摘要：依照ISO 14616空氣加熱原理試驗(yàn)方法測(cè)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(guān)系以及確定收縮時(shí)測(cè)試的方向，并通過對(duì)國(guó)內(nèi)外三種性能差異較大的熱收縮膜進(jìn)行大量測(cè)試，驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)置溫度與zui大熱縮力出現(xiàn)時(shí)間等參數(shù)的選擇。從而，為國(guó)內(nèi)尚未成熟的熱收縮膜的收縮力性能的研究提供技術(shù)參考。
關(guān)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(yīng)用的一種包裝形式，具有包裝緊實(shí)、透明美觀、貼合度強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，常用于飲料標(biāo)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(jìn)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(huì)有序排列，待溫度急速降低時(shí)，分子鏈段取向結(jié)構(gòu)與內(nèi)應(yīng)力被“冷凍”，則熱收縮膜即在此溫度下被定型。當(dāng)熱收縮膜再次被加熱到上述溫度時(shí)，被“冷凍”的分子鏈段發(fā)生解取向，恢復(fù)到無序卷曲形態(tài)，即為熱收縮[1]。當(dāng)進(jìn)一步冷卻時(shí)，已熱收縮的薄膜將進(jìn)一步產(chǎn)生緊致力，即冷縮力。
目前，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)企業(yè)采用烘箱[2-3]或油浴設(shè)備[4]測(cè)試熱收縮膜的收縮性能，國(guó)內(nèi)熱收縮膜產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)熱收縮率的檢測(cè)方法多為油浴熱收縮，美國(guó)熱收縮膜的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D2732[5]中也是使用的油浴熱收縮檢測(cè)方法。但是，不管是油浴熱收縮測(cè)試儀，還是將熱收縮膜直接放入烘箱中測(cè)試，均只能檢測(cè)熱收縮膜的熱收縮率。而標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布的熱收縮膜檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)——ISO 14616[6]則要求利用空氣加熱原理（即空氣?。┻M(jìn)行薄膜各種熱收縮性能的測(cè)試，包括熱收縮力、冷縮力、收縮率、收縮時(shí)間等性能，這有助于對(duì)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(cè)試儀測(cè)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(shí)研究ISO14616所規(guī)定的測(cè)試方法是否適用于測(cè)試不同材質(zhì)的熱收縮膜。
1試驗(yàn)儀器與方法
1.1試驗(yàn)儀器與試樣
(1)測(cè)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(cè)試薄膜在封閉加熱腔內(nèi)受熱后隨時(shí)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(cè)試儀可同時(shí)測(cè)試三組試樣，采用PID控溫技術(shù)提高測(cè)試時(shí)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(yīng)用，以及低阻尼位移測(cè)試結(jié)構(gòu)，可保證樣品測(cè)試的穩(wěn)定性及各熱收縮性能的準(zhǔn)確性。該測(cè)試儀器突破了其他檢測(cè)設(shè)備應(yīng)用范圍的局限性，極大地滿足國(guó)內(nèi)企業(yè)和質(zhì)檢機(jī)構(gòu)對(duì)可測(cè)試多項(xiàng)熱收縮性能指標(biāo)設(shè)備的需求。
圖1FST-02 薄膜熱縮性能測(cè)試儀
(3)試樣
從國(guó)內(nèi)熱收縮膜生產(chǎn)廠家獲取了2款PVC標(biāo)簽?zāi)ぃ≒VC-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(guó)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(yàn)步驟
用FST-02薄膜熱縮性能測(cè)試儀分別測(cè)試在不同設(shè)置溫度下上述所有樣品的熱收縮性能，每個(gè)樣品在不同設(shè)置溫度下平行測(cè)試6次，記錄*設(shè)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(shí)間等參數(shù)，計(jì)算熱縮力、冷縮力與熱收縮率的平均值。*設(shè)置溫度即可實(shí)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(guān)系
表1 各種熱收縮膜*設(shè)置溫度下熱收縮性能測(cè)試結(jié)果
熱收縮膜 | 測(cè)試方向 | 設(shè)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(shí)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(guó)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(jī)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(shí)間一欄列出的是平行測(cè)試的六組樣品所出現(xiàn)的時(shí)間范圍。
由表1所示，PE熱收縮膜（國(guó)產(chǎn)PE膜及不同厚度的國(guó)外LDPE熱縮膜的驗(yàn)證數(shù)據(jù)）的冷縮力明顯大于熱縮力，如ISO14616標(biāo)準(zhǔn)方法中所提及的試驗(yàn)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(guān)系并不相同，沒有固定的趨勢(shì)，這點(diǎn)在DIN53369-1976標(biāo)準(zhǔn)中也有所提及。通過試驗(yàn)證明了ISO14616標(biāo)準(zhǔn)中所提及的“冷縮力遠(yuǎn)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(duì)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(guān)。
