a 纵向拉伸强度+ 材料a 横向拉伸强度加载速度( 。“m i “) + 材料a 纵向断裂伸长率x 一材料a 横向断裂伸长率 图3 1 材料a 横向，纵向拉伸强度和断裂伸长率曲线 罔3 2 是材料b 横向、纵向拉伸强度和断裂伸长率与加载速率的关系曲线，从图中可 以看出横向拉伸强度和纵向拉伸强度有相似的变化趋势，随着加载速率的增加，横向和纵 向拉伸强度都上升。纵向和横向断裂伸长率有相似的变化趋势，随着加载速率的增加，纵 向和横向断裂伸长率先上升后下降。纵向断裂伸长率在加载速率为3 0 0r a m r a i n 时为转折 点，纵向断裂伸长率为7 3 9 。横向断裂伸长率在加载速率为2 0 0m m m i n 时为转折点， 纵向断裂伸长率为8 5 l 。在相同速率情况下，横向拉伸强度和断裂伸长率大于纵向拉伸 强度和断裂伸长率。 一3 l 星3 0 嚣 翮 2 8 i ； 8 6 0 一 躐 8 0 0 垂 7 8 0 7 6 0 7 4 0 7 2 0 7 0 0 01 0 02 0 03 0 0 4 0 0 5 0 06 0 0 加载速率( r a m r a i n ) 一村料b 纵向拉伸强度一材料b 横向拉伸强度 一材料b 纵向断裂伸长率* 一材料b 横向断裂伸长率 图3 2 材料b 纵向，横向拉伸强度和断裂伸长率曲线 f i g 3 2t h et e n s i o ns t r e n g t ha n d t h er u p t u r ee l o n g a t i n gr a t eo f m a t e r i a lbi nl a n d s c a p ea n dl o n g i r u d eo r i e n t a t i o n 图3 _ 3 是材料a 、b 纵向拉伸强度和断裂伸长率与加载速率的关系曲线，从中可以看 出材料a 、b 纵向拉伸强度和材料a 纵向断裂伸长率有相似的变化趋势。随着加载速率 的增加，材料a 、b 纵向拉伸强度和材料a 纵向断裂伸长率平缓上升。随着加载速率的 增加，材料b 纵向断裂伸长率先上升后下降，3 0 0r a m r a i n 时为转折点。在相同的加载速 率时，材料b 纵向拉伸强度和断裂伸 ! = = 率人于材料a 纵向拉伸强度和断裂伸k 率，材料 b 拉伸性能好于材料a 拉伸r 能。 7 6 0 未 7 4 0 辱 7 2 0 出4 - 7 0 0 6 8 0 6 6 0 6 4 0 6 2 0 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 08 0 0 加载速率( m m m i n ) 一材料a 纵向拉伸强度一材料b 纵向拉伸强度 十材料a 纵向断裂伸长率- - 材料1 3 纵向断裂伸长率 囤3 3 材料a b 纵向拉伸强度和断裂伸长率曲线 f i g33t h et e n s i o ns t r e n g t ha n dt h er u p t u r ee l o n g a t i n gr a t e o fm a t e r i a lai nl o n g i r u d eo r i e n t a t i o n 图3 4 是材料a 、b 横向拉伸强度和断裂伸长率与加载速率的关系曲线，从中可以看 出材料a 横向拉伸强度和材料a 、b 横向断裂伸i 丈率有相似的变化趋势，随着加载速率 的增加，先上升后下降。随着拉伸速率的增加，材料b 横向断裂伸长率上升。在相同的 加载速率时，材料b 横向拉伸强度和断裂伸长率大与材料a 的横向拉伸强度和断裂伸长 率，材料b 拉伸性能好于材料a 拉伸性能。 