材（cái）料摩擦係數的正確檢測以及注意事項

    摩擦係數是（shì）考察包裝薄膜的一項重要（yào）指標。因為在包裝（zhuāng）過程中（zhōng）的摩擦力常常既是動力又是阻力，因（yīn）而其大小應控製在（zài）適當的範圍內。在研究摩擦（cā）係數時，應（yīng）特別注意溫度對摩擦係數（shù）的影響很大，因此不僅要檢測包裝材料在常（cháng）溫下的摩擦係數，還應考察其在實際（jì）使用環境溫度下的摩擦係數。

1 摩擦係（xì）數（shù）

1.1 摩擦係數介紹（shào）

    摩擦係（xì）數是各種材料的基本性質之一。當兩個相互接觸的物體之間有相對運動或相對運動趨勢時，其接觸表麵上產生的阻（zǔ）礙相對運動的機械作用力就是摩擦力。某種材料的摩（mó）擦性能可以通過材料的動靜摩擦係數來表征。靜摩擦力（lì）是兩接觸表麵在相（xiàng）對移動開始（shǐ）時的最大（dà）阻力，其與法向（xiàng）力之（zhī）比就是靜摩擦係數；動（dòng）摩擦力（lì）是兩接觸表（biǎo）麵以一定速度相對移動時的阻力，其與法向力之比就是動摩擦係數。摩擦係數是針對一組摩擦副來講的，單純說（shuō）某種（zhǒng）材料的（de）摩（mó）擦係數是沒有意義的，同時必須指明組成摩（mó）擦副的材料的種類，並說明測試條件（環境溫濕（shī）度、載荷、速度等）以（yǐ）及滑動材料。

    多數學者認為摩擦力的本質是由兩物（wù）體接觸麵上的（de）分子間內聚力（lì）引起的。然而（ér）事實上，對於兩個相（xiàng）互接觸的物體來講，隻有（yǒu）在表麵間的（de）微觀凸起才相互接觸（chù），而大多數地方是不接觸的，因此實際（jì）接觸麵積遠小於表觀接（jiē）觸麵積（即我們所測定的試（shì）樣麵積）。摩擦阻力（lì）與實際接觸麵積成正比（不是與表觀接觸麵積成正比），一般（bān）實際接觸麵積（jī）又（yòu）與表（biǎo）麵上的正壓力成正比，因此摩擦力與正壓力成正比。不（bú）同材料間（jiān）接觸麵上分子間的（de）內聚引力不同，這將影響到物體（tǐ）間（jiān）的摩擦力，因此不同材料間的摩擦係數也就不同。

1.2 塑料薄膜的摩擦係數

    高（gāo）分子聚合物在（zài）軟包裝行業中獲（huò）得了廣泛的應用（yòng），材料表麵的摩擦（cā）係數是包裝機器（qì）運行速度以及包裝物易開啟性的主要影響因素之一，在（zài）製作過程中加入添加劑（如爽滑劑和抗粘連劑）是一種調節塑料表麵摩擦（cā）係數的常見方式。

    爽滑劑按照功能分為內爽滑劑和外爽滑劑兩類：內爽滑劑能促進聚合物（wù）大分子鏈或鏈段（duàn）相對運動，從（cóng）而改善物料（liào）流動性；外爽滑（huá）劑則是與聚合物基團相容性差的（de）極性有機（jī）化（huà）學品，在聚合物鏈的布朗運（yùn）動作用下，這些分子遷移到薄膜表麵（miàn）形成一層油性表麵，從而起到改善薄膜表麵性能的爽滑作用並降（jiàng）低材料表麵的摩擦係數。

    抗（kàng）粘連劑一般是粒（lì）徑2μm～4μm的固（gù）體粉末，加進薄膜表層可以形成許多凸起，使薄膜層與層（céng）之間的（de）實際接觸麵積（jī）減少，從而降低粘結力，相（xiàng）互（hù）滑動就會比較容易，有利於摩擦係數的降低。

    此外，由於靜電吸附（fù）力不但會（huì）影響薄膜之（zhī）間的摩擦（cā）係數（shù），還會影響材料的多種物理性（xìng）能，因此抗（kàng）靜電劑也是（shì）常用的（de）添加劑的一種。

    不過不（bú）同種類的添加劑與薄膜結構的兼容性不一樣，遷移（yí）到材料的表麵並對材料的表麵起到（dào）一定的潤滑作用的（de）添加劑存（cún）在時間及保存環境的依賴性，而且添加劑對材料表麵的作用均勻性也往往並不是完全一致的，所以材料表麵的摩擦係數會表現出不一致的特點。在進行材料摩（mó）擦係數的比較試驗時應注意試驗要同時進行，除（chú）非是進行材料老化（huà）效果的研究。

2 材料摩擦係數的正確檢測以及注意事項

2.1 摩擦係數的檢（jiǎn）測

    摩擦係數的檢測方法相（xiàng）對來講比較統一：使用一個試驗板（安置在水平操作台上的），將一個試樣用兩（liǎng）麵膠或其他方式固定在試驗（yàn）板上，另一試樣裁切（qiē）合適後（hòu）固定在專用滑塊（kuài）上，然後將滑塊按照具體操作說明放置在試驗板上第一個試（shì）樣的（de）中央，並使兩試樣（yàng）的試驗方向與滑（huá）動方向平行且（qiě）測力係統恰好（hǎo）不受力。通常（cháng）采用如下形式的檢測結構。