2.2熱收縮膜的測(cè)試方向
由表1中的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出國(guó)產(chǎn)PE、POF熱收縮膜以及國(guó)外不同厚度的LDPE熱收縮膜的測(cè)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(yīng)該與材料的結(jié)晶方向及加工定型方向有關(guān)。
所以，ISO14616 標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)“收縮力和冷縮力的測(cè)定”中提及的“因易于取得縱向試樣的測(cè)試曲線，所以建議試驗(yàn)先從縱向試樣的測(cè)試開始。”僅是針對(duì)PE熱收縮膜、烯烴類POF共擠熱收縮膜而言。對(duì)于其他材質(zhì)的熱收縮膜在測(cè)試過程中，因易于取得橫向試樣的測(cè)試曲線，所以建議試驗(yàn)應(yīng)先從橫向試樣的測(cè)試開始。
2.3 不同測(cè)試儀之間的穩(wěn)定性比較
表2 不同熱收縮膜在不同設(shè)備間的測(cè)試結(jié)果比較
熱收縮膜 | 設(shè)備號(hào) | 設(shè)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(shí)間（s） |
PETG-2 | 1號(hào) | 110 | 3.81 | 3.87 | 35.75 | 16.5-19.6 |
2號(hào) | 110 | 3.71 | 3.78 | 33.60 | 17.0-19.7 |
BOPP | 1號(hào) | 235 | 2.47 | 1.04 | 28.56 | 23.0-27.4 |
2號(hào) | 235 | 2.32 | 1.02 | 29.65 | 19.0-24.0 |
國(guó)產(chǎn)PE | 1號(hào) | 220 | 0.14 | 1.75 | 45.55 | 20.3-27.0 |
2號(hào) | 220 | 0.11 | 1.79 | 44.10 | 22.0-26.0 |
抽取PETG-2、國(guó)產(chǎn)PE、BOPP三種熱收縮膜在2臺(tái)不同的FST-02薄膜熱縮性能測(cè)試儀上分別測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示，可以看出對(duì)于采用相同加熱空氣原理的檢測(cè)設(shè)備測(cè)試的同種熱收縮膜的熱縮力、冷縮力、熱收縮率這三項(xiàng)特征性能參數(shù)的數(shù)值基本相同，zui大熱縮力出現(xiàn)時(shí)間因設(shè)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(shè)備之間（特別是今后會(huì)出現(xiàn)不同廠家生產(chǎn)的薄膜熱縮性測(cè)試儀）因?yàn)榧訜嵩脑砘蛐吞?hào)不同，即使設(shè)備的設(shè)置溫度相同，也可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)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(huì)導(dǎo)致試樣的熱縮力、冷縮力、熱收縮率這幾項(xiàng)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(guān)，同時(shí)也與拉伸、定型溫度以及冷卻時(shí)間有關(guān)[7-8]。
2.4 設(shè)置溫度與zui大熱縮力測(cè)試時(shí)間的影響
為了驗(yàn)證zui大熱縮力所出現(xiàn)的時(shí)間范圍與所設(shè)置的溫度對(duì)收縮膜的熱收縮率等性能的影響，挑選國(guó)外LDPE-2、國(guó)內(nèi)PETG-2以及OPS三種典型熱收縮膜進(jìn)行驗(yàn)證。不同設(shè)置溫度下zui大熱縮力出現(xiàn)時(shí)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(shè)置溫度下各性能指標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)果
試樣名稱 | 設(shè)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(shí)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(duì)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(duì)應(yīng)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(guān)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(shè)置溫度的變化有明顯波動(dòng)，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(diǎn)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(shí)間同樣適用于其他材料。所以，建議在設(shè)置參考溫度進(jìn)行測(cè)試時(shí)，可以針對(duì)不同熱收縮膜材料設(shè)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(cè)試方法驗(yàn)證了不同材質(zhì)熱收縮膜的冷縮力與熱縮力之間的趨勢(shì)并不相同，對(duì)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(cè)試方向則根據(jù)不同材質(zhì)及加工工藝而定，同時(shí)收縮膜在采用不同檢測(cè)設(shè)備測(cè)試時(shí)，不會(huì)因?yàn)樵O(shè)備差異而導(dǎo)致收縮性能的變化。另外，ISO14616標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)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(cè)試方向、溫度設(shè)置范圍試驗(yàn)條件需根據(jù)熱收縮膜的材質(zhì)及加工工藝等條件進(jìn)行不同的調(diào)整。
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