镭射BOPP基膜循环拉伸力学性能的试验研究

杜子康，于法月，夏家良，何邦贵*，钟灵杰

镭射BOPP基膜循环拉伸力学性能的试验研究

杜子康1，于法月2，夏家良3，何邦贵1*，钟灵杰4

（1.昆明理工大学 机电工程学院，昆明 650000；2.红云红河烟草（集团）有限责任公司昆明卷烟厂，昆明 650000；3.云南九九彩印有限公司，昆明 650000；4.云南九澳包装材料有限公司，玉溪 653100）

为研究双向拉伸聚丙烯（Biaxially Oriented Polypropylene，BOPP）薄膜在重复拉伸使用后的弹性模量变化以及应变变化趋势。以26 μm BOPP薄膜为研究对象，以1、1.5、2、2.5、3、3.5、4 N为最大加载力分别进行加载周期为15次的单轴循环拉伸试验，总结对比循环次数以及加载力对弹性模量及棘轮应变的影响，分析薄膜性能变化趋势。通过对比同一加载应力不同循环下的弹性模量以及棘轮应变，发现在预设加载力下随着循环次数增加，薄膜弹性模量呈增大趋势，且增大幅度逐渐减小，其棘轮应变与弹性模量变化趋势一致；通过取均值对比不同加载力下的弹性模量以及棘轮应变变化，发现薄膜弹性模量随加载力增大而先增大后减小，最大应变以及最小应变均随加载力的增加而增大。通过试验研究得出了BOPP薄膜在循环拉伸中弹性模量及棘轮应变随加载力、循环次数增大的变化趋势；对薄膜性能变化有了一定的预测，并为实际加工中的张力选择提供了指导性建议。

双向拉伸聚丙烯薄膜；单轴循环拉伸试验；弹性模量；棘轮应变

在现代软包逐渐发展的如今，各种材料的开发应用也愈发丰富，其中镭射膜由于其独特美观的样式以及防伪功能越来越受广大消费者以及生产厂家的青睐，应用十分广泛。目前市面上镭射膜生产主要使用的是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜，且均以传统生产工艺[1]进行加工生产。传统工艺主要有涂布、模压、镀铝、复合、剥离等工序，其中模压需要进行镍板的制作，模压前后PET薄膜均需要进行涂布，由于其工序较多以及材料损耗较大，使得生产效率相对较低，成本也较高。目前市面上，出现了对薄膜进行重复加工利用的工艺。如郑成赋[2]对可重复利用的激光全息转移膜的研制，是对复合涂料进行改性，以PET/BOPP复合膜为基体，使其可以重复镀铝并进行多次转移。云南九澳包装材料有限公司开发了“冷转印”工艺，以压印好镭射图文的BOPP薄膜作为基膜进行镭射图文的转移，剥离后的BOPP薄膜可进行重复利用，该工艺大大降低了生产成本，其较少的工艺步骤也使得冷转印生产效率较传统镭射膜生产有很大的提高。但冷转印工艺为新型工艺，现面临着基膜利用次数不高、加工质量不稳定的问题，目前在实际生产中也无具体的参数调整方案。

通过实际生产可知，基膜在加工产生的塑性应变和加工中的最大应变分别影响基膜的利用次数和涂布质量，由郭毅[3]研究了卷到卷系统中导向辊表面薄膜褶皱行为可知，褶皱的产生与薄膜的弹性模量相关，冷转印工艺对薄膜而言本质上是循环拉伸的过程，即基膜的利用次数和加工质量受薄膜循环拉伸力学性能中弹性模量和棘轮应变的影响。欲改善工艺，需了解薄膜循环拉伸力学性能。目前关于BOPP薄膜的研究主要围绕其热收缩性能、表面性能[4-5]以及经过专用料改性后的性能研究[6-8]，对薄膜拉伸时的性能变化研究也只停留在对生产及初次拉伸时的状态研究[9-11]。关于BOPP薄膜循环拉伸力学性能的研究较为缺乏。为了提升冷转印工艺中BOPP基膜利用次数以及加工质量，本文参考其他薄材循环拉伸性能的研究[12-14]，对BOPP薄膜进行了在7组低加载应力下的单轴循环拉伸试验，深入研究了BOPP薄膜循环拉伸力学性能，详细分析了弹性模量、棘轮应变与循环次数以及加载应力的关系，为实际生产中张力的设置提供了参考指导。

1 循环拉伸试验

1.1 试样材料及设备参数

主要材料：HBn26镭射BOPP基膜，采自广东德冠薄膜新材料股份有限公司。

主要仪器：MTS E45电子万能试验机，深圳三思纵横科技股份有限公司。

1.2 方法

1.2.1 试样尺寸

BOPP基膜试样采用哑铃型，以GB/T 1040.3— 2006-1B/10[15]为取样标准，在纵向（MD）方向取样，取样部分均距薄膜边缘100 mm，以确保试样的可代表性。具体试样尺寸如图1所示。

