背景 食品和其他消費(fèi)產(chǎn)品的包裝是一個(gè)競爭激烈而又 發(fā)展迅速的行業(yè)。塑料容器、塑料包裝紙、泡沫包裝等的使用,結(jié)合印刷信息、消費(fèi)者信息和標(biāo)識(shí),使得產(chǎn)品的最好 形象得到展示。除了展示的需求,塑料包裝還必須運(yùn)用一種快速、自 動(dòng)化的封裝過程來封裝產(chǎn)品;它必須價(jià)格劃算的,還有再循環(huán)利用能 力的要求也與日俱增。熱分析,包括動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析,對(duì)于發(fā)展新的 包裝材料和調(diào)整現(xiàn)有材料以適應(yīng)新的包裝產(chǎn)品和加工要求非常有用。 材料的難題之一是尺寸問題,也就是說,確定材料隨溫度變化產(chǎn)生的 尺寸變化,因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)和封裝過程中產(chǎn)生應(yīng)力。珀金埃爾默公 司近期開發(fā)出一種花費(fèi)適中的熱機(jī)械分析儀(TMA),TMA4000, 其他地方也有報(bào)道,它非常適用于膨脹系數(shù)和應(yīng)力釋放導(dǎo)致的尺寸變 化的測試,這兩種情況被塑料加工的多種場合所特別關(guān)注。
本文介紹的是采用珀金埃爾默的TMA4000對(duì)塑料薄膜 產(chǎn)品進(jìn)行分析的幾個(gè)例子。每個(gè)案例中,對(duì)一個(gè)大約 10毫米的包裝材料成品進(jìn)行了分析,它在X和Y軸構(gòu)成 的平面上進(jìn)行過拉伸,在垂直于該面的Z軸方向進(jìn)行過 壓縮。施加到TMA探頭上的力是最小的,以便使材料內(nèi) 部的應(yīng)力以膨脹或收縮的形式釋放。由于作者對(duì)于要測 試的樣品的技術(shù)信息了解甚少,這里強(qiáng)調(diào)的是分析技術(shù) 和儀器的表現(xiàn)。當(dāng)應(yīng)用于工業(yè)部件時(shí),TMA關(guān)注的問題 在解決和特殊包裝產(chǎn)品進(jìn)展上。
食品包裝紙 食品包裝的典型要求是,首先,要有阻隔特性以保證口 感質(zhì)量和安全不受污染,其次,可印刷性、透明性、容 易打開,還有關(guān)鍵的一點(diǎn),加工的生產(chǎn)能力。為實(shí)現(xiàn)這 些迥然不同的目標(biāo),常采用多層膜技術(shù)。由于多層膜的 各層具有不同的熱膨脹系數(shù)(CTE),封裝過程中會(huì)產(chǎn) 生應(yīng)力,這在軟化時(shí)會(huì)導(dǎo)致破裂。 要在分子間水平解釋這些現(xiàn)象,或許需要用差示掃描 量熱儀(DSC)和TMA這兩種儀器來進(jìn)行分析,DSC在 熱流方面提供解釋,TMA則記錄尺寸變化。DSC8000 用來觀察熱流方面的行為,包括說明玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 (Tg)區(qū)域和結(jié)晶熔化。Pyris軟件為比較多種熱分析技 術(shù),諸如DSC,TMA,TGA和STA的數(shù)據(jù)提供了便利。
圖1顯示的是一種用于單獨(dú)包裝健康食品條的覆鋁多層 聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)包裝紙的DSC熱流掃描 譜圖。由DSC數(shù)據(jù)可以看到兩個(gè)明顯的熔化吸熱峰,高 溫處的似乎是聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)的。沒有 放熱峰表示這里的PET是與許多商標(biāo)名為MylarTM的雙 向拉伸聚酯類似的晶態(tài)。