勺 莹 型 骠 量 鼎 8 6 0 童 8 5 0 斛 8 4 0 誊 8 3 0 8 2 0 8 1 0 8 0 0 7 9 0 7 8 0 0 1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 6 0 0 加载速率( m m m i n ) + 材料a 横向拉伸强度+ 材科b 横向拉伸强度 + 材料a 横向断裂伸长率* 一材料b 横向断裂伸长率 图3 4 材料a ，b 横向拉伸强度和断裂伸长率曲线 f i g 3 4t h et e n s i o ns t r e n g t ha n d t h er u p t u r ee l o n g a t i n gr a t eo f m a t e r i a lbi nl a n d s c a p eo r i e n t a t i o n 3 3 2 方差分析 对试验数据进行方差分析，得出材料的种类对拉伸强度和断裂伸长率有显著影响，加 载速率对材料的拉伸强度和伸长率影响不显著。 3 3 3 性能分析与讨论 凹嬲盯；写龉盟盟 一量一趟强。葛f_ 0 0 0 0 0 0 肌 鹪 盯 媚 2 0 1 5 r 甚i 0 捌 5 0 02 04 06 0 图3 5 拉伸力与变形率的关系示意图 8 01 0 0 变形率 由图3 5 拉伸力与变形量示意图可以看出，该瞌线明显地分为两个区域：线弹性区和 塑性区。初始阶段试样不受拉伸力，试样由松弛状态逐渐变为崩紧状态，然后进入线弹性 区，超出弹性变形极限之后，进入塑性变形区，第一个塑性变形阶段材料发生屈服，由于 薄膜沿着外力作用方向进行分子取向、重排、滑移，材料发生屈服意味着原组态的破坏， 整个结晶模式发生重排，晶区和非晶区的链段发生较大范围的相对移动，伴随着有序和无 序区之间发生一定程度的交换。第二个塑性变形阶段，薄膜分子不仅沿着外力作用方向进 行分子取向、重排、滑移，而且分子主链之间部分发生断裂。在拉伸的过程中，产生细颈 现象。低密度聚乙烯薄膜属于粘弹性变形，其变形存在一个过程，即使在断裂前的那段瞬 间，当卸载以后其变形也会回弹部分，有内部结构逐渐发生变化，其分子结构也在不断的 变化，分子的移动属于粘弹性移动。 在拉伸的过程中，随着夹具之间距离的增大，试样标线之间的薄膜在宽度上逐渐变小， 薄膜的透明度渐渐降低，断裂以后试样标线之间的薄膜渐变为浅白色。在标线以内相对宽 度最小点处应力集中，薄膜局部变形积累形成损伤场，随着拉伸的进行，损伤场向两边扩 散。由于材料的性质不绝对均匀，各个介质点的变形不完全同步，从而在试样标线以内不 断形成多个新的应力集中场，不断出现新的局部变形，出现多个新的损伤场，塑性变形直 到断裂。薄膜的变形位置及断裂位置与损伤场面积的大小和形状有关，在单位面积上承受 最大拉力处，优先变形。 图3 6 放大4 0 0 x 原材料的显微镜照片图3 7 放大1 0 0 0 x 原材料的显微镜照片 f i g 3 6t h ep h o t os h o w i n gt h em a g n i f i c a t i o n4 0 0 xb yb i o l o g i c a lm i c r o s c o p e f i g _ 3 7t h ep h o t os h o w i n g t h em a g n i f i c a t i o nlo o o xb yb i o l o g i c a lm i c r o s c o p e 图3 6 和图3 7 为未拉伸的在显微镜放大4 0 0 x 和放大1 0 0 0 x 的照片，从图中可以看出 材料内部存在很多面积不等的微裂纹孔隙，这些i l 隙在拉伸过程中会形成应力集中。