图1 试样尺寸

1.2.2 试验参数

1.2.2.1 设备加载力

加工生产中的张力较小，考虑实际情况，设置加载力为1、1.5、2、2.5、3、3.5、4 N。

1.2.2.2 试验流程

分别以1、1.5、2、2.5、3、3.5、4 N为最大加载力，最小加载力为0 N，以三角波形式加载循环15次，加载以及卸载力的速率为0.15 N/s。为更接近实际工艺加工条件，在循环拉伸中设置最大加载力保载时间为5 s，以模拟实际中的膜在设备中的传输；设置0 N加载力的保载时间为5 s，以模拟膜在收卷后脱离设备受拉的状态。为保证试验数据的准确性，每一组参数测试5个试样，这样可在一定程度上避免试验误差。

2 结果与分析

2.1 试验结果

图2为试样在不同力下的单轴循环拉伸试验力-位移曲线。由于加载力整体较小，为方便观察曲线较为完整的变化，选择加载力为3.5 N和4 N的曲线进行初步观察。由于设备实际导出图较难观察不同周期下加载段曲线的变化，现将第1、6、11、15次加载时的加载段曲线去除残余应变后进行比较，结果如图3所示。在初次加载时薄膜的非线性特征明显，通过拟合加载段曲线各段斜率，在0.4 N以前曲线增长较为平缓，而后增速变快，在2.5 N后增速再次变缓，整体曲线呈“S”形；在循环过程中，前几次循环的加载曲线与第1次加载曲线差异较大，而后随着循环次数增加，加载段曲线的差异逐渐变小，且曲线逐渐贴近于线性；在循环拉伸过程中所产生的残余变形量在第1次卸载时最大，然后随着循环次数增加逐渐减小；加载段与卸载段曲线均不重合，表明BOPP薄膜黏弹性特征明显，这进一步证明了对其循环拉伸弹性模量以及塑性变形考察的必要性。

2.2 结果分析

为得到各加载段的弹性模量，现采用origin软件中的直线拟合分析加载力-位移曲线斜率大小，再进行弹性模量的转化。为更准确得到循环次数对弹性模量的影响，现对多组试样数据求平均值来进行分析。

2.2.1 力学性能分析

为了更直观地观察力学性能的变化，将表1数据分成1、1.5、2、2.5 N和2.5、3、3.5、4 N 2组作弹性模量-循环次数变化散点图，如图4所示。

观察图4发现在各组加载力下，弹性模量均随循环次数的增加而增大，在前几次加载中增长较快，而后增速变缓。为探讨不同加载力下，弹性模量增速变化情况以及到达“稳定”的快慢，将不同加载力下的循环次数与弹性模量数据拟合为函数形式以便计算比较。拟合曲线使用origin软件中的非线性曲线拟合，经过多组模型尝试，选择对数据组拟合度最高的拟合模型，拟合模型及参数如表2所示。

图2 BOPP薄膜单轴循环拉伸力-位移曲线

图3 不同周期下的加载段比较

表1 不同加载力下的弹性模量均值

Tab.1 Mean elastic modulus under different loading forces MPa

图4 不同拉力下弹性模量-循环次数变化散点图

表2 弹性模量-循环次数拟合模型

Tab.2 Elastic modulus-cycle number fitting model

由直接观察以及拟合数据可以得出，在目前加载力下弹性模量随加载次数增大而增大，且增长幅度逐渐减小。为确定弹性模量在增长中的“稳定点”，以相邻2次循环的弹性模量差与第2次和第1次差值的比值为相对增长率。当相对增长率小于10%时即认为达到稳定[13]，通过计算可知，1～4 N的稳定点分别是9、6、5、5、7、6、3次。

为讨论拉伸力对弹性模量的影响，取表1中不同力加载下弹性模量平均值作比较。

如图5可拟合为弹性模量与加载力的二次函数（式（1））。可得出在加载力为2.35 N以下时，弹性模量随加载应力的增大而增大，而超过2.35 N后则呈相反趋势。原因为：初始状态下，薄膜中的分子链是松散排列的，相互之间存在一定的间隙。当受到拉伸应力时，分子链开始被拉伸并逐渐排列整齐，分子链的排列使得分子间的相互作用力增强，从而增加了薄膜的刚度和强度。随着应力的进一步增加，分子链之间的相互作用力达到一定程度后，开始出现断裂和滑移现象，这导致分子链的断裂和重新排列，使得分子链的排列变得不再整齐。这种不规则排列导致了分子链之间的相互作用力减弱，从而导致了薄膜弹性模量的减小。因此在宏观上体现出弹性模量先增大后减小的态势。

图5 弹性模量-加载力拟合曲线

Fig.5 Elastic modulus-loading force fitting curve

薄膜产生褶皱与张力及弹性模量等因素相关[3]。当其他因素保持不变时，仅考虑弹性模量时，弹性模量越大薄膜越不易产生褶皱，在加载力为2.35 N，即加载应力为9.04 MPa时其弹性模量最大，此时薄膜最不易产生褶皱。

