GB 10006与ASTM D 1894塑料薄膜摩擦系数测定方法的比较

目前，薄膜、复合膜在机械技术的飞速发展下实现了自动化包装，伴随效能大幅提高的同时，质量问题愈加凸显。包装薄膜拉断、打滑，进而导致包装线断流的事件时有发生，给包装生产、印刷企业造成了巨额经济损失。其主要原因在于企业对塑料薄膜的摩擦系数没有做到合理的控制。

1 塑料薄膜的摩擦系数

　　 摩擦系数是对两个接触表面摩擦力的一种量度。在微观世界中，材料表面是凹凸不平的，当两种材料相互接触时，真正接触的只有凸处，凸处原子紧密接触，形成很强的相互作用力。当接触面发生相对移动时，这种作用力将被硬性剪切，两接触面凸处相互碰撞而发生断裂、磨损，形成对物体运动的阻碍，而平行于接触面、破坏凸处的剪切力，即为摩擦力。摩擦力包括静摩擦力和动摩擦力。静摩擦力是两接触表面在相对移动开始时的阻力，其与垂直于物体接触面的力之比就是静摩擦系数；动摩擦力是两接触表面以一定速度相对移动时的阻力，其与垂直于物体接触面的力之比就是动摩擦系数。

　　在实际包装中的摩擦力常常既是拖动力又是阻力，因此必须有效地控制摩擦系数的大小，使它在适当的范围内。包装机运转过程中，一般要求薄膜内层摩擦系数比较小，但不能过小，否则可能引起制袋成型时叠料不稳定而产生错边；而薄膜外层与包装机拖动金属面摩擦系数需适中，太大会引起包装过程中阻力过大致使材料拉伸变形，太小可能又会引起拖动机构打滑造成电眼跟踪和切断定位不准。

　　对此，通常在薄膜中加入爽滑剂控制薄膜表面的摩擦系数[1]。爽滑剂为有机物，作用是在塑料薄膜表面“铺”上一层润滑油，使其表面的摩擦系数下降到需要的程度或数值，包括内爽滑剂和外爽滑剂两类。内爽滑剂能促进聚合物大分子链或链段相对运动，从而改善物料流动性；外爽滑剂则是与聚合物基团相容性差的极性有机化学品，在聚合物链的布朗运动作用下，这些分子迁移到薄膜表面形成一层油性表面，从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数。通常所有的润滑剂都兼具有两方面的功能[2]。

　　当包装制成后，软包生产企业经常遇到下游使用单位关于包装袋开口性差的反馈：制好的包装袋开口发生粘连，当填充内容物时，包装袋开口难以“在规定的时间内开启到需要的程度”，影响装填工序的正常运转。这里不仅涉及到摩擦系数，还涉及薄膜粘连性的问题。粘连，是塑料薄膜接触层之间的一种粘着现象，通常是由两种情况引起的：光滑的薄膜表面紧密接触且几乎*隔绝空气；压力温度引起的薄膜接触表面粘融。针对该问题，抗粘连剂被研发出来并作为添加剂投入薄膜生产中，作用是将薄膜的表面从原来的光滑的状态转变成凹凸不平的状态，当两片薄膜靠近时，实际接触面积被大大降低，从而消除了彼此粘连的可能性，表面的摩擦系数也相应变化。

　　除了人为的加入添加剂调节薄膜的摩擦系数，薄膜的加工、包装、应用过程的环境温度也会造成薄膜表面摩擦系数的上下波动。通常情况下，自动包装机成型装置的表面温度高于50℃，在这种高温环境下，部分薄膜的摩擦系数会表现出上升的趋势，一方面由薄膜自身的特性所决定，另一方面是添加的爽滑剂接近熔点而变的粘结的缘故。

2 塑料薄膜的摩擦系数测定方法

　　摩擦系数的合适与否不仅会影响薄膜的生产与加工，也会对包装的开口性产生影响，因此是塑料薄膜的基础检测项目之一。目前，对于薄膜摩擦系数的检测方法以GB 10006-1988与ASTM D 1894为主，二者均采用“两试验表面平放在一起，在一定的接触压力下，根据促使两表面相对移动的力值测算摩擦系数”的原理，同时又因标准制定的背景不同，部分检测事项的具有一定的差异，下面将从试验装置、试样制备、摩擦系数测定三方面进行对比介绍。

2.1试验装置

2.1.1 滑块

　　一种金属块，应具有覆盖橡胶、泡沫等弹性材料的正方形底面，避免粘贴试样使其产生压纹。对于滑块尺寸和重量，两项标准分别作了不同的规定：GB 10006要求滑块底面边长63mm，面积40cm2，包括试样在内的滑块总质量为200±2g；而ASTM D 1894的规定略加详细，底边边长延长了0.5mm，对厚度也做了基本的描述，约6mm。