对丁 未拉伸的材料，肉眼就可以看出其表面并不平整，依稀可以看出表面有一些外在因素形成 的外加纹路，这些纹路的形成可能由于在生产过程、流通过程以及使用过程等等情况下造 成的，这些纹路对材料的拉伸也有一定的影响。低密度聚乙烯在静止时，已经产生应力集 中。 图3 8v = 2 5 m m m i n 时，放大4 0 0 x 的显微镜照片图3 9v = 2 5 m m m i n 时放大1 0 0 0 x 的显微镜照片 f i g 3 8w h e nl o a d i n gr a t ei s2 5 m m m i n ，t h ep h o t os h o w i n gt h em a g n i f i c a t i o n4 0 0 xb yb i o l o g i c a lm i c r o s c o p e f i g 3 9w h e nl o a d i n gr a t ei s2 5 m m m i n ，t h ep h o t os h o w i n gt h em a g n i f i c a t i o n4 0 0 xb yb i o l o g i c a lm i c r o s c o p e 图3 8 和图3 9 为加载速率为2 5 m m m i n 下，放大倍数为4 0 0 x 和放大倍数为1 0 0 0 x 的显微镜照片。从图中可以看出在拉伸载荷作用下，薄膜向拉伸方向进行取向，由于加载 速率较低，损伤能量分布比较分散，向多个微裂纹孔隙分散，其微裂纹孔隙面积不同，扩 展规律也不同，因此其拉伸强度较稳定。 图3 1 0v = 5 0 0 m m m i n ，放大4 0 0 x 的显微镜照片图3 1 1v = 5 0 0 m m m i n 放大1 0 0 0 x 的显微镜照片 f i g 3 1 0w h e nl o a d i n gr a t ei s5 0 0 m m m i n ，t h ep h o t os h o w i n gt h em a g n i f i c m i o n4 0 0 xb yb i o l o g i c a l m i c r o s c o p ef i g ，3 1 1w h e nl o a d i n gr a t e i s5 0 0 m n d m i n ，t h ep h o t os h o w i n gt h em a g n i f i c a t i o n4 0 0 xb y b i o l o g i c a lm i c r o s c o p e 图3 1 0 和3 1 1 为加载速率为5 0 0 m m m i n 时，显微镜放大4 0 0 x 和放大1 0 0 0 x 下的照 片。从图中可以看出在拉伸载荷作用下，薄膜向拉伸方向进行取向，由于加载速率较高， 损伤能量分布比较集中，主要向面积较大的微裂纹孔隙扩散，其微裂纹孔隙面积不同，扩 展规律也不同，因此其拉伸强度变化较明显。通过显微镜观察现象可以从侧面正面高分子 材料的内部结构的不均匀性。 从能量传播角度来分析，试样的每个介质点受到拉力，并且不问断的向相邻的介质点 传递力，从而能量在介质中传播，形成能量扩散。每个介质点所受能量的强度不同，则各 个介质点受力强度也不同。实际上，试样的每个介质点都有变形差异，性质不绝对均匀， 即使每个介质点受到相同的拉力，变形率也会不同。 聚乙烯薄膜的力学性能与高分子材料的微观结构和化学组成密切相关。聚乙烯( p e ) 薄膜的性能与分子量大小、分子量分布、链段结构、支链形态、聚集态结构等等有关。一 般情况下，当聚乙烯的分子量增大时，分子间内聚力增大，分子间引力增强，聚乙烯薄膜 的整体物理机械性能提高，拉伸强度、撕裂强度等均提高。当聚乙烯的密度增加时，其拉 伸强度提高。