塑料包装容器测试技术
2006-09-18 09:48:12.0 来源：中华印刷包装网 责编：中华印刷包装网
塑料容器根据原料和加工成型方法不同分类较多。塑料容器与木材、金属和玻璃陶容器相比具有重量轻、柔软性和弹性良好，耐化学药品腐蚀性强，易成型和批量生产等特点。
为了确保塑料容器的质量，对塑料容器进行测试是必要的。应力－应变试验是所有力学试验中使用最广泛的一种试验，具有一定的实用性。应力－应变曲线与试验类型有关，可通过拉伸试验、压缩试验、弯曲试验和剪切试验获得。
一、拉伸试验
1基本原理
拉伸试验是在规定的试验温度、湿度与试验速度下，在试样上设轴向施加拉伸载荷，测定应力－应变曲线，直至破坏。
2试验设备
根据拉伸试验机负荷测定的方式不同，拉伸试验机可分为两种：一种是用杠杆和摆锤组合的拉伸试验机；另一种是用转换装置将负荷大小转变为电讯号的自动记录测力系统做成的电子式拉伸试验机。无论哪一种类型的试验机，更换夹具后都可以进行拉伸、压缩、弯曲、剪切、撕裂、剥离等各项常规力学性能试验。如附加高低温装置，还可以进行高低温条件下的力学性能测试。
①摆锤式拉伸试验机
试样受力变形时，作用在上夹头的力通过AB和CD两级杠杆传递，带动摆锤绕支点转动而抬起。AB杠杆有两个支点，试样受拉力时以A点为支点，B点脱开；受压力时便会自动更换为B点为支点，而A点脱开。这样无论拉伸和压缩总使摆锤向一个方向摆动。摆杆推动水平齿杆使齿轮和指针转动，指针旋转的角度与试样所受的力成正比。刻度盘上的数字即是试样受力的大小。
加载方法可以采用机动和手摇装置；速度调节可以采用无级变速装置。一般的试验机可以更换3～4种摆锤重量，测力度盘上也对应有3～4种刻度，分别表示其测力范围。
②电子式拉力试验机
试样变形所承受的力，通过力传感器中的电阻应变片转化为电讯号，经过X－Y记录器的X轴。小变形测量用差动变压器测量，讯号经放大后输入X－Y记录器的Y轴。这样就可以在记录器上自动描绘出载荷－变形曲线；大变形测量是通过装在大变形测量变速箱上的发送自整角机和装在X－Y记录器上的接收自整角机来实现的。
横梁速度的控制和调整是由同步电机、速度给定自整角机、相敏放大、直流电机、电机扩大机组、测速发电机组成的随动系统来完成的。循环装置是使用两个行程开关，使横梁在这两个行程开关所限定的行程内往返运动从而达到变形循环。
3.拉伸试验时常用测量变形的装置
①差动变压器测长计
它是一种接触式的测量变形装置。由一个初级线圈W1和两个完全对称的次级线圈W2、W3及一个铁芯所组成。当在初级线圈上加上一个交流电压U时，两个次级线圈中便分别产生感应电势E 1和E 2。E 1和E2的大小是随铁芯位置的改变而变化的。因此，将差动变压器测长计外壳固定在试样一标线上，而与铁芯有联系的一端固定在试样另一标线上，当试样伸长时，铁芯就发生位移，根据E 1、E 2大小的变化，通过放大，在记录器上可以直接读出试样变形的大小。也可以在X－Y记录器上与载荷讯号组成载荷－变形曲线。差动变压器测长计的测量范围一般在0～20mm。
②滑线电阻式测长计
它也是一种接触式的测变形装置。试验时将滑线电阻架上的两个夹子夹在试样的标线上，试样伸长时，带动两个夹子移动，夹子的另一端有滚轮在滑线电阻上滚动，这样两个夹子之间的电阻值也随之改变，通过由滑线电阻组成的测量电桥，可测得试样伸长数值。其测量范围一般在0～300mm。
③镜式引伸仪
镜式引伸仪是一种应用光学原理测量小变形的仪器。用弹簧夹将支架的固定刀刃和菱形活动刀刃卡紧在试样上，两刀刃之间的距离l为标准。当试样伸长Δl时，活动刀刃将绕其顶点o转动一个小角度θ。可以得到Δl
Δl=asinθ…… (1) 式中：α为菱形刀刃对角线的长度。
除了上述3种测变形的装置外，还有测量小变形的接触式百分表引伸仪，杠杆式引伸仪等。还有测量大变形的无接触式的光电追踪伸长计，它可以将测得的伸长数值转化为电讯号与载荷电讯号在记录器上组成载荷－变形曲线。
4影响拉伸强度的因素
①试样尺寸形状的影响
在拉伸试验中，对硬板材料的哑铃形试样来说，选择适当的试样尺寸，应使其断裂时，能断裂在有效部分，否则将会给试验结果带来一些偏差。要使拉伸试样断裂在有效部分，主要是选择适当的过渡圆弧半径和有效宽度。
