摘要: 本文針對摩擦系數(shù)以及塑料薄膜的摩擦系數(shù)檢測進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，更以蘭光實(shí)驗(yàn)室的材料檢測經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，列出了一些進(jìn)行摩擦系數(shù)檢測時應(yīng)多加注意的事項(xiàng)，以幫助讀者進(jìn)行正確的測試，提高測試效率。
關(guān)鍵詞：摩擦系數(shù),摩擦力,添加劑,試驗(yàn)制備

    摩擦系數(shù)是考察包裝薄膜的一項(xiàng)重要指標(biāo)。因?yàn)樵?span>包裝過程中的摩擦力常常既是動力又是阻力，因而其大小應(yīng)控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。在研究摩擦系數(shù)時，應(yīng)特別注意溫度對摩擦系數(shù)的影響很大，因此不僅要檢測包裝材料在常溫下的摩擦系數(shù)，還應(yīng)考察其在實(shí)際使用環(huán)境溫度下的摩擦系數(shù)。

1 摩擦系數(shù)

1.1 摩擦系數(shù)介紹

    摩擦系數(shù)是各種材料的基本性質(zhì)之一。當(dāng)兩個相互接觸的物體之間有相對運(yùn)動或相對運(yùn)動趨勢時，其接觸表面上產(chǎn)生的阻礙相對運(yùn)動的機(jī)械作用力就是摩擦力。某種材料的摩擦性能可以通過材料的動靜摩擦系數(shù)來表征。靜摩擦力是兩接觸表面在相對移動開始時的zui大阻力，其與法向力之比就是靜摩擦系數(shù)；動摩擦力是兩接觸表面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系數(shù)。摩擦系數(shù)是針對一組摩擦副來講的，單純說某種材料的摩擦系數(shù)是沒有意義的，同時必須指明組成摩擦副的材料的種類，并說明測試條件（環(huán)境溫濕度、載荷、速度等）以及滑動材料。

    多數(shù)學(xué)者認(rèn)為摩擦力的本質(zhì)是由兩物體接觸面上的分子間內(nèi)聚力引起的。然而事實(shí)上，對于兩個相互接觸的物體來講，只有在表面間的微觀凸起才相互接觸，而大多數(shù)地方是不接觸的，因此實(shí)際接觸面積遠(yuǎn)小于表觀接觸面積（即我們所測定的試樣面積）。摩擦阻力與實(shí)際接觸面積成正比（不是與表觀接觸面積成正比），一般實(shí)際接觸面積又與表面上的正壓力成正比，因此摩擦力與正壓力成正比。不同材料間接觸面上分子間的內(nèi)聚引力不同，這將影響到物體間的摩擦力，因此不同材料間的摩擦系數(shù)也就不同。

1.2 塑料薄膜的摩擦系數(shù)

    高分子聚合物在軟包裝行業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用，材料表面的摩擦系數(shù)是包裝機(jī)器運(yùn)行速度以及包裝物易開啟性的主要影響因素之一，在制作過程中加入添加劑（如爽滑劑和抗粘連劑）是一種調(diào)節(jié)塑料表面摩擦系數(shù)的常見方式。

    爽滑劑按照功能分為內(nèi)爽滑劑和外爽滑劑兩類：內(nèi)爽滑劑能促進(jìn)聚合物大分子鏈或鏈段相對運(yùn)動，從而改善物料流動性；外爽滑劑則是與聚合物基團(tuán)相容性差的極性有機(jī)化學(xué)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面形成一層油性表面，從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數(shù)。

    抗粘連劑一般是粒徑2μm～4μm的固體粉末，加進(jìn)薄膜表層可以形成許多凸起，使薄膜層與層之間的實(shí)際接觸面積減少，從而降低粘結(jié)力，相互滑動就會比較容易，有利于摩擦系數(shù)的降低。

