热分析-TMA 热分析应用- PE/PVC合成膜之拉伸与收缩测试

收缩膜是一种在生产过程中会被拉伸定向且使用过程中受热而收缩的热塑性塑料。薄膜的热收缩特性在早期就已经在市场上广泛应用，收缩膜一开始主要用橡胶薄膜来收缩包装容易腐败的生鲜食品。随着工业生产技术日新月异，相关技术推陈出新，热收缩技术已经发展到几乎可以用塑料收缩薄膜来包装各种商品。热收缩包装甚至被用来制作收缩标签和收缩瓶盖等，使不容易印刷或形状复杂的容器都可以贴上独特标签，如市面上常见的宝特瓶包装。

热收缩膜的生产技术与特点，通常采用挤出吹塑或挤出流延法来产出厚膜，然后在材料软化温度(Ts)以上、熔融温度(Tm)以下的一个高弹性态温度进行纵向和横向拉伸；或只在其中的一个方向上做拉伸，而另一个方向上不拉伸，前者叫双轴拉伸收缩膜，而后者叫单向收缩膜。收缩膜在使用时，大于拉伸温度或接近于拉伸温度时就可靠材料本身收缩力将被包装商品紧紧包覆住。


收缩膜用于各种产品的销售和运输过程。其主要作用是稳固、遮盖和保护商品，所以收缩膜必须具有较高的耐穿刺性，良好的收缩性和一定的收缩应力。在收缩过程中，薄膜绝不能产生任何微小孔洞。收缩膜早期是以PVC收缩膜为主，随着市场需求不断发展及技术创新，PVC收缩膜逐渐减少，PE、PP、POF等多层共挤热缩膜等迅速发展，渐渐成为市场的主流。

关于热收缩膜的特性，我们来实际应用TMA-热机械分析仪及DMS-动态热机分析仪的动态分析功能做为评估热收缩膜在升温过程中，材料的膨胀、收缩、应力应变测量及动态黏弹性等特质，实际测试热收缩膜在TMA及DMS下的测量结果。
测试条件及样品制备:         
我们准备两种热收缩膜A及B，热收缩膜在TMA应力测量中使用了金属材质的拉伸夹具。我们将样品从室温升温至120℃，升温速率为5℃/ min。并且使用DMS进行动态力测试功能分析，设定频率1Hz进行在室温下使用拉力/正弦振动模式测试样本尺寸约10毫米（长）×4毫米（宽）样品。
收缩现象测试结果:         
图一显示了热收缩膜升温过程中在纵向和横向方向的TMA测试结果。升温过程中两种膜各产生略收缩现象，A和B膜在纵向长度方向会逐渐扩展延长。此外，TMA结果上可看出横向方向的热收缩率约为80％。当A及B受TMA拉伸作用时，60℃时收缩膜受热时横向会从原始尺寸逐渐收缩到一个固定的收缩率而渐渐减慢收缩，纵向尺寸则在60℃时无明显的尺寸变化。然而横向尺寸从60℃开始后在拉伸过程中逐渐收缩到约110℃时渐渐减缓收缩现象，然而在110℃时纵向尺寸则开始被拉伸。 A膜与B膜的比较可看出同个温度点下A膜的横向收缩率比B膜高，而纵向的A膜相比B膜也有较高的拉伸率。如用在包覆产品上，A膜在80℃前会有较好的收缩现象及80℃后的拉伸性质。

图一、TMA测试结果 (测试施力:10mN)	图二、横向-热收缩应力测试结果

热收缩应力测试结果:         
TMA的结果-图二显示A与B两种收缩膜在固定应变下的横向收缩现象。图谱中可看出出热收缩应力，固定应变下约50℃时A与B膜开始收缩的应力急速增加。应力峰约在60℃附近出现，之后逐渐减少收缩应力。我们可从收缩现象所引起的应力变化看出A膜较B膜的拥有较大的应力变化，从结果可推测出收缩A膜比B膜应用在包装产品上拥有更强烈的包覆现象。

动态力分析结果:         
使用DMS进行动态力学分析，会得到材料的模数与时间或温度的变化图，图谱中会得到Tanδ= E”/ E'比值(损失模數/储存模數)，当材料处于低温时储存模數(E')、损失模數(E”)低，所以Tanδ也低。当材料随着温度开始升高，其性质开始变软，储存模數(E')下降，损失模數(E”)开始升高, 所以Tanδ值上升，Tanδ高的材料代表黏性行为较为明显， Tanδ低的材料代表弹性行为较为明显。当Tanδ达到高点时, 一般我们定义为样品的Tg 点。因此在动态力学分析图谱中先得到的數据会是Storage Modulus-E'、Loss Modulus-E ”及Tanδ三种资料图，我们再利用此三种數据去发展，求得其他數据。如Complex Modulus(复合模數)、 Shear Modulus(剪切模數)等。藉由所得數据来判断，我们可以得知材料随温度变化的强度、黏性、弹性、Tg 点、耐震效果、材料混煉效果、各种相转变点等。

我们对A及B两个薄膜在横向和纵向方向进行进一步的动态力分析。从图三可看出两种收缩膜的横向-储存模数（E'）比纵向还要高。据推测是样本横向的分子取向性(同方向性)较高，表示样品的弹性性质较好，使得样品横向的延伸度比纵向还要高。

图三、横向-热收缩应力测试结果

结论         
我们简单的测试一般塑胶瓶上的热收缩膜应力测试，使用TMA测量同时进行收缩应力测试及动态力测试。 这些测试结果都显示热收缩膜在两个拉伸方向(横向与纵向)下的收缩及膨胀变化量，藉由TMA测试可简单了解收缩膜的主要收缩变化。  
        
当我们使用固定的应变并将温度升高来进行收缩膜的收缩应力测试，测量结果可明确显示出各种收缩膜所需要的应变条件是来自于温度改变而不是外力造成，因为温度的变化不会改变形状的样品。不同的收缩膜附着在瓶子上的收缩应力差异，我们可以从TMA准确计算出其差异性。

        在动态力分析实验中，可藉由数据上显示不同方向的储存模数(Storage Modulus-E')差异性，来看出样品内异方向性程度的差异，评断出各种收缩膜在不同方向的材料特性。

	圖
TMA/SS-热机械分析仪	DMS-动态热机械分析仪