2.1.2水平试验台

　　水平试验台是承载试样与滑块的平台。由于滑块为金属材质，当其与磁场有相对运动或处在变化磁场中，会发生磁阻尼现象，滑块在非铁磁质良导体上运动时受的阻力除动摩擦力外，还有磁阻力。因此为了保证测试结果的准确性，GB 10006要求水平试验台由非磁性材料构成，且表面平滑。ASTM D 1894除了此要求外，提出了一种高于23℃试验条件下的摩擦系数测定水平试验台装置的要求：水平试验台需要安装加热元件，并有覆盖装置使平面在滑块运动过程中始终保持在所需温度的±2℃的范围内。

2.1.3 驱动机构

　　驱动机构是促使两试验表面发生相对移动的装置，依据两标准提供的两种相对移动形式：滑块静止、水平试验台移动和水平试验台静止、滑块移动，驱动机构的设计可任选其一。图1为GB 10006和ASTM D 1894就水平试验台运动装置的示意图，展示了多种动力驱动形式：链条驱动、滚轴驱动、电机驱动等。设计中，驱动机构应无振动，同时在整个移动过程中需保持匀速，GB 10006要求速度为100±10mm/min，ASTM D 1894则为150±30mm/min，这是测试时需要注意的一点。

图1 GB 10006和ASTM D 1894水平试验台运动装置示意图

2.1.4 测力系统

　　测力系统，即摩擦力的测定器，一般采用负荷传感器。GB 10006要求整个测力系统的总误差应小于±2%，而且在测力系统一侧安装调节弹性系数的弹簧，用于动静摩擦力测试时将测力系统的弹性系数调节到2±1N/cm。若滑粘情况下测试动摩擦力时，则应取下弹簧。而在ASTM D 1894中没有关于弹簧的规定。

2.2 试样制备

　　首先，试样应具备良好的状态。平整，无皱纹、翘曲，以及无任何可能改变摩擦性质的伤痕，边缘圆滑是试样的基本要求，同时表面应无灰尘、指纹等外来物质。其次，试样裁取的时候应注意正反面和方向。一般试样的长度方向（即试验方向）与样品的机械方向平行。第三，试样的尺寸需根据参考标准和样品厚度而定。GB 10006适用于厚度在0.2mm以下的塑料薄膜和薄片，在这一前提下，每次试验至少需要3对试样，每对试样长20cm，宽8cm，若样品较厚或刚性较大，需用双面胶将其中一个试样固定到滑块底面，此时该试样尺寸应与滑块底面尺寸一致。ASTM D 1894规定每对试样中，粘附在水平试验台上的试样长250cm，宽13cm。粘附在滑块上的试样，若试样厚度不超过0.254mm，应裁切为12cm长的正方形试样；若试样厚度厚于0.254mm，应裁切为6.35cm长的正方形试样。

2.3 摩擦系数测定

2.3.1 试样固定

　　将一个试样的试验表面朝上，平整的固定在试验台上，并与试验台的长度方向平行。另一试样的试验表面朝下，用胶带在滑块前沿和上表面固定试样使之包住滑块。若试样较厚，取的为方形试样，则需用双面胶固定滑块底面和试样非试验面。

2.3.2 两试样相对移动

　　将粘附试样的滑块用钢丝与传感器连接（ASTM D 1894使用尼龙丝代替钢丝），将滑块无冲击的放在另一个试样中央，并使两试样的试验方向与滑动方向平行且测力系统恰好不受力。两试样接触后保持15s。启动仪器使两试样以标准规定的速度相对移动。力的个峰值为静摩擦力Fs，两试样相对移动6 cm（ASTM D 1894规定为13cm）内的力的平均值(不包括静摩擦力)为动摩擦力Fd。

2.3.3 公式计算

　　根据公式（1）和（2）测算出试样的动静摩擦系数。

注：μs ——静摩擦系数；μd——动摩擦系数；Fs——静摩擦力，N；Fd——动摩擦力，N；Fp——法向力，即垂直于接触面的力，N；

2.3.4 各材料摩擦系数测定结果

　　根据上述方法，针对各类薄膜的内表面与外表面的动静摩擦系数进行了测试，结果见表1。可为读者提供一定的参考。

表1 各类薄膜试样内表面-外表面动静摩擦系数测试结果

3 薄膜摩擦系数测定仪器的选择

　　随着测量仪器的机械化发展，如今薄膜的摩擦系数测试主要采用自动化的电子仪器完成。根据上述分析，由于不同标准所规定的测试参数具有一定的差异，因此选择测试仪器的时候需要注意以下三点：（1）水平试验台必须采用非磁性材料制作，并且保证水平及光滑；（2）试验速度等参数应能满足所参考标准要求，宜选择符合GB、ISO、ASTM多种标准的试验仪器；（3）应能实现加温试验功能，对于解决包装线高温环境下薄膜摩擦系数的实际问题具有指导意义。在此基础上，包装加工企业应建立一套依托成熟检测仪器的薄膜来料检验、生产线实时监测和成品质量抽检质量控制体系，实现现代化的包装薄膜质量监控。