若选择试样过渡圆弧较大，可使应力集中减少， 这对试样断裂在有效长度内有很大好处。但是过渡圆弧半径过大，会使过渡区域占的面积相应增大，从这点上讲，又增加了试样断在非有效部分的可能性。同时过渡圆弧选择得不适当，又会带来一些试样加工中的影响因素。
从统计数据看，选用过渡圆弧半径为75mm和100mm差别不大。在试验方法中规定的层压板和其他板材的哑铃形试样的过渡圆弧半径是75mm。
对于板材哑铃形试样宽度的影响，选用宽度为10mm的试样，其断在有效部分的百分数远远高于宽度为15mm的试样。在试验方法中，规定的层压板和其他板材试样的宽度为10mm。
对于薄膜材料来说，有些方法中曾采用长条形试样，使用长条形试样断在夹头内和有效部分外的机率很多，造成了处理试验结果数据的困难。而拉伸过程中，长条形试样沿拉伸方向出现一些平行的皱纹，而哑铃形试样则十分平展，断在有效部分试样的百分数也较长条形为高，所以在试验方法中规定薄膜拉伸试样采用有效宽度为10mm，过渡圆弧半径为14mm的哑铃形式样。
②试验速度的影响
试验速度对压制、压注、层压板和其他板材的影响：在试验方法中规定了压制、压注、层压板材和其他板材的试验速度为10±5mm/min。在这个试验速度范围内，对拉伸强度值的测定基本上没影响。
二、 压缩试验
1. 基本原理
压缩强度是在试样上施加压缩载荷至破裂(脆性材料)或产生屈服现象(非脆性材料)时，单位横裁面积上所能承受的载荷。
σ c=×10 4(Pa)
式中：P—破坏载荷(N)；
A—试样横截面积(cm2)；
σc—压缩应力(Pa)。
屈服现象是在某一个短时间内变形增加而载荷不再增加现象，一般是对韧性材料而言。计算屈服强度时，P应取试验机刻度盘表针第一次停顿时的载荷，按上式计算屈服强度。
压缩弹性模量是指在比例极限范围内，应力和应变之比。
E=(Pa)(3)
式中：σci—压缩应力，应变图上任意点的应力值(Pa)；
εci—压缩应变，应变图上任意点的应变值。
2.影响压缩强度的因素
影响压缩强度的主要因素是试样的形状和尺寸及试验速度。
①试样形状和尺寸
选择试样原原则，一般是使成型和机械加工方便，试样大小能基本反映材料的特点，又能使试样不因失稳而破坏。
试样形状：板材都采用长方体；模制样品均采用圆柱体。
试样高度：试样高度在17.5～30mm之间，对压缩强度影响不大。在17.5mm以下，则有显著的影响，随试样高度增加压缩强度下降。分析其原因，主要是试样上下两端面与压板间的摩擦力在起作用。它阻止了试样横向扩张和产生纵向裂缝，故压缩强度定值偏高。当试样增高时，这种约束作用对试样中部的横向变形影响变小，故压缩强度变低。
②摩擦力
试样上下两端面与压板间的摩擦对压缩强度的影响，还可以通过加润滑剂的试验来进一步得到说明。
由于加润滑剂使试样上下两端面与压板间的摩擦力减小，所以测得的压缩强度比不加润滑剂的偏低。试验中还观察到两者破坏现象也有所不同。涂润滑剂的试样是接近于破坏载荷时出现裂缝，而未涂润滑剂的试样在没有接近破坏载荷时就出现裂缝，且破坏时有粉末飞出。但由于涂润滑剂在做试验中极不方便，可采用提高试样高度的办法达到同样的目的。提高试样高度与涂润滑剂的效果基本上是一致的，都起到了减小摩擦力影响的作用。不过试样过高将会引起失稳。
从试验中看到有机玻璃板的试样高度为25mm时，载荷接近于屈服时试样便发生歪扭，面20mm高的试样，加载至屈服后才发生歪扭。因此国标规定试样高度为20mm。
③平行度
试样上下两端面必须平行并与各侧面垂直。实践证明，试样上下两端面平行度和侧面垂直度对试验结果都有影响。可以看出，试样上下两端面不平行，其结果使压缩强度偏低在2.4～7.8％左右。压缩强度降低的原因是试样各处受力不均，造成局部应力过大。因此，规定试样上下两端面互相平行并且与试样各侧面垂直，各处高度相差不应大于0.1mm。
④试验速度与压缩强度的关系
压缩试验时，加载速度的确定很重要。在选择加载速度时，必须考虑在一个速度范围内对测试结果影响不大，并且误差小，尽量使加载均匀。压缩强度随试验速度的增加而增加，尤其对热塑性材料更为明显，对热固性材料则影响较小。以有机玻璃为例，试验速度为15mm/min时的压缩的强度值比试验速度为5mm/min的压缩强度高11％左右，所以选择试验速度不宜过宽。
三、弯曲强度试验
1基本原理
弯曲强度是指采用简支梁法，将试样放在两支点上，在两支点间的试样上施加集中载荷，使试样变形直至破裂时的强度。
