超市手提塑料袋選材拉伸性能研究

唐雷

[摘 要]超市手提塑料袋是日常生活中必不可少的用品，是由高分子聚合物薄膜材料制成的。可以用于制作塑料袋的材料種類很多，選取合理材料制作超市手提塑料袋，對保證手提塑料袋的使用安全和重復(fù)利用非常重要。本研究通過對幾種常用薄膜材料進行單軸拉伸試驗，獲得相關(guān)材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)，進而得到楊氏模量和屈服應(yīng)力等重要力學(xué)性能參數(shù)。通過分析對比力學(xué)性能參數(shù)，找出最合適作為超市手提塑料袋的材料。

[關(guān)鍵詞]力學(xué)拉伸性能；單軸拉伸試驗；薄膜材料；應(yīng)力-應(yīng)變曲線；楊氏模量；屈服應(yīng)力

中圖分類號：X50 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2018）31-0099-02

1.背景

超市是人們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常光顧的購物場所，超市會銷售手提塑料袋，幫助購物者攜帶物品。由于塑料袋的方便性，在超市購物中被大量使用，中國每年都要消耗大量超市塑料購物袋。手提塑料袋在提供便利的同時，也帶來很多問題。特別是由于難于降解和回收處理不到位等原因，造成了嚴重能源資源浪費和環(huán)境污染，成為“白色污染”的主要來源。如果超市手提塑料袋具有較好強度和耐用性，則即可以確保消費者購物后，安全攜帶物品，又可以重復(fù)利用，減少總體使用量，從而降低塑料袋的環(huán)境危害。

日常使用的各種塑料袋是由不同種類高分子聚合物薄膜材料制成。不同材質(zhì)制成的塑料袋，會有不同物理特點。對于超市手提塑料袋來說，除了顏色、透明性等外觀因素外，力學(xué)性能是至關(guān)重要的因素，因為其直接影響塑料袋使用安全性、可靠性和重復(fù)利用性。

本研究將選取幾種常見的塑料材料，借助專業(yè)微力材料試驗機對材料進行單軸拉伸測試，從而得到這些材料的拉伸力學(xué)性能數(shù)據(jù)，通過對比塑料材料的拉伸性能參數(shù)，分析總結(jié)哪種材料更適合于制作超市手提塑料袋。

2.力學(xué)原理

塑料材料具有不同的力學(xué)特性分類，包括拉伸性能、彎曲性能、壓縮性能、沖擊性能、硬度性能、剪切性能等。對于超市手提塑料袋來說，最重要的性能是拉伸性能，它直接關(guān)系到塑料袋可以承載的重量和安全性。因此，本研究將重點研究塑料材料的拉伸性能。

拉伸性能是指在規(guī)定的試驗溫度、濕度及拉伸速度下，通過對材料試樣的縱軸方向施加拉伸載荷，使試樣產(chǎn)生形變直至材料破壞。記錄下試樣破壞時最大負荷和對應(yīng)標線間距離變化等情況，得出應(yīng)力-應(yīng)變曲線。通過分析對比不同材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以得出哪種塑料材料更合適用于超市手提塑料袋的制作。

力-變形（F-Δl）曲線：是指拉伸力（F）數(shù)據(jù)作為縱軸，材料長度在拉伸過程中發(fā)生的變化（Δl）數(shù)據(jù)作為橫軸，形成的一條曲線。

應(yīng)力-應(yīng)變（σ-ε）曲線：應(yīng)力（σ）是指試樣材料在計量標距范圍內(nèi)，單位初始截面面積承受的拉伸負荷，計算公式為F/A0。應(yīng)變（ε）是指試樣材料在拉伸過程中，長度變化量（Δl）與試樣材料初始長度（l0）的比率。應(yīng)力-應(yīng)變（σ-ε）曲線是指以應(yīng)力為縱坐標，以應(yīng)變?yōu)闄M坐標而形成的一條曲線。

楊氏模量（E）：選取應(yīng)力-應(yīng)變曲線上線性加載段（本研究中選擇最大拉伸力或應(yīng)力的20%～50%區(qū)間），利用如下公式計算該線性加載段的線性斜率（參見圖2），即為試樣材料的楊氏模量E=Δσ/Δε（圖2-1，圖2-2）。

屈服應(yīng)力（σy）：試樣材料應(yīng)力-應(yīng)變（σ-ε）曲線上，線性階段結(jié)束后應(yīng)力水平會達到一個峰值（σy），即為屈服應(yīng)力，其對應(yīng)的應(yīng)變值為屈服應(yīng)變εy。