圖1. 檢測方法示意圖

注：A. 滑塊；B. 試（shì）驗板；C. 支持底座；E. 測力係統；F. 恒速驅動係統；I. 尼龍絲

對於摩擦係數試（shì）驗有以下幾點需要說（shuō）明：

首先，對於（yú）薄膜摩擦係數的檢（jiǎn）測方法標準以ASTM D1894和ISO 8295（GB 10006等效采用ISO 8295）為主（zhǔ），其（qí）中，對試驗板（又稱試驗台（tái））的製作工藝要（yào）求很高（gāo），不但要保證台麵的水平及光滑，並且要求（qiú）用非磁性材料製作。標準不同，對於試驗條件的要求（qiú）也不相同。例如對於試驗（yàn）速度的選（xuǎn）擇，ASTM D1894中要求是150±30mm/min，但是ISO 8295（GB 10006等效采用ISO 8295）中要求是100mm/min，試驗速度不同會（huì）明顯影響試驗結果。

第二，加溫試驗可以實現，需要注意的是在進行加溫試驗時要保證（zhèng）滑塊的溫度是室（shì）溫，僅對試驗板進行（háng）升（shēng）溫，這點在ASTM D1894標準中有明確說明。

第三，同樣的測（cè）試結構也可以（yǐ）用來檢測金（jīn）屬以及紙張等材料的摩擦係數，但是對於（yú）不同（tóng）的試驗對（duì）象，滑塊的重量、行（háng）程、速度等參數都是不同的。

第四，采用這種方法時需要注意由於（yú）運動物（wù）體的慣（guàn）性給試驗帶來的影響。

第五，通常，材料的摩擦係數是小於1的，但是有（yǒu）些文獻中（zhōng）也提到了摩擦係數大於1的情況，例如橡皮與金屬間的動摩（mó）擦係數（shù）就（jiù）在1～4之間。

2.2 摩擦係（xì）數（shù）試驗的注（zhù）意事項

2.2.1 溫度

    隨（suí）著溫度的升高（gāo），部分薄膜的摩擦係數（shù）會表現出上升（shēng）的（de）趨勢，一方麵這是由高分子材料自身的特性決定的，另一（yī）方（fāng）麵與薄膜（mó）製造時所采（cǎi）用的潤滑劑（jì）有關（guān）（潤滑劑很有可能已經接近其熔點而變（biàn）得粘結），溫度升高後，測（cè）力曲線波動幅度增大，直至出現“粘滑”現象。

    筆者對5種試樣進行了動靜摩擦係數的升（shēng）溫試驗，使用測試速度為100mm/min，使用設備Labthink FPT-F1摩擦係（xì）數/剝離試驗儀，測試（shì）溫度範（fàn）圍（wéi）18℃～60℃。部分試驗數據詳見（jiàn）表1。

表1. 不同溫度下的摩擦係數數據

    由表（biǎo）1中數據可以看出，對於試樣BOPP、複合膜1＃、複合膜2＃以及PE黑白膜（mó）來講（這4種試樣都是高分子聚合物（wù）材料），隨著溫度（dù）的上升，材（cái）料的動靜摩擦係（xì）數都有一（yī）定增長，但是增長（zhǎng）的幅度並不一樣。由表1中的部分數據繪製圖2，其中有AL（鋁箔）、複（fù）合膜（mó）2＃、PE黑白（bái）膜的摩擦係數隨溫度的（de）變化曲線。溫度變化對高分子材料的摩擦係數有一定的影（yǐng）響，然而並非所有材料的摩擦係數受溫度的（de）影響都很顯著，複合膜2＃的摩擦係（xì）數隨溫度的變化就比較小。溫度（dù）對摩擦係數的（de）影響是高分子聚合物（wù）的一個特點，而（ér）溫度對金屬等材料的（de）影響就非常小，如圖2中（zhōng）AL（鋁箔（bó））的摩擦係數隨溫（wēn）度的上升基本保持穩定。

圖2. 摩擦（cā）係數隨（suí）溫度的變化曲線

    在自動包裝過程中，設備的實際溫度由（yóu）於（yú）元件運轉散熱會比室溫高出一（yī）些（xiē），因此有必要在（zài）實際的（de）包裝環境溫度下檢測薄膜的（de）摩擦係數。例如用煙（yān）膜包裝香煙時，薄膜外麵在下膜通道、成型輪槽、折疊板、烙鐵、導軌等金屬部件上滑動運行，應該將薄膜外麵對金屬的摩（mó）擦係數控製在較低的水平上。由於這些金屬部件（jiàn）大都是在50℃以上的高溫條件下運轉，所以控製（zhì）高溫條件（jiàn）下的薄膜對金（jīn）屬的摩擦（cā）係數更加重要，這樣才（cái）能確保薄（báo）膜在熱金屬部件上（shàng）滑動運行順暢。因此需要在高溫（wēn）條件下檢測（cè）薄膜外麵對金屬的摩擦係數，僅憑借常溫（wēn）下的（de）摩擦係數數據來判斷高溫環境下的摩擦（cā）性能是不可取的。

