强文推荐——塑料薄膜的拉伸模量

摘要

本文主要通过低量程的机械分析仪研究了几种常用的消费塑料薄膜材料拉伸应力/应变行为。薄膜的厚度从19um到66um(0.75mil到2.6mil).施加在样上的力以0.05N/min从0.05N增加到1N样品的应变随着应力的增加而增加，所有的测试都是在室温条件下进行。

对消费品的拉伸性能进行了定性和定量的比较。在材料中观察到的三个机械现象：线性弹性行为，模量增强或增加行为，和屈服或小应力。在线性弹性模量的测量定义的逆的应力-应变曲线的斜率。87～6 GPa模量值

关键词:薄膜，拉伸模量，热机械分析仪

引言

薄塑料膜在日常生活中有着各种各样的应用，例如包装材料，热收缩包装，消费者塑料袋和胶带等。 薄塑料膜的最终用途可能需要高拉伸（食品包装）或较低拉伸（保护性涂层）。拉伸模量是薄膜抗拉伸性的量度，因此是与最终使用性能相关的重要性能。

本文研究的目的是研究各种薄膜塑料材料的拉伸性能，并测量在所述线性粘弹性区域的弹性模量。

实验原理和设计

用安装有固定切割宽度为2.54mm的刀片切割普通的商业塑料薄膜样品。薄膜的厚度使用TA仪器TMAQ400热机械分析仪（图1）的标准膨胀探头测量。测量厚度时探头施加的力值设置为0.05N。然后采用专门设计的固定工具将样品进行对齐和安装在薄膜拉伸夹具上.将组装好的样品/夹具组件安装到TMA 2940膜/纤维平台和探头组件上（图2）。薄膜/纤维探头是一个低质量的拉伸测量臂，其在施加的应力下向下拉动样品。。样品的长度在薄膜/纤维平台/探头组件之间测量，测试时施加的作用力值为0.05N。

图1 TMA 结构示意图

图2 薄膜/纤维夹具以及固定工具示意图

在施加力的情况下，监测塑料膜的拉伸行为，施加的力值以0.05N / min的速率使其升至1N，塑料薄膜发生相应的伸长。 测试的原始数据通过TA仪器公司软件的文件修改工具将单位尺寸长度随着力的变化转换成单位应变随着应力的变化。样品尺寸的变换是样品的原始长度除以样品的屈服应变，施加在样品上的作用力除以样品的横截面积得到应力。修正后的数据可以直接使用TMA标准数据分析软件直接分析。

拉伸模量被定义为在线性黏弹区范围内应力/应变曲线上应力变化除以应变变化的比值。由于在本文的研究中应力是独立变量，所以模量值可以通过应变-应力曲线的斜率的倒数来计算。

结果及讨论

在本文的研究中，所测试的塑料膜表现出宽范围的拉伸粘弹性。有些薄膜表现出几乎纯的线性弹性行为，而有的薄膜样品表现出屈服（应力的微小变化就能能引起样品应变的急剧增加），还有一些样品随着应力的增加变硬。这些行为分别如图4，3，和5所示。由于应力是独立变量，所以屈服和增强的现象出现在相反的方向上，这些现象可以在恒定应力-应变的仪器直接观察到。

在低应力情况下，大多数样品表现出的线性粘弹性响应。图3、4和5观察得到的模量分别为880 MPa、87 MPa和2.88 GPa。聚酰亚胺样品（图5），增强出现第二线性黏弹区，弹性模量为6.10 GPa。这种增强的行为使这种材料成为结构应用（如薄膜基板或层压板）的理想材料。聚乙烯材料的模量下降到预期的范围为55到172Mpa[1]。

在图6所示，是一个双层垃圾袋的拉伸性能。该材料具有一系列明显的定向取向。分别从平行和垂直于这些取向的方向切割的样品进行测量。垃圾袋的不同方向的模量是几乎不受样品取向的影响。但是，在垂直薄膜取向方向上屈服发生在比较低的应力水平，并且应力增长十分急剧。这种现象通常是在家用的塑料袋中出现；垃圾袋通常在一个方向上裂开。为了防止这种单一方向的影响，制造商通常采用多角度取向的多层薄膜制造塑料袋。

图3 纯线性弹性行为薄膜

图4 拉伸屈服薄膜

图5 拉伸增强薄膜

图6 双层垃圾袋的拉伸性能结果

图7，8和9分别表示一个多层包装袋以及其两种组成成分的测试结果。这种多层包装袋的设计上同时满足了强度、耐氧化性和耐湿度以及审美的要求。该完整的包装袋的拉伸模量为749MPa，顶层薄膜的模量为737MPa，底层薄膜的模量为1080MPa。显然，薄膜整体的强度是来自于底层薄膜的强度

图7 完整的包装袋的拉伸性能

图8 顶层薄膜的拉伸性能

图9 底层薄膜的拉伸性能

在本文的最后，对比了三种包装胶带的模量和强度。三种胶带的拉伸性能如图10所示，强度的测试结果见下表1所以

表1三种胶带的拉伸性能

样品

厚度（mm）

模量（GPa）

胶带1

60

1.29

胶带2

43

1.71

胶带3

50

2.08

通过对比结果发现，胶带1的模量相对比较低，因此为了获得更高的强度必须制造一个相对厚的膜。而胶带2和胶带3正好相反，因为胶带和2和胶带3的材料本身具有比较高的模量，所以可以使用比较薄的薄膜。

图10 三种包装胶带的拉伸性能

结论：

塑料薄膜表现出各种各样的拉伸应力/应变行为。在本文的研究中观察到的模量值有接近3个数量级的变化。因此，商业化产品的性能的优化需要综合考虑，模量，拉伸性能，和样品的几何形状等影响因素。

TA仪器TMAQ400是一款在测试薄膜拉伸性能方面既方便又实用的仪器。低质量薄膜/纤维探头在实验过程中施加的力可以从非常低的值变化到中等高的值，这正好与这些薄塑料薄膜的低质量和低强度兼容。