    此外，由于靜電吸附力不但會影響薄膜之間的摩擦系數(shù)，還會影響材料的多種物理性能，因此抗靜電劑也是常用的添加劑的一種。

    不過不同種類的添加劑與薄膜結(jié)構(gòu)的兼容性不一樣，遷移到材料的表面并對材料的表面起到一定的潤滑作用的添加劑存在時間及保存環(huán)境的依賴性，而且添加劑對材料表面的作用均勻性也往往并不是*一致的，所以材料表面的摩擦系數(shù)會表現(xiàn)出不一致的特點(diǎn)。在進(jìn)行材料摩擦系數(shù)的比較試驗(yàn)時應(yīng)注意試驗(yàn)要同時進(jìn)行，除非是進(jìn)行材料老化效果的研究。

2 材料摩擦系數(shù)的正確檢測以及注意事項(xiàng)

2.1 摩擦系數(shù)的檢測

    摩擦系數(shù)的檢測方法相對來講比較統(tǒng)一：使用一個試驗(yàn)板（安置在水平操作臺上的），將一個試樣用兩面膠或其他方式固定在試驗(yàn)板上，另一試樣裁切合適后固定在滑塊上，然后將滑塊按照具體操作說明放置在試驗(yàn)板上*個試樣的中央，并使兩試樣的試驗(yàn)方向與滑動方向平行且測力系統(tǒng)恰好不受力。通常采用如下形式的檢測結(jié)構(gòu)。

 

圖1. 檢測方法示意圖

注：A. 滑塊；B. 試驗(yàn)板；C. 支持底座；E. 測力系統(tǒng)；F. 恒速驅(qū)動系統(tǒng)；I. 尼龍絲

對于摩擦系數(shù)試驗(yàn)有以下幾點(diǎn)需要說明：

首先，對于薄膜摩擦系數(shù)的檢測方法標(biāo)準(zhǔn)以ASTM D1894和ISO 8295（GB 10006等效采用ISO 8295）為主，其中，對試驗(yàn)板（又稱試驗(yàn)臺）的制作工藝要求很高，不但要保證臺面的水平及光滑，并且要求用非磁性材料制作。標(biāo)準(zhǔn)不同，對于試驗(yàn)條件的要求也不相同。例如對于試驗(yàn)速度的選擇，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(yàn)速度不同會明顯影響試驗(yàn)結(jié)果。

第二，加溫試驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)，需要注意的是在進(jìn)行加溫試驗(yàn)時要保證滑塊的溫度是室溫，僅對試驗(yàn)板進(jìn)行升溫，這點(diǎn)在ASTM D1894標(biāo)準(zhǔn)中有明確說明。

第三，同樣的測試結(jié)構(gòu)也可以用來檢測金屬以及紙張等材料的摩擦系數(shù)，但是對于不同的試驗(yàn)對象，滑塊的重量、行程、速度等參數(shù)都是不同的。

第四，采用這種方法時需要注意由于運(yùn)動物體的慣性給試驗(yàn)帶來的影響。

第五，通常，材料的摩擦系數(shù)是小于1的，但是有些文獻(xiàn)中也提到了摩擦系數(shù)大于1的情況，例如橡皮與金屬間的動摩擦系數(shù)就在1～4之間。

2.2 摩擦系數(shù)試驗(yàn)的注意事項(xiàng)

2.2.1 溫度

    隨著溫度的升高，部分薄膜的摩擦系數(shù)會表現(xiàn)出上升的趨勢，一方面這是由高分子材料自身的特性決定的，另一方面與薄膜制造時所采用的潤滑劑有關(guān)（潤滑劑很有可能已經(jīng)接近其熔點(diǎn)而變得粘結(jié)），溫度升高后，測力曲線波動幅度增大，直至出現(xiàn)“粘滑”現(xiàn)象。

    筆者對5種試樣進(jìn)行了動靜摩擦系數(shù)的升溫試驗(yàn)，使用測試速度為100mm/min，使用設(shè)備Labthink FPT-F1摩擦系數(shù)/剝離試驗(yàn)儀，測試溫度范圍18℃～60℃。部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見表1。

表1. 不同溫度下的摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)