聚乙烯薄膜的结构在主链上连接了很多支链，支链的多少和分布，最终会影 响聚乙烯薄膜的力学性能等。结晶度与密度成正比关系。一般来说，聚乙烯薄膜为平面锯 齿型分子主链构象，薄膜以微晶和非晶混合状态存在( 即有序和无序状态共存) ，随着结 晶度的增大，材料的密度、断裂强度、拉伸强度、尺寸稳定性等也会随之增大，而伸长率， 化学性质等会随之减小【3 2 1 。 高分子材料是组成相当复杂的一种体系，每种组分都有特定的作用。所以要全面了解 一种高分子材料，不但需要研究其基础组分聚合物，尚须了解其他组分的性能和作用。大 多数高分子材料，除基本组分聚合物之外，为获得具有各种使用性能或改善其成型加工性 能，一般还有各种添加剂。高压聚乙烯是支链大分子物质。分子量的大小及多分散性对聚 合物性能有显著影响。一般而言，聚合物的力学性能随分子量的增火而提高。这里有两种 基本情况：一，如玻璃化温度( t 。) 、拉伸强度、密度、比热容等，刚开始时，随分子量 增大而提高，最后达到一极限值：二是某些性能如黏度、弯曲强度等，随分子量增加而不 断提高，不存在上述极限值。对薄膜，为便于加工，一般分子量分布窄一些好，同时分布 窄时对制品的性能亦有利。 聚合物凝聚态结构是指在分子间力作用下大分子相互敛集在一起所形成的组织结构。 聚合物凝聚态结构分为晶态结构和非晶态( 无定形) 结构两种类型。结构规则、简单的以 及分子间作用力强的大分子易于形成晶态结构。一次结构比较复杂和不规则的大分子则往 往形成无定形即非晶态结构。聚乙烯属于结晶聚合物。聚氨酯属于非结晶聚合物。聚乙烯 大分子链形态的基本类型为伸直链，在这种形态中，每个链节都采取能量最低的反式连接， 整个大分子呈锯齿状。拉伸结晶的聚乙烯大分子就是典型的例子。聚乙烯单晶中某些大分 子链就采取折叠链。 高分子材料属粘弹性材料，试样测试环境条件对试验结果影响极大，如测试温度、湿 度、试样的状态、变形速率以及测试设备状况等【3 3 】。材料断裂伸长率较大对拉伸强度有 一定影响。在拉伸过程中，由于断裂伸长率较大，材料自身会部分缓冲拉伸力对试样的作 用。 3 4 结语 1 9 低密度聚乙烯薄膜横向拉伸强度和断裂1 j f ! 长率大予纵向拉伸强度和断裂伸长率。由j 二 低密度聚乙烯薄膜断裂伸长率较大，拉伸速率对拉伸强度和断裂伸长率无显著影响。用生 物显微镜对试样外观、断裂前后试验样的变化，可以看出拉伸作用使高分子材料内部形成 大小不一的损伤孔隙。 第四章聚酯薄膜铝箔聚乙烯薄膜三层复合材撕裂性能的研究 4 1 引言 在很多商品包装上有撕裂的应用，如方便面包装袋的封口撕裂标志处，牛奶袋的封口 撕裂标志处等，食品包装袋和医药包装袋应用尤其广泛。b o p e t 薄膜具有机械性能好、 阻隔性能高，耐热、耐寒，耐腐蚀性等；铝箔阻隔性极好，反光率高：l d p e 薄膜透明性 高，耐腐蚀等。对于复合材( b o p e t 协l l d p e ) ，b o p e t 薄膜作为外包装层，l d p e 薄膜作为内包装热封层，三层复合的软包装材( b o p e t a l l d p e ) 聚集了b o p e t 薄膜、 铝箔、l d p e 薄膜的众多优点，在市场上应用较多。本章主要研究加载速率对不同割口角 度、不同割口深度的b o p e t a l l d p e 复合材撕裂性能的影响。 通常，材料的破裂首先在缺陷部位。由于这些缺陷部位。由于这些缺陷破坏了材料内 部的应力场，引起局部的应力集中而导致局部破裂，使材料产生裂纹，裂纹又引起更强的 应力集中，使裂纹出现扩展。当应力集中超过材料的极限应力时，材料就会发生断裂破坏， 而引起新的自由表面。 根据断裂力学理论，材料按其是否具备塑性变形的能力分为脆性材料和塑性材料。