圖2顯示的是這種零食包裝紙的TMA分析,用壓縮模式 分析,觀察垂直于薄膜平面的Z軸方向上薄膜的軟化和 收縮。六層膜的薄膜呈三明治結(jié)構(gòu)放置于一個(gè)DSC樣品 皿中以放大位移,同時(shí)避免了熔化后的清理工作。 圖3顯示的是同一個(gè)包裝紙的縱向和橫斷面的TMA圖 譜。第一次60℃時(shí)包裝紙顯示的是在縱向和橫斷面方 向都膨脹。在150℃時(shí)收縮有差異,隨之而來的是第一 次熔化。
進(jìn)一步加熱導(dǎo)致收縮,在最終熔化時(shí)變?yōu)樯煺?。由?TMA4000的動(dòng)態(tài)范圍很寬,無論是膨脹還是收縮,位 移能夠在幾個(gè)毫米之內(nèi)跟蹤到。又因?yàn)橛袘腋∽枘幔?夠采用低力值(約1克)而不引入不適當(dāng)?shù)脑胍?。在?璃化轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域的應(yīng)力釋放也非常小,因?yàn)閼?yīng)力在薄 膜生產(chǎn)的牽伸卷取過程中已經(jīng)被釋放。
蛤殼式包裝 蛤殼式包裝—典型的非晶PET—其表現(xiàn)與PET食品包裝紙不同。這里在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域有大量的應(yīng)力釋放, 這種應(yīng)力來自模塑成型過程中伴隨有冷結(jié)晶過程的反向 尺寸恢復(fù)。見圖4和圖5。 蛤殼封裝材料領(lǐng)域的一個(gè)新材料是非晶的聚乳酸 (PLA)蛤殼包裝材料,它正在回收再利用存在問題的 領(lǐng)域開展應(yīng)用。聚乳酸PLA蛤殼包裝材料在風(fēng)化環(huán)境中 能夠生物降解。在過去幾十年中,PET的制造問題得到 很大程度的解決,但聚乳酸PLA的熱信息還不夠充分。 圖6所示是10℃/分鐘掃描的DSC熱流曲線,顯示的是一 些相同特性的非晶聚酯PET,換句話說,一個(gè)占主導(dǎo)地 位的玻璃化轉(zhuǎn)變隨后是結(jié)晶,再接著是熔融。這些熱 現(xiàn)象也可以在圖7所示的Z軸方向的TMA膨脹曲線中觀 察到。
圖8顯示的是聚乳酸PLA在XY平面的膨脹,所示的兩個(gè) 樣品相互間相差90度,一個(gè)由蛤殼的中心向外輻射, 另一個(gè)與此相切。
測試伸展薄膜樣品的建議 當(dāng)測試?yán)w維或脆性薄膜樣品時(shí),要在低負(fù)荷下獲得好的 尺寸變化數(shù)據(jù)的關(guān)鍵,是注意仔細(xì)制備和安裝樣品。樣 品應(yīng)該按尺寸裁切而不產(chǎn)生應(yīng)力,它應(yīng)該直線安裝在夾 具里使分析儀施加的力均勻分布于樣品上。夾具應(yīng)該絕 對(duì)地平行且彼此成直線。圖9所示的裝樣夾具對(duì)于進(jìn)行 這類測試沒有參考價(jià)值,而是為在拉伸模式下做動(dòng)態(tài)機(jī) 械分析設(shè)計(jì)的,它要求夾具非常平行且保持剛性,這樣 樣品夾持到位后它的長度就被測量了。
小結(jié) 雖然動(dòng)態(tài)機(jī)械分析能夠確定一個(gè)塑料制品的模量, 諸如包裝中使用的薄膜,而TMA作為一項(xiàng)操作更簡 便的技術(shù),能更簡單地揭示與加工過程中機(jī)械尺寸 相關(guān)的產(chǎn)品問題的來源,尤其是那些與應(yīng)力釋放相 關(guān)的問題。從上述案例可以很清楚地看到包裝成品塑 料薄膜在加熱時(shí)由于應(yīng)力釋放表現(xiàn)出可測量的尺寸變 化。TMA4000熱機(jī)械分析儀是專門設(shè)計(jì)以滿足電子工 業(yè)應(yīng)用中測量小膨脹系數(shù)材料的靈敏度要求的,但它 同樣也擁有寬的動(dòng)態(tài)范圍和低加載力性能,可以用于 包裝材料工業(yè)中分析產(chǎn)品問題,或者其它塑料工業(yè)。
(空格分隔,最多3個(gè),單個(gè)標(biāo)簽最多10個(gè)字符)
立即詢價(jià)
您提交后,專屬客服將第一時(shí)間為您服務(wù)