CC BY
61
ИЗДАТЕЛЬСКОЕ ДЕЛО. ПОЛИГРАФИЯ
УДК 655.3.022.52 д. с. БОРИСОВА
Л. Г. ВАРЕПО
Омский государственный технический университет
ОЦЕНКА АДГЕЗИОННОЙ ПРОЧНОСТИ КОМБИНИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА УСТАНОВКЕ MICRO SCRATCH TESTER
В статье представлены результаты исследований адгезионной прочности комбинированных материалов на основе алюминиевой фольги, проведенные с помощью методики скретч-тестирования на установке Micro Scratch Tester фирмы CSEM. Полученные микрофотографии и графические зависимости наглядно иллюстрируют процесс разрушения кашированной фольги и позволяют оценить адгезионную прочность материалов.
Ключевые слова: комбинированный материал, адгезия, прочность, упаковка.
В настоящее время наиболее значимой является роль упаковки как инструмента маркетинга. В связи с этим к внешнему виду упаковки и ее качественным показателям предъявляются самые высокие требования.
Целью работы является оценка прочности адгезионной связи между слоями упаковочного комбинированного материала на основе алюминиевой фольги.
Под адгезией понимают молекулярную связь между поверхностями разнородных тел, приведенных в контакт на расстоянии 3 — 10 А (расстояние действия Ван-дер-ваальсовых сил). Об адгезии обычно су-
дят по удельной силе или удельной работе разрушения адгезионного соединения, т.е. по адгезионной прочности [1,2].
При получении комбинированных материалов превалируют диффузионный и микрореологический механизмы формирования адгезионной связи. В данном случае субстратами служат фольга и бумага (т.е. высококристаллические или стеклообразные материалы), а адгезивом — расплав полимера, поэтому адгезия обусловливается реологическими свойствами адгезива и микрорельефом поверхности субстратов [3, 4].
о >
> о
Таблица 1
Ассортимент исследуемых комбинированных материалов
Состав № образца Фольга Адгезионный слой Бумага для каширования
1 Алюминиевая фольга мягкая, отожженная по ГОСТ 745-79 Расплав ПЭ Пергамент марки В
2 Алюминиевая фольга мягкая, отожженная по ГОСТ 745-79 Расплав ПЭ Sappi Leine Silk
Точная оценка уровня адгезионного взаимодействия, а также определение наиболее слабой границы в многослойной системе, являются важной научно-практической задачей.
Исследования проводились на комбинированных материалах по ГОСТ Р 52145 - 2003: Ф/ПЭ/Б - фольга, соединенная с полиэтиленовой пленкой и каширо-ванной бумагой со стороны полиэтиленовой пленки (табл. 1).
Оценка адгезии проводилась по методике скретч-тестирования на установке Micro Scratch Tester фирмы CSEM. Суть метода заключается в создании на поверхности образца продольной царапины при равномерном движении конуса (индентора) при постоянной или изменяющейся нормальной нагрузке. Во время процесса на индентор действует линейновоз-растающая сила (сила нагружения). Деформация в исследуемой системе за счет вдавливания индентора приводит к возникновению упругой силы, которая может привести к разрушению адгезионных связей в исследуемой системе и является в данной методике нормальной силой отрыва. При увеличении глубины проникновения индентора увеличивается площадь его контакта с поверхностью исследуемой системы, что в совокупности с равномерным движением приводит к увеличению силы трения в месте контакта, которая выступает в данной методике тангенциальной силой отрыва. Совокупность этих сил и определяет возможность разрушения адгезионных связей.
Характеристикой адгезионной прочности выступает сила нагружения в момент начала разрушения системы, которая называется критической силой нагрузки. Критические нагрузки определяются очень точно при помощи акустического датчика, датчика тангенциальной нагрузки, датчика глубины проникновения, нормальной нагрузки и изображений встроенного оптического микроскопа. Данные о критической нагрузке используются для количественного подсчета адгезионных свойств различных комбинаций многослойных систем.
Испытания проводились при следующих условиях:
— начальная сила нагружения 0,01 Н;
— конечная сила нагружения ЮН;
— скорость 9,63 мм/мин;
— длина царапины 10 мм.
В результате для испытуемых образцов были определены силы нагружения, сопротивления, коэффициент сопротивления, акустическая эмиссия и глубина вдавливания индентора. Построены графики процесса разрушения кашированной фольги, позволяющие оценить адгезионную прочность материалов. С помощью оптических микрофотографий наглядно иллюстрируется процесс разрушения испытуемых образцов и определены наиболее слабые границы в I многослойных системах (рис. 1—2).
Анализ результатов скретч-теста для определения критической силы нагружения (адгезионной прочности) проводился тремя способами: по показаниям с датчика акустической эмиссии; по характеру зависимости силы трения; визуальное наблюдение факта разрушения системы в оптический микроскоп.
Установлено, что для испытуемых образцов упаковочных материалов достаточным и окончательным фактом, устанавливающим момент разрушения покрытия, являются показания с датчика изменения силы трения и акустической эмиссии, а результаты исследования в оптическом микроскопе не всегда указывают на характерные явления разрушения при испытании.
Разрушение слоя фольги к бумаге-основе образца комбинированного материала №1 произошли при следующих параметрах (рис. 1 а): сила нагружения — 2 Н; сила сопротивления (трения) — 1 Н; коэффициент сопротивления (трения) —0,42; акустическая эмиссия — 10 %; глубина вдавливания индентора — 40 мкм.