因 而相应的断裂也有两种方式：脆性断裂和塑性断裂【j ”。 复合软包装材料是一种充满各种填充物和孔隙的材料依靠粘合剂复合在一起的多层 材料，分子链与分子链之间以及基材与基材之间也有许多非结合点，因此是一种介于这两 者之间的典型弹塑性材料，复合软包装材料发生的拉伸破坏通常是弹塑性断裂。 高分子晶体材料以及一般的金属材料大都是多晶体。物质中的不均匀部分，例如微裂 纹等，都可看作是结构缺陷。无论是晶体或非晶体都会存在各种结构缺陷。缺陷是属于结 构变化的一部分。结构缺陷并不意味着材料有缺陷。实际上往往是为了获得所要求的力学 及物理性能而有意地造成某些结构缺陷。从几何学的角度，结构缺陷可分为点缺陷、线缺 陷、面缺陷及体缺陷。这些缺陷对材料的性能( 结构敏感性能) 有极重要的影响，与晶体 的凝固、固态相变、扩散等过程有极密切的关系，特别是对塑性变形、强度及断裂等力学 性能起决定性作用。点缺陷、线缺陷和面缺陷属于微观缺陷，他们并非静止不变的，而是 随着各种条件的改变而不断变动，可以产生、发展、运动、相互作用或合并、消失。 4 2 实验部分 4 2 1 实验材料 主要原料：材料为软包装复合材( b o p e t a l 几d p e ) ，用干式复合方式复合而成( 干 式复合机，浙江海宁人民轻工机械厂) 。双向拉伸聚酯薄膜( b o p e t ) 厚度为o 0 1 2 m m ，铝 箔( a l ) 厚度为o 0 0 7 2 m m ；低密度聚乙烯薄膜( l d p e ) 厚度为0 1 4 5 m m ；复合用胶粘 剂为聚氨酯胶。 4 2 ，2 实验仪器与设备 1 x l w - 5 0 0 型智能电子拉力试验机 国产 ：k f 飞一7 0 i w h 0 1 d s 分体热泵型落地式房间空4 e 调节器 3 电予数显千分尺0 2 5m m ( 精度：o 0 0 1 m m ) 4 百灵温湿度仪 5 游标卡尺0 - 3 0 0 m m 4 2 3 实验过程 42 3 1 试样状态调节和试验的标准环境 按g b2 9 1 8 中规定的标准环境正常偏差范围进行状态调节 环境下进行试验。 4 2 3 2 取样 战，o 国产 国产 国产 时间不少于4 h ，并在此 纵横方向的试样各不少于l o 个。在受到拉伸试验机量程限制的情况f 允许采用叠台试样组进行试 验，此时试样不少于3 组，每组l o 片。单片试样和叠台试样组的测试结果不可比较。以试样撕裂时的 裂口扩展方向作为试样方向。试样割口处应无裂缝及伤痕。如图4l 为试样示意图。 4 2 3 3 - 陛能测试 1 按g b6 6 7 2 中规定的上、下两侧面为平面的量具测量试样厚度。每个试样的厚度应 在标距内测量三点，取算术平均值。厚度准确至0 0 0 1n k r n 。 2 将试样置于试验机的两夹具中，使试样纵轴与上、下夹具中心连线相重合，夹入部 分不大于2 2m m ，并使其受力方向与试样方向垂直，并且要松紧适宜，以防止试样滑脱 和断裂在夹具内。 3 原理：对标准试样施加拉伸负荷，使试样在割口处撕裂，测定试样的撕裂负荷或撕 裂强度。采用智能电子拉力机，测定5 种不同割口角度( 1 0 。，3 0 。，4 5 。，6 0 。，9 0 。) 、4 种不同割1 3 深度( 2 m m ，4 m m ，6 m m ，8 m m ) 的b o p e t a l l d p e 复合材的撕裂强度。对试样分 别施加2 5 m m m i n ，5 0 m m m i 玛1 0 0 m m m i n ，2 0 0 m r n m i n ，3 0 0 m m m i n ，5 0 0 m m m i n 6 种加载速 率进行试验。并记录试验过程中的最大负荷值。 图4 1 试样的示