熱收縮膜包裝是現今較為廣泛應用的一種包裝形式，具有包裝緊實、透明美觀、貼合度強等優點，常用於飲料標簽、瓶裝收束包裝、腸類收縮包裝、日化用品外膜、香煙盒外膜等產品的包裝。在特定高溫環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，分子鏈段取向結構與內應力被“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”的分子鏈段發生解取向，恢復到無序卷曲形態，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生緊致力，即冷縮力。
目前，國內絕大多數企業采用烘箱[2-3]或油浴設備[4]測試熱收縮膜的收縮性能，國內熱收縮膜產品標准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准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。而國際標准化組織發布的熱收縮膜檢測標准——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，這有助於對不同材質的熱收縮膜的研發，保證各種材質熱收縮膜性能的穩定性，滿足各種熱收縮膜在各行業的使用需求。
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，從而比較不同材質原料生產的收縮膜性能的差異，同時研究ISO14616所規定的測試方法是否適用於測試不同材質的熱收縮膜。
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受熱後隨時間變化的各收縮性能曲線，從而獲得熱縮力、冷縮力及最大收縮率結果值。
(2)儀器結構
FST-02薄膜熱縮性能測試儀可同時測試三組試樣，采用PID精確控溫技術提高測試時溫度的可靠性與穩定性。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構，可保證樣品測試的穩定性及各熱收縮性能的准確性。該測試儀器突破了其他檢測設備應用范圍的局限性，極大地滿足國內企業和質檢機構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
從國內熱收縮膜生產廠家獲取了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，記錄最佳設置溫度下薄膜在15~30秒之內出現的最大熱縮力、冷縮力、熱收縮率、最大熱縮力出現時間等參數，計算熱縮力、冷縮力與熱收縮率的平均值。最佳設置溫度即可實現熱收縮膜在15~30秒內出現最大收縮率的溫度。
2結果與討論
2.1冷縮力與熱縮力之間的關系
表1 各種熱收縮膜最佳設置溫度下熱收縮性能測試結果
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 (%) | 最大熱縮力 出現時間(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；最大熱縮力出現時間一欄列出的是平行測試的六組樣品所出現的時間范圍。
由表1所示，PE熱收縮膜（國產PE膜及不同厚度的國外LDPE熱縮膜的驗證數據）的冷縮力明顯大於熱縮力，如ISO14616標准方法中所提及的試驗現象一致。另外，OPS熱收縮膜的冷縮力同樣明顯高於熱縮力。
而PVC-1、PVC-2、PETG-2熱收縮膜的冷縮力僅略大於熱縮力。除此以外，PETG-1、BOPP、POF這四種熱收縮膜的冷縮力明顯低於熱縮力。所以，不同的熱收縮膜的冷縮力與熱縮力的關系並不相同，沒有固定的趨勢，這點在DIN53369-1976標准中也有所提及。通過試驗證明了ISO14616標准中所提及的“冷縮力遠大於熱縮力，可加速熱收縮膜緊縮過程”這一現象並不適用於所有熱收縮膜材料，主要是針對以聚乙烯為原料的熱收縮膜而言的。這種現象可能與熱收縮膜材質的晶體結構、熔融溫度與玻璃態轉化溫度等自身性能以及生產過程中拉伸定型工藝、控制溫度、冷卻工藝等環節有關。
2.2熱收縮膜的測試方向
由表1中的測試數據可以看出國產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現，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，應該與材料的結晶方向及加工定型方向有關。
所以，ISO14616 標准中有關“收縮力和冷縮力的測定”中提及的“因易於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。對於其他材質的熱收縮膜在測試過程中，因易於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定性比較
表2 不同熱收縮膜在不同設備間的測試結果比較
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 （%） | 最大熱縮力出現時間（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，測試結果如表2所示，可以看出對於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的數值基本相同，最大熱縮力出現時間因設備不同而略有差別，但仍保持在15~30秒內出現最大熱縮力。
不同設備之間（特別是今後會出現不同廠家生產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試樣周圍的溫度略有不同，但是在一定的溫度區間內小幅度的溫差並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發生改變，這與熱收縮膜材質晶體結構以及熔融溫度有關，同時也與拉伸、定型溫度以及冷卻時間有關[7-8]。
2.4 設置溫度與最大熱縮力測試時間的影響
為了驗證最大熱縮力所出現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PETG-2以及OPS三種典型熱收縮膜進行驗證。不同設置溫度下最大熱縮力出現時間、熱收縮率及收縮力值可見表3。
表3 各種材質熱收縮膜不同設置溫度下各性能指標數據結果
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 （%） | 最大熱縮力出現時間 （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中的數據顯示，對於出現在15~30秒范圍內的熱縮率及最大熱縮力值均為對應熱收縮膜較為穩定的熱縮參數數值，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，可發現熱縮力及冷縮力力值並不隨設置溫度的變化有明顯波動，而15~30秒出現的熱收縮率在熱收縮率曲線中基本位於拐點位置附近。
由表3中的數據可以看出，LDPE熱收縮膜在選定的最佳參考溫度（220°C）±10°C范圍內，最大熱縮力均出現在15~30秒。其他種類的熱收縮膜在選定的最佳參考溫度（PETG-2為110°C，OPS為105°C）±5°C范圍內，最大熱縮力均出現在15~30秒。
通過第6條及第7條綜合得出，ISO14616規定的15 ~ 30秒的最大熱縮力出艙時間同樣適用於其他材料。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結論
上述研究按照ISO14616的測試方法驗證了不同材質熱收縮膜的冷縮力與熱縮力之間的趨勢並不相同，對於以聚乙烯為原料的熱收縮膜而言，冷縮力大於熱縮力，其他材質則無明確規律。熱收縮膜的測試方向則根據不同材質及加工工藝而定，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標准中提及的15~30秒內獲取的最大熱縮力及熱縮率的方法同樣適用於非聚烯烴類的其他材質的熱收縮膜。因此，ISO14616中所規定的試驗儀器及試樣方法基本適用於其他材質的熱收縮膜，其中僅試樣測試方向、溫度設置范圍試驗條件需根據熱收縮膜的材質及加工工藝等條件進行不同的調整。
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