GB 10006與ASTM D 1894塑料薄膜摩擦系數(shù)測定方法的比較

目前，薄膜、復(fù)合膜在機(jī)械技術(shù)的飛速發(fā)展下實現(xiàn)了自動化包裝，伴隨效能大幅提高的同時，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)是對兩個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，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)生相對移動時，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，形成對物體運(yùn)動的阻礙，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摩擦力。靜摩擦力是兩接觸表面在相對移動開始時的阻力，其與垂直于物體接觸面的力之比就是靜摩擦系數(shù)；動摩擦力是兩接觸表面以一定速度相對移動時的阻力，其與垂直于物體接觸面的力之比就是動摩擦系數(shù)。

　　在實際包裝中的摩擦力常常既是拖動力又是阻力，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疊料不穩(wěn)定而產(chǎn)生錯邊；而薄膜外層與包裝機(jī)拖動金屬面摩擦系數(shù)需適中，太大會引起包裝過程中阻力過大致使材料拉伸變形，太小可能又會引起拖動機(jī)構(gòu)打滑造成電眼跟蹤和切斷定位不準(zhǔn)。

　　對此，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運(yùn)動，從而改善物料流動性；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，包裝袋開口難以“在規(guī)定的時間內(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，實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)境溫度也會造成薄膜表面摩擦系數(shù)的上下波動。通常情況下，自動包裝機(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)會表現(xiàn)出上升的趨勢，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而變的粘結(jié)的緣故。

2 塑料薄膜的摩擦系數(shù)測定方法

　　摩擦系數(shù)的合適與否不僅會影響薄膜的生產(chǎn)與加工，也會對包裝的開口性產(chǎn)生影響，因此是塑料薄膜的基礎(chǔ)檢測項目之一。目前，對于薄膜摩擦系數(shù)的檢測方法以GB 10006-1988與ASTM D 1894為主，二者均采用“兩試驗表面平放在一起，在一定的接觸壓力下，根據(jù)促使兩表面相對移動的力值測算摩擦系數(shù)”的原理，同時又因標(biāo)準(zhǔn)制定的背景不同，部分檢測事項的具有一定的差異，下面將從試驗裝置、試樣制備、摩擦系數(shù)測定三方面進(jìn)行對比介紹。

2.1試驗裝置

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。對于滑塊尺寸和重量，兩項標(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，對厚度也做了基本的描述，約6mm。

2.1.2水平試驗臺

　　水平試驗臺是承載試樣與滑塊的平臺。由于滑塊為金屬材質(zhì)，當(dāng)其與磁場有相對運(yùn)動或處在變化磁場中，會發(fā)生磁阻尼現(xiàn)象，滑塊在非鐵磁質(zhì)良導(dǎo)體上運(yùn)動時受的阻力除動摩擦力外，還有磁阻力。因此為了保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，GB 10006要求水平試驗臺由非磁性材料構(gòu)成，且表面平滑。ASTM D 1894除了此要求外，提出了一種高于23℃試驗條件下的摩擦系數(shù)測定水平試驗臺裝置的要求：水平試驗臺需要安裝加熱元件，并有覆蓋裝置使平面在滑塊運(yùn)動過程中始終保持在所需溫度的±2℃的范圍內(nèi)。

2.1.3 驅(qū)動機(jī)構(gòu)

　　驅(qū)動機(jī)構(gòu)是促使兩試驗表面發(fā)生相對移動的裝置，依據(jù)兩標(biāo)準(zhǔn)提供的兩種相對移動形式：滑塊靜止、水平試驗臺移動和水平試驗臺靜止、滑塊移動，驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計可任選其一。圖1為GB 10006和ASTM D 1894就水平試驗臺運(yùn)動裝置的示意圖，展示了多種動力驅(qū)動形式：鏈條驅(qū)動、滾軸驅(qū)動、電機(jī)驅(qū)動等。設(shè)計中，驅(qū)動機(jī)構(gòu)應(yīng)無振動，同時在整個移動過程中需保持勻速，GB 10006要求速度為100±10mm/min，ASTM D 1894則為150±30mm/min，這是測試時需要注意的一點。

圖1 GB 10006和ASTM D 1894水平試驗臺運(yùn)動裝置示意圖

2.1.4 測力系統(tǒng)

　　測力系統(tǒng)，即摩擦力的測定器，一般采用負(fù)荷傳感器。GB 10006要求整個測力系統(tǒng)的總誤差應(yīng)小于±2%，而且在測力系統(tǒng)一側(cè)安裝調(diào)節(jié)彈性系數(shù)的彈簧，用于動靜摩擦力測試時將測力系統(tǒng)的彈性系數(shù)調(diào)節(jié)到2±1N/cm。若滑粘情況下測試動摩擦力時，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，同時表面應(yīng)無灰塵、指紋等外來物質(zhì)。其次，試樣裁取的時候應(yīng)注意正反面和方向。一般試樣的長度方向（即試驗方向）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，每次試驗至少需要3對試樣，每對試樣長20cm，寬8cm，若樣品較厚或剛性較大，需用雙面膠將其中一個試樣固定到滑塊底面，此時該試樣尺寸應(yīng)與滑塊底面尺寸一致。ASTM D 1894規(guī)定每對試樣中，粘附在水平試驗臺上的試樣長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)測定

2.3.1 試樣固定

　　將一個試樣的試驗表面朝上，平整的固定在試驗臺上，并與試驗臺的長度方向平行。另一試樣的試驗表面朝下，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面。

2.3.2 兩試樣相對移動

　　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試樣中央，并使兩試樣的試驗方向與滑動方向平行且測力系統(tǒng)恰好不受力。兩試樣接觸后保持15s。啟動儀器使兩試樣以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的速度相對移動。力的個峰值為靜摩擦力Fs，兩試樣相對移動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)為動摩擦力Fd。

2.3.3 公式計算

　　根據(jù)公式（1）和（2）測算出試樣的動靜摩擦系數(shù)。

注：μs ——靜摩擦系數(shù)；μd——動摩擦系數(shù)；Fs——靜摩擦力，N；Fd——動摩擦力，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)測定結(jié)果

　　根據(jù)上述方法，針對各類薄膜的內(nèi)表面與外表面的動靜摩擦系數(shù)進(jìn)行了測試，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-外表面動靜摩擦系數(shù)測試結(jié)果

3 薄膜摩擦系數(shù)測定儀器的選擇

　　隨著測量儀器的機(jī)械化發(fā)展，如今薄膜的摩擦系數(shù)測試主要采用自動化的電子儀器完成。根據(jù)上述分析，由于不同標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的測試參數(shù)具有一定的差異，因此選擇測試儀器的時候需要注意以下三點：（1）水平試驗臺必須采用非磁性材料制作，并且保證水平及光滑；（2）試驗速度等參數(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)的試驗儀器；（3）應(yīng)能實現(xiàn)加溫試驗功能，對于解決包裝線高溫環(huán)境下薄膜摩擦系數(shù)的實際問題具有指導(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儀器的薄膜來料檢驗、生產(chǎn)線實時監(jiān)測和成品質(zhì)量抽檢質(zhì)量控制體系，實現(xiàn)現(xiàn)代化的包裝薄膜質(zhì)量監(jiān)控。