На рис. 2а представлен рельеф царапины, при нагружении 0,1 Н, разрушения слоя фольги образца комбинированного материала № 1 не происходит. На рис. 26 представлен рельеф царапины при нагружении 0,9 Н, разрушение слоя фольги образца комбинированного материала № 1 происходит частично с небольшими трещинами. На рис. 2в представлен рельеф царапины при нагружении 2 Н для образца комбинированного материала № 1, на рисунке видно разрушение поверхности фольги и бумаги-основы.
Разрушение слоя фольги к бумаге-основе образца комбинированного материала № 2 произошли при следующих параметрах (рис. 1 б): сила нагружения — 3,5 Н; сила сопротивления (трения) — 2,8 Н; коэффициент сопротивления (трения) —0,73; акустическая эмиссия — 3 %; глубина вдавливания индентора — 80 мкм. На рис. 2а представлен рельеф царапины, при нагружении 0,2 Н, разрушения слоя фольги образца комбинированного материала № 2 не происходит. На рис. 26 представлен рельеф царапины при нагружении 1,5 Н, разрушение слоя фольги образца комбинированного материала № 2 происходит частично с небольшими трещинами. На рис. 2в представлен рельеф царапины при нагружении 3,5 Н для образца комбинированного материала № 2, на рисунке видно разрушение поверхности фольги и бумаги-основы.
Анализ экспериментальных данных показал, что кашированная фольга на основе бумаги Sappi Leine Silk (образец кашированной фольги № 2) обладает значительно большей прочностью адгезионной связи системы фольга/бумага, чем кашированная фольга на основе пергамента марки В. Разница силы нагружения при отрыве фольги составила 1,5 Н. Это связано с составом бумаг, используемых для каширования: волокна бумаги Sappi Leine Silk образуют более проч-
8.0- 8.0-
в.о- 6.0-
4 0- 40
о &0-
0 40-
2.0-
0.0 N
\Ш
0.00
3
N
fl У 1 i\ Л АД
\/; у2 А Г WV
/ „ к/
/а
t X/
1 2 3 0.01 N
А 5
•60
ю.оо 4 5
0.00 mm
10.0 10.0 100
8.0- 8.0-
0 80-
100 01
Aj
ЩУкп^) \! \l/< \
AI
80 -13.3
0,00 mm 2.00
8.00 10.00
Рис. 1. График процесса разрушения комбинированного материала: а — образец комбинированного материала № 1; б — образец комбинированного материала № 1; 1 — сила нагружения; 2 — сила сопротивления (трения); 3 — коэффициент сопротивления (трения); 4 — акустическая эмиссия; 5 — глубина вдавливания индентора
ную связь между собой, что способствует повышению прочности материала. Пергамент марки В имеет в своем составе примерно 20 — 30 % коротких волокон лиственной целлюлозы, тогда как бумага Sappi Leine Silk — 10 — 15 %. Бумага, изготавливаемая из мягкой древесной целлюлозы, намного прочнее, т.к. ее длинные волокна обеспечивают крепкую связь между собой. Бумага из твёрдой лиственной целлюлозы
менее прочная из-за короткой длины волокон. Также это связано с различием микрогеометрии поверхности бумаг, используемых для каширования, параметры которой оказывают непосредственное влияние на микрогеометрию кашированного материала. Чем меньше степень шероховатости поверхности бумаги для каширования, тем выше адгезионная прочность соединения. Бумаги для каширования Барр1
Образец комбинированного материала №1
Образец комбинированного материала №2
Рис. 2. Микрофотографии процесса скретч-тестирования комбинированных материалов с увеличивающейся нагрузкой,
отражающие три критические точки разрушения материала: а — первое повреждение; б — продолжительное разрушение; в — полное разрушение
Leine Silk обладает более гладкой структурой поверхности по сравнению с микрогеометрией поверхности пергамента марки В [5, 6].
Предложенная методика оценки адгезионной прочности комбинированных материалов на основе алюминиевой фольги позволяет:
— проводить оценку адгезионной прочности многослойных систем;
— точно регистрировать усилие, при котором происходит разрушение поверхности;
— определять наиболее слабую границу в многослойной системе.
Библиографический список
1. Каган, Д. Ф. Многослойные и комбинированные пленочные материалы / Д. Ф. Каган, В. Е. Гуль, Л. Д. Самарина. - М. : Химия, 1989. - 288 с.
2. Бикерман, Я. О. Теория адгезионных соединений / Я. О. Би-керман//Высокомолекулярные соединения. — 1968. — №4. — С. 974-979.
3. Гуль, В. Е. Полимерные пленочные материалы / В. Е. Гуль. — М.: Химия, 1976. - 248 с.
4. Оцкир, И. Каширование в производстве гибкой упаковки / И. Оцкир // Флексо Плюс. - 2002. - № 2. - С. 38-44.
5. Варепо, Л. Г. Исследование зависимости качества запечатанной алюминиевой фольги от микрогеометрии ее поверхности / Л. Г. Варепо, А С. Борисова // Динамика систем, механизмов и машин : матер. VI Междунар. науч.-техн. конф. — 2007. — Кн. 2. — С. 267-270.
6. Борисова, А. С. Исследование влияния микрогеометрии комбинированных материалов на качество печати / А. С. Борисова, Л. Г. Варепо // Вестник МГУП 2006. - № 10. - С. 13 - 19.
БОРИСОВА Алина Сергеевна, аспирантка, ассистент кафедры «Дизайн и технологии медиаиндустрии». ВАРЕПО Лариса Григорьевна, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Дизайн и технологии медиаиндустрии». Адрес для переписки: e-mail: [email protected]
Статья поступила в редакцию 25.10.2010 г. © А. С. Борисова, Л. Г. Варепо
