熱分析-TMA 熱分析應用- PE/PVC合成膜之拉伸與收縮測試

收縮膜是一種在生產過程中會被拉伸定向且使用過程中受熱而收縮的熱塑性塑膠。薄膜的熱收縮特性在早期就已經在市場上廣泛應用，收縮膜一開始主要用橡膠薄膜來收縮包裝容易腐敗的生鮮食品。隨著工業生產技術日新月異，相關技術推陳出新，熱收縮技術已經發展到幾乎可以用塑膠收縮薄膜來包裝各種商品。熱收縮包裝甚至被用來製作收縮標籤和收縮瓶蓋等，使不容易印刷或形狀複雜的容器都可以貼上獨特標籤，如市面上常見的寶特瓶包裝。

熱收縮膜的生產技術與特點，通常採用擠出吹塑或擠出流延法來產出厚膜，然後在材料軟化溫度(Ts)以上、熔融溫度(Tm)以下的一個高彈性態溫度進行縱向和橫向拉伸；或只在其中的一個方向上做拉伸，而另一個方向上不拉伸，前者叫雙軸拉伸收縮膜，而後者叫單向收縮膜。收縮膜在使用時，大於拉伸溫度或接近于拉伸溫度時就可靠材料本身收縮力將被包裝商品緊緊包覆住。


收縮膜用於各種產品的銷售和運輸過程。其主要作用是穩固、遮蓋和保護商品，所以收縮膜必須具有較高的耐穿刺性，良好的收縮性和一定的收縮應力。在收縮過程中，薄膜絕不能產生任何微小孔洞。收縮膜早期是以PVC收縮膜為主，隨著市場需求不斷發展及技術創新，PVC收縮膜逐漸減少，PE、PP、POF等多層共擠熱縮膜等迅速發展，漸漸成為市場的主流。

關於熱收縮膜的特性，我們來實際應用TMA-熱機械分析儀及DMS-動態熱機分析儀的動態分析功能做為評估熱收縮膜在升溫過程中，材料的膨脹、收縮、應力應變測量及動態黏彈性等特質，實際測試熱收縮膜在TMA及DMS下的測量結果。
 

測試條件及樣品製備

我們準備兩種熱收縮膜A及B，熱收縮膜在TMA應力測量中使用了金屬材質的拉伸夾具。我們將樣品從室溫升溫至120℃，升溫速率為5℃/ min。並且使用DMS進行動態力測試功能分析，設定頻率1Hz進行在室溫下使用拉力/正弦振動模式測試樣本尺寸約10毫米（長）×4毫米（寬）樣品。

 

收縮現象測試結果

圖一顯示了熱收縮膜升溫過程中在縱向和橫向方向的TMA測試結果。升溫過程中兩種膜各產生略收縮現象，A和B膜在縱向長度方向會逐漸擴展延長。此外，TMA結果上可看出橫向方向的熱收縮率約為80％。當A及B受TMA拉伸作用時，60℃時收縮膜受熱時橫向會從原始尺寸逐漸收縮到一個固定的收縮率而漸漸減慢收縮，縱向尺寸則在60℃時無明顯的尺寸變化。然而橫向尺寸從60℃開始後在拉伸過程中逐漸收縮到約110℃時漸漸減緩收縮現象，然而在110℃時縱向尺寸則開始被拉伸。 A膜與B膜的比較可看出同個溫度點下A膜的橫向收縮率比B膜高，而縱向的A膜相比B膜也有較高的拉伸率。如用在包覆產品上，A膜在80℃前會有較好的收縮現象及80℃後的拉伸性質。
 

圖一、TMA測試結果 (測試施力:10mN)	圖二、橫向-熱收縮應力測試結果

 

熱收縮應力測試結果

TMA的結果-圖二顯示A與B兩種收縮膜在固定應變下的橫向收縮現象。圖譜中可看出出熱收縮應力，固定應變下約50℃時A與B膜開始收縮的應力急速增加。應力峰約在60℃附近出現，之後逐漸減少收縮應力。我們可從收縮現象所引起的應力變化看出A膜較B膜的擁有較大的應力變化，從結果可推測出收縮A膜比B膜應用在包裝產品上擁有更強烈的包覆現象。
 

動態力分析結果

使用DMS進行動態力學分析，會得到材料的模數與時間或溫度的變化圖，圖譜中會得到Tanδ= E”/ E'比值(損失模數/儲存模數)，當材料處於低溫時儲存模數(E')、損失模數(E”)低，所以Tanδ也低。當材料隨著溫度開始升高，其性質開始變軟，儲存模數(E')下降，損失模數(E”)開始升高, 所以Tanδ值上升，Tanδ高的材料代表黏性行為較為明顯， Tanδ低的材料代表彈性行為較為明顯。當Tanδ達到最高點時, 一般我們定義為樣品的Tg 點。因此在動態力學分析圖譜中最先得到的數據會是Storage Modulus-E'、Loss Modulus-E ”及Tanδ三種資料圖，我們再利用此三種數據去發展，求得其他數據。如Complex Modulus(複合模數)、 Shear Modulus(剪切模數)等。藉由所得數據來判斷，我們可以得知材料隨溫度變化的強度、黏性、彈性、Tg 點、耐震效果、材料混煉效果、各種相轉變點等。

我們對A及B兩個薄膜在橫向和縱向方向進行進一步的動態力分析。從圖三可看出兩種收縮膜的橫向-儲存模數（E'）比縱向還要高。據推測是樣本橫向的分子取向性(同方向性)較高，表示樣品的彈性性質較好，使得樣品橫向的延伸度比縱向還要高。
 

結論

我們簡單的測試一般塑膠瓶上的熱收縮膜應力測試，使用TMA測量同時進行收縮應力測試及動態力測試。 這些測試結果都顯示熱收縮膜在兩個拉伸方向(橫向與縱向)下的收縮及膨脹變化量，藉由TMA測試可簡單瞭解收縮膜的主要收縮變化。  

當我們使用固定的應變並將溫度升高來進行收縮膜的收縮應力測試，測量結果可明確顯示出各種收縮膜所需要的應變條件是來自於溫度改變而不是外力造成，因為溫度的變化不會改變形狀的樣品。不同的收縮膜附著在瓶子上的收縮應力差異，我們可以從TMA準確計算出其差異性。

在動態力分析實驗中，可藉由資料上顯示不同方向的儲存模數(Storage Modulus-E')差異性，來看出樣品內異方向性程度的差異，評斷出各種收縮膜在不同方向的材料特性。