試樣名稱	試樣 厚度	試驗(yàn) 數(shù)據(jù)1	試驗(yàn)溫度						備注
			18℃	23℃	30℃	40℃	50℃	60℃
AL（鋁箔）	25μm	μs	0.384	0.465	0.45	0.4	0.446	0.432
		μk	0.371	0.456	0.399	0.381	0.429	0.416
BOPP	25μm	μs	0.342	0.329	0.343	0.355	0.409	0.496
		μk	0.323	0.328	0.345	0.321	0.377	0.442
復(fù)合膜 1＃	75μm	μs	0.238	0.238	0.247	0.289	0.305	0.353	進(jìn)行60℃試驗(yàn)時，試樣受熱有點(diǎn)變形。
		μk	0.189	0.198	0.192	0.234	0.22	0.252
復(fù)合膜 2＃	90μm	μs	0.174	0.197	0.206	0.247	0.249		進(jìn)行60℃試驗(yàn)時，試驗(yàn)出現(xiàn)粘滑現(xiàn)象，50℃后試樣受熱變形。
		μk	0.106	0.117	0.104	0.136	0.141
PE黑白膜	100μm	μs	0.302	0.384	0.417	0.416	0.464	0.484	進(jìn)行50℃、60℃試驗(yàn)時，試樣受熱有點(diǎn)變形。
		μk	0.214	0.312	0.297	0.331	0.389	0.464

注：1. μ_s是靜摩擦系數(shù)，μ_k是動摩擦系數(shù)。

    由表1中數(shù)據(jù)可以看出，對于試樣BOPP、復(fù)合膜1＃、復(fù)合膜2＃以及PE黑白膜來講（這4種試樣都是高分子聚合物材料），隨著溫度的上升，材料的動靜摩擦系數(shù)都有一定增長，但是增長的幅度并不一樣。由表1中的部分?jǐn)?shù)據(jù)繪制圖2，其中有AL（鋁箔）、復(fù)合膜2＃、PE黑白膜的摩擦系數(shù)隨溫度的變化曲線。溫度變化對高分子材料的摩擦系數(shù)有一定的影響，然而并非所有材料的摩擦系數(shù)受溫度的影響都很顯著，復(fù)合膜2＃的摩擦系數(shù)隨溫度的變化就比較小。溫度對摩擦系數(shù)的影響是高分子聚合物的一個特點(diǎn)，而溫度對金屬等材料的影響就非常小，如圖2中AL（鋁箔）的摩擦系數(shù)隨溫度的上升基本保持穩(wěn)定。

 

圖2. 摩擦系數(shù)隨溫度的變化曲線

    在自動包裝過程中，設(shè)備的實(shí)際溫度由于元件運(yùn)轉(zhuǎn)散熱會比室溫高出一些，因此有必要在實(shí)際的包裝環(huán)境溫度下檢測薄膜的摩擦系數(shù)。例如用煙膜包裝香煙時，薄膜外面在下膜通道、成型輪槽、折疊板、烙鐵、導(dǎo)軌等金屬部件上滑動運(yùn)行，應(yīng)該將薄膜外面對金屬的摩擦系數(shù)控制在較低的水平上。由于這些金屬部件大都是在50℃以上的高溫條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，所以控制高溫條件下的薄膜對金屬的摩擦系數(shù)更加重要，這樣才能確保薄膜在熱金屬部件上滑動運(yùn)行順暢。因此需要在高溫條件下檢測薄膜外面對金屬的摩擦系數(shù)，僅憑借常溫下的摩擦系數(shù)數(shù)據(jù)來判斷高溫環(huán)境下的摩擦性能是不可取的。

2.2.2 試樣的制備

    如果試樣正反兩面的摩擦性質(zhì)不同，應(yīng)分別進(jìn)行試驗(yàn)。

    對于試樣取向的選擇應(yīng)特別注意，標(biāo)準(zhǔn)中對于試樣的測試取向要求非常嚴(yán)格，尤其是在進(jìn)行數(shù)據(jù)比對時，否則可能會對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生明顯的影響。通常情況下，試樣的長度方向（即試驗(yàn)方向）應(yīng)平行于樣品的縱向（機(jī)械加工方向），當(dāng)然滑塊放置在試驗(yàn)板上后，滑塊上試樣的方向應(yīng)該和之前固定在操作臺上的試樣取向一致。