對塑料袋薄膜而言，楊氏模量E代表了材料的“軟硬”程度，楊氏模量越高，材料越硬；而屈服應(yīng)力σy代表了材料在正常使用情況下所能承受應(yīng)力的極限。因此制作超市手提塑料袋的材料，應(yīng)盡可能選取楊氏模量E和屈服應(yīng)力σy大的材料，以保證手提塑料袋的承載力和安全性。

3.拉伸試驗

3.1 試驗材料和儀器

日常制作塑料袋的材質(zhì)大致分為六大類：聚乙烯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、雙向聚丙烯、聚氯乙烯和收縮薄膜。本研究將選取上述常用材料中的4種：高密度聚乙烯、聚乙烯、雙向聚丙烯、低密度聚乙烯，進行拉伸力學(xué)研究。

試驗采用的單軸拉伸試驗儀器和工具：微力材料試驗機Instron 5848 MicroTester，用于拉伸測試；螺旋測微儀Mitutoyo IP-65，用于測量塑料薄膜厚度；自制雙層刀片工具，用于切割出固定寬度塑料薄膜試樣。此工具是為本研究特別設(shè)計的，由2個美工刀片、2個載玻片、2個燕尾夾構(gòu)成。2個美工刀片的刃間距為4mm。用此工具可以一次切割出寬度為4mm的試樣（圖3-1）。

3.2 試驗步驟

（1）處理試樣。寬度：4mm；測量厚度：試樣厚度測試時在距標線距離內(nèi)測量三點，取算術(shù)平均值

（2）設(shè)置試驗環(huán)境。溫度23.5℃，濕度51.9%

（3）預(yù)處理試樣。將試樣置于試驗環(huán)境中，使其表面盡可能暴露在環(huán)境里，時間4小時以上

（4）設(shè)置試驗儀器參數(shù)。力傳感器量程：±250N；拉伸速度：0.5mm/s；夾具為氣動夾具；采樣頻率：100Hz

（5）放置試樣。設(shè)置標距：20mm，應(yīng)在試樣上被拉伸的平行部分作標線，此標線對測試結(jié)果不應(yīng)有影響；用夾具夾持試樣時，要使試樣縱軸方向中心與上、下夾具中心連線相重合，并且松緊適宜，不能使試樣在受力時滑脫或夾持過緊在夾口處損壞試樣。夾持薄膜試樣要求在夾具內(nèi)襯墊橡膠之類的彈性薄片。

（6）開始試驗。按所選擇的速度開動機器，進行拉伸試驗

（7）檢查結(jié)果。試樣斷裂后，讀取負荷及標距間伸長，或讀取屈服時的負荷。若試樣斷裂在標距外的部位，則此次試驗作廢，另取試樣補做。

（8）記錄數(shù)據(jù)。記錄負荷及相應(yīng)變形量，作出應(yīng)力—應(yīng)變曲線。

（9）計算數(shù)據(jù)。根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，計算得到各試樣楊氏模量和屈服應(yīng)力、應(yīng)變值。

（10）分析比較。分析各試樣楊氏模量和屈服應(yīng)力、應(yīng)變值，得出結(jié)論。

3.3 試驗數(shù)據(jù)

如表3-1，表3-2，圖3-2，表3-3，圖3-2，表3-4，圖3-4，表3-5，圖3-5。

4.數(shù)據(jù)分析

依據(jù)本文2中介紹的力學(xué)原理，分別對每組試樣的測試數(shù)據(jù)進行處理，得到材料力學(xué)性能參數(shù)（楊氏模量、屈服應(yīng)力、屈服應(yīng)變，表示為“平均值±標準偏差”）如下：

將表4-1中各組試樣的楊氏模量和屈服應(yīng)力的統(tǒng)計結(jié)果用柱狀圖直觀地表示，可以發(fā)現(xiàn)楊氏模量和屈服應(yīng)力按1#>2#>3#>4#的順序依次降低，并且1#試樣（高密度聚乙烯）的楊氏模量和屈服應(yīng)力水平均遠高于其他3種試樣材料。

5.研究結(jié)論

超市手提塑料袋用于承載各種日常用品，經(jīng)常包含沉重并尖銳的物件，對力學(xué)拉伸性能要求較高，要選擇楊氏模量和屈服應(yīng)力較高的材料來制作。根據(jù)本研究中拉伸試驗數(shù)據(jù)分析可知，四種常用薄膜材料中，高密度聚乙烯是制作超市手提塑料袋的最佳材料。

本研究也表明，在進行某種產(chǎn)品制作材料選擇時，可以通過試驗分析制作材料本身力學(xué)特性，結(jié)合產(chǎn)品使用具體應(yīng)用場景特點，快速準確地選出合適的材料。

參考文獻

[1] 劉鴻文，呂榮坤.材料力學(xué)實驗（第二版）.北京：高等教育出版社，1998