σ f=×10 4(Pa)(4)
式中：σ j—弯曲应力(Pa)
P—破坏载荷(N)；
L—试验时试样跨度(cm)；
b—试样宽度(cm)；
h—试样厚度(cm)。
弯曲屈服强度是指某些非脆性材料，当载荷达到某一值时，其变形继续增加，而载荷不增加时的强度，即为破坏载荷。可按式(4)计算屈服强度。
弯曲强度严格讲应指绕弯曲下的强度。但是，上面介绍的测试方法(所谓“三点式”)是存在剪力影响的。为了解决这个问题，有人提出“四点式”加载方式测定弯曲强度和弯曲弹性模量。“四点式”加载方式试样中间部分为纯弯曲剪力为零。
2影响弯曲强度的主要因素
①试样的影响
试样的加工：试样最大厚度在标准中规定为10mm。板材试样的厚度大于10mm时，用机械加工成10mm。加工方法基本上有两种，即单面加工和双面加工。对于双面加工的试样，测试结果会受到影响，若采用单面加工，在试验时将加工面朝上压头就会接受消除或消除其影响。
试样厚度：试样最大厚度国外有的标准中可允许到35～50mm。根据用有机玻璃试验，也得出不同厚度对弯曲强度影响不大的结果。但是，试样过厚对材料浪费太大，所以在一般情况下，规定最大厚度为10mm。
试样宽度：试样宽度一般对测试性能影响不大。如果试样厚度大于10mm，为了使试样具有平稳状态，应随着试样厚度增大而宽度也相应增大。
②应变率对弯曲强度的影响
试样受力弯曲变形时，横截面上边缘点处有最大的压缩变形，所谓外层纤维应变速率(Sr)是指在单位时间内外层纤维相对变形的改变量。以每分钟变形百分率表示。根据材料力学的推导，压头处的弯曲应变速率与压头移动速度(亦称试验速度)有以下关系：
V=(5)
当x=a时，则“四点式”弯曲试验速度如下式：
V f4=(6)
当式(6)中a=L/2时，就变为“三点式”弯曲试验速度：
V β=(7)
式中：a—“四点式”试样支承点至加载点间距离(mm)；
Sr—外层纤维应变速率(％/min)。
从上面公式看出，试验速度与应变速率、试样厚度、试验跨度有关。因此，必须对此有所控制。但是，弯曲应变速率在测试过程中是不能直接观察的，所以我们只能根据上述公式通过控制上下压头向下移动速度(V f)来实现。Vj称为试验速度。
③试验跨度的影响
弯曲试验大多采用“三点式”方式进行。这种方式在受力过程中，除受弯矩作用外，还受剪力的作用。故采用“三点式”方式进行测试，对于反映塑料材料的真实性能是存在一定问题的。因此，国内外有人提出采用“四点式”方式进行测试。目前进行工作较多的还是采用“三点式”方式，用合理的选择跨度和试样厚度比(L/d)来达到消除剪力影响的目的。
试样跨度与厚度比目前基本上有两种情况，一种是L/d=10；另一种是L/d=16。L/d愈大，剪力所占的比愈小，当L/d=10～4时，其剪力分配为5～12.5％。可见剪力效应对试样弯曲强度的影响是随着试样所采用跨度与试样厚度比值的增大而减小的。但是，跨度太大则挠度也增大，且试样两个支承点的滑移也影响其测试结果。随着L/d的增大，不同其弯曲强度的变化规律是不一样的。其中对3号和4号试样L/d在10以下，随着L/d减小弯曲强度降低，其他材料则在L/d为6～20之间基本上没有变化。
四、剪切强度试验
包装容器中，有些构件是承受剪力的，构件在受剪力后的变形是剪切变形。
1.基本原理
剪切强度是试样在剪切力作用破坏下时单位面积上所能承受的载荷值。
单面剪切强度
σ s=×10 4(Pa)(9)
双面剪切强度
σ s=×10 4(Pa)
式中：P—试样最大破坏载荷(N)；
b—试样剪切宽度(cm)；
l—试样剪切面长度(cm)。
2.剪切方式和试样形状的选择
受力方式一般有单面拉伸剪切，单面压缩剪切、双面压缩剪切和纯剪切多种。
根据实际应用的要求，剪切试样形状有很多种。试样形状和受力方式不同，剪切强度值的差别是很显著的。一种试样的受力方式的测定值彼此之间差别是比较大的。
3.试验速度的选择
试验速度对剪切强度有一定影响。由于材料本身的结构不同，其影响程度也不同，所以选择试验速度时，必须考虑到材料的特点。从实践中观察到，速度太大，测试结果不够稳定，误差也比较大。一般宜选在25mm/min以下。(peter)
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