2.2.2 試（shì）樣的（de）製備

    如果試樣正（zhèng）反兩麵的摩擦性質不同，應分別進行試驗。

    對（duì）於試樣取向的選擇應特別注意，標準中對（duì）於試（shì）樣（yàng）的測試取（qǔ）向要（yào）求非常嚴格，尤其是在進行數據比對（duì）時，否則可能會（huì）對試（shì）驗結果（guǒ）產生明顯的影響。通常情況下，試樣的長度方向（即試驗方向）應平行於樣品的縱向（機械（xiè）加工方向），當然滑塊放置在試驗板上後，滑塊上試樣的方向應（yīng）該和之前固定在操作台（tái）上的試樣取向一致。

    這種檢測方法並不適用於黏性材料的摩擦係數檢測，而且對於出（chū）現“粘滑現象”的（de）試樣，在檢測動摩擦係數時（shí）需要（yào）使用金屬絲（sī）代替尼龍絲，並（bìng）將材料的動靜摩擦係數分開檢（jiǎn）測。

    對於試樣尺寸的要求各（gè）個標準之間存在（zài）一定的差異，操作人員需要按照所（suǒ）執行的標準或者指定要求進行采樣及試樣的預處理。

2.2.3 摩擦係數和接觸時間的關係

    有文獻指出，在兩物體剛剛接觸後的一段時間內，摩（mó）擦係數和摩擦力隨接觸（chù）時間（jiān）的（de）延長而變化。一方麵是（shì）由於隨著接觸時間的延長，在一定的正壓力下兩物體表麵的實（shí）際（jì）接觸麵積會增大，而且接觸麵的彈性形變越劇烈，更有指出接（jiē）觸時間會影響塑性形變的。其實接觸時間的增加不僅會影響（xiǎng）兩材料之間的摩擦（cā）係（xì）數，平常我們所（suǒ）使用的（de）塑料薄膜，如果兩（liǎng）層薄膜（mó）貼在一起時間較長，在（zài）分離的時（shí）候也會（huì）存在難度（dù），當然（rán）這主要還是材料本身的特性以（yǐ）及在生產過程中使用的添（tiān）加劑（jì）所起的作用。然而摩擦係數（shù）對接觸時間的依賴關係具有飽和性。當接觸時間延長到使接觸麵的彈性形變和塑性（xìng）形變都達到最大限度後，最大靜摩擦力乃至靜摩擦係（xì）數（shù）也（yě）相應達到飽（bǎo）和值，之後就不再隨接觸時（shí）間的延長而增大了。飽（bǎo）和接（jiē）觸時間的長（zhǎng）短和接觸麵（miàn）的質料有密切的（de）關係。

    鑒於（yú）接（jiē）觸時間的長短會對材料的摩擦係數產生影響（xiǎng），而且這種影響會因材料的不同而有所改變，因此在進行摩擦（cā）係數檢測時需要統一將滑塊（kuài）放置到試（shì）驗板上到開始試驗的時間間隔，ISO 8295（GB 10006等效采用ISO 8295）中要求這段時間間隔為15s。

2.2.4 動摩（mó）擦係數與靜摩擦係數（shù）

    通常我（wǒ）們所檢（jiǎn）測的試樣都是動摩擦係（xì）數小於靜摩擦係數，但是在進行塑料的摩擦係數試驗時會（huì）發現對於部分（fèn）塑料（liào）（如聚四氟（fú）乙烯），其動摩擦係數會與（yǔ）靜（jìng）摩擦係數近似相等，甚至大於靜摩擦（cā）係數。標（biāo）準ASTM D1894中就在TABLE1中（zhōng）給出了一個試樣M3（PE）的摩擦試驗結果，其動摩擦係數大於（yú）靜摩擦係數，不（bú）過僅相差0.01，數據非常接近。

3 總結

    理想情況下，對於一定的摩擦副來講，動摩擦係數和（hé）靜摩擦係數都是常數，與物體的接觸麵積無關，也與相對滑動的速度無關。但是由於實際檢測中的測試條件總不是完全（quán）一致，而且材料均勻（yún）性不一，所以不同試驗室間的測試數據存在（zài）差異（yì）也是正常的。

    摩擦係數（shù）合適與否不但會影響薄膜的生產和使用（yòng），也會對包（bāo）裝物的易開啟（qǐ）性產生影響，因而是包裝材料的基礎檢測項目之一。雖然這項檢測的普及率（lǜ）非常高而且檢測原理簡單易懂，但是一些試驗注（zhù）意事項（xiàng）仍需要試（shì）驗人員特別留意。本文中所列（liè）出的檢測方法特點及注（zhù）意事項僅是（shì）結（jié）合MD传媒视频實驗室（shì）的材料檢測進行的總結，如果您有任何檢（jiǎn）測技術上的問題也（yě）可以與我（wǒ）們進行探討。