    這種檢測方法并不適用于黏性材料的摩擦系數(shù)檢測，而且對于出現(xiàn)“粘滑現(xiàn)象”的試樣，在檢測動摩擦系數(shù)時需要使用金屬絲代替尼龍絲，并將材料的動靜摩擦系數(shù)分開檢測。

    對于試樣尺寸的要求各個標(biāo)準(zhǔn)之間存在一定的差異，操作人員需要按照所執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)或者要求進(jìn)行采樣及試樣的預(yù)處理。

2.2.3 摩擦系數(shù)和接觸時間的關(guān)系

    有文獻(xiàn)指出，在兩物體剛剛接觸后的一段時間內(nèi)，摩擦系數(shù)和摩擦力隨接觸時間的延長而變化。一方面是由于隨著接觸時間的延長，在一定的正壓力下兩物體表面的實(shí)際接觸面積會增大，而且接觸面的彈性形變越劇烈，更有指出接觸時間會影響塑性形變的。其實(shí)接觸時間的增加不僅會影響兩材料之間的摩擦系數(shù)，平常我們所使用的塑料薄膜，如果兩層薄膜貼在一起時間較長，在分離的時候也會存在難度，當(dāng)然這主要還是材料本身的特性以及在生產(chǎn)過程中使用的添加劑所起的作用。然而摩擦系數(shù)對接觸時間的依賴關(guān)系具有飽和性。當(dāng)接觸時間延長到使接觸面的彈性形變和塑性形變都達(dá)到zui大限度后，zui大靜摩擦力乃至靜摩擦系數(shù)也相應(yīng)達(dá)到飽和值，之后就不再隨接觸時間的延長而增大了。飽和接觸時間的長短和接觸面的質(zhì)料有密切的關(guān)系。

    鑒于接觸時間的長短會對材料的摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響，而且這種影響會因材料的不同而有所改變，因此在進(jìn)行摩擦系數(shù)檢測時需要統(tǒng)一將滑塊放置到試驗(yàn)板上到開始試驗(yàn)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 動摩擦系數(shù)與靜摩擦系數(shù)

    通常我們所檢測的試樣都是動摩擦系數(shù)小于靜摩擦系數(shù)，但是在進(jìn)行塑料的摩擦系數(shù)試驗(yàn)時會發(fā)現(xiàn)對于部分塑料（如聚四氟乙烯），其動摩擦系數(shù)會與靜摩擦系數(shù)近似相等，甚至大于靜摩擦系數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)ASTM D1894中就在TABLE1中給出了一個試樣M3（PE）的摩擦試驗(yàn)結(jié)果，其動摩擦系數(shù)大于靜摩擦系數(shù)，不過僅相差0.01，數(shù)據(jù)非常接近。

3 總結(jié)

    理想情況下，對于一定的摩擦副來講，動摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)都是常數(shù)，與物體的接觸面積無關(guān)，也與相對滑動的速度無關(guān)。但是由于實(shí)際檢測中的測試條件總不是*一致，而且材料均勻性不一，所以不同試驗(yàn)室間的測試數(shù)據(jù)存在差異也是正常的。

    摩擦系數(shù)合適與否不但會影響薄膜的生產(chǎn)和使用，也會對包裝物的易開啟性產(chǎn)生影響，因而是包裝材料的基礎(chǔ)檢測項(xiàng)目之一。雖然這項(xiàng)檢測的普及率非常高而且檢測原理簡單易懂，但是一些試驗(yàn)注意事項(xiàng)仍需要試驗(yàn)人員特別留意。本文中所列出的檢測方法特點(diǎn)及注意事項(xiàng)僅是結(jié)合蘭光實(shí)驗(yàn)室的材料檢測進(jìn)行的總結(jié)，如果您有任何檢測技術(shù)上的問題也可以與我們進(jìn)行探討。（轉(zhuǎn)載注明出處）