2.2.2 棘轮应变

棘轮应变是材料在受到循环载荷时产生的渐进应变，对结构的形状和受力等有着影响，是实际生产中需要考虑的一个重要问题[16]。为观察不同加载力下的棘轮应变，取每组试验中弹性模量最接近本组均值的实验数据进行比较。不同加载力下应变随循环次数变化的拟合曲线如图6所示，拟合模型及参数如表3和表4所示。

图6 不同加载力下循环次数-应变曲线

表3 最小变形-循环次数拟合模型

Tab.3 Minimum deformation-cycle number fitting model

表4 最大变形-循环次数拟合模型

Tab.4 Maximum deformation-cycle number fitting model

观察可知，薄膜的最大应变以及最小应变均随循环次数的增加而增大，且增大幅度逐渐减小。当最小加载力为0 N时，最小应变为薄膜每次拉伸后的塑性应变，而最大应变为拉伸中薄膜的总应变。为得到薄膜在循环拉伸中塑性应变的稳定值，参考弹性模量稳定点的确定方式进行计算。以此可得1～4 N加载力下，塑性应变的稳定点分别在循环次数为9、10、7、9、11、9、14次时，稳定点的塑性应变分别为0.131 22%、0.137 98%、0.146 09%、0.228 8%、0.243 95%、0.309 66%、0.457 55%。在实际加工中，涂布以及复合时的薄膜变形也会一定程度上影响薄膜的加工效果，这就与拉伸时薄膜的总应变量相关。计算不同加载力下的最大应变均值即可得出对加工效果造成影响的大小。要使薄膜的利用次数增加，其产生的塑性应变应越小越好。为了解塑性应变随加载力增大而变化的情况，则需要计算不同加载力下最小应变均值。不同加载力下最大及最小应变均值的计算结果如表5所示。由此可知，最大应变随加载力的增大而增大，最小应变也随加载力增大而增大，且2 N以前增长幅度较小。

表5 不同加载力下应变均值

Tab.5 Mean strain under different loading forces

3 结语

为提升镭射BOPP基膜在循环加工中的利用次数，优化基膜加工质量，本文通过不同加载力下的单轴循环拉伸试验，研究了循环次数与加载力对薄膜弹性模量与棘轮应变的影响，拟合了加载力、加载次数与弹性模量及棘轮应变的方程。结果表明弹性模量与棘轮应变均随加载次数的增加而增大，且加载幅度逐渐减小；弹性模量随加载应力的增大呈先增大后减小的趋势，薄膜在加载应力为9.04 MPa时弹性模量最大；棘轮应变中最大及最小应变随加载力增大而增大，其中最小应变在加载力为2 N前增幅较小，最大应变在加载力为2.5 N以及4 N时增幅较大。通过数据处理结果可知，实际加工应在应力为9.04 MPa下进行张力调整，应力越小薄膜涂布质量越好、可利用次数越多，增大应力则可减少薄膜褶皱。此调整方案可对生产实际中设备张力控制有明确指导，提高了薄膜的利用次数和加工质量。

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Experimental Study on Cyclic Tensile Mechanical Properties of Laser BOPP Substrate Films

DU Zikang1, YU Fayue2,XIA Jialiang3,HE Banggui1,ZHONG Lingjie4

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650000, China; 2. Hongyun Honghe Tobacco (Group) Co., Ltd., Kunming 650000, China; 3. Yunnan Jiujiu Color Printing Co., Ltd., Kunming 650000, China; 4. Yunnan Jiu'ao Packaging Materials Co., Ltd., Yuxi 653100, China)

The work aims to study the changes in elastic modulus and plastic deformation trend of biaxially oriented polypropylene (BOPP) films after repeated stretching use. With 26 μm BOPP films as the research object, uniaxial cyclic tensile tests were conducted with a maximum loading force of 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, and 4 N for 15 loading cycles. The effects of the cycle number and loading force on the elastic modulus were summarized and compared, and the trend of film performance changes was analyzed. By comparing the elastic modulus and ratcheting strain under different cycles under the same loading stress, it was found that under the preset loading force, the elastic modulus showed an increasing trend with the increase of the cycle number, and the increasing amplitude gradually decreased. The ratcheting strain and the change trend of the elastic modulus were consistent. By comparing the elastic modulus and ratcheting strain changes under different loading forces by taking the mean, it was found that the elastic modulus first increased and then decreased with the cycle number, while the maximum and minimum strains both increased with the number of cycles. The experiment shows that the elastic modulus and the ratcheting strain of BOPP films increase with the increase of loading force and cycle number. It provides certain predictions about the changes in film properties and provides guidance for the selection of tension in actual processing.

biaxially oriented polypropylene film; uniaxial cyclic tensile test; elastic modulus; ratcheting strain

TB484.3

A

1001-3563(2024)01-0111-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.01.013

2023-09-18

云南省科技创新引导项目（202104AR040018）