紙基包裝材料動靜摩擦系數(shù)測試方法關(guān)鍵因素研究

隨著紙基包裝材料種類及生產(chǎn)工藝的多樣化，摩擦系數(shù)作為影響包裝材料上機(jī)適應(yīng)性的關(guān)鍵參數(shù)備受關(guān)注。然而，現(xiàn)有測試方法存在標(biāo)準(zhǔn)范圍寬泛、設(shè)備差異顯著、環(huán)境因素干擾等問題，導(dǎo)致測試結(jié)果與實際生產(chǎn)需求脫節(jié)。本研究通過多因素實驗設(shè)計，系統(tǒng)探討了制樣方式、設(shè)備速度、摩擦載面及儀器性能對動靜摩擦系數(shù)的影響，通過對現(xiàn)有測試方法的評估和優(yōu)化，為紙基包裝行業(yè)建立標(biāo)準(zhǔn)化摩擦系數(shù)測試流程、提升包裝材料加工效率及產(chǎn)品質(zhì)量提供了理論依據(jù)。

紙基包裝材料在印刷和包裝設(shè)備上的運(yùn)行穩(wěn)定性依賴于其摩擦系數(shù)，即兩個接觸表面在相對運(yùn)動時的阻力。在印刷過程中，原紙的摩擦系數(shù)可影響印刷過程中的紙張輸送和油墨附著。在包裝設(shè)備運(yùn)行時，如產(chǎn)品摩擦系數(shù)過高，進(jìn)紙時易發(fā)生堵紙、卡紙現(xiàn)象；如摩擦系數(shù)過低，包裝紙在生產(chǎn)通道中易打滑，發(fā)生包裝偏斜、錯位等現(xiàn)象。盡管摩擦系數(shù)的重要性已被廣泛認(rèn)可，但其影響因素眾多，導(dǎo)致所測的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性仍面臨挑戰(zhàn)。因此，對紙基包裝材料的摩擦系數(shù)進(jìn)行精確測試和分析，對于提高紙基包裝材料的市場競爭力具有重要意義。

研究學(xué)者將目光聚集紙基包裝材料的本征特征（如原紙纖維結(jié)構(gòu)、表面光油涂層成分）、生產(chǎn)工藝及環(huán)境溫濕度對摩擦系數(shù)的影響，以探索在控制摩擦系數(shù)基礎(chǔ)上的產(chǎn)品改進(jìn)方向。然而，測試方法中的關(guān)鍵參數(shù)（如制樣工藝、設(shè)備動力學(xué)特性）缺乏系統(tǒng)性分析，導(dǎo)致實驗室數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確指導(dǎo)生產(chǎn)線調(diào)試。此外，市面上雖存在較多型號的摩擦系數(shù)儀，測試過程中的關(guān)鍵因素卻尚未得到充分研究。基于以上問題，本文將深入探討影響紙基包裝材料動靜摩擦系數(shù)測試的關(guān)鍵因素，并提出一種更為精確和可靠的測試方法。

材料與方法

1.材料和設(shè)備

（1）材料

3種紙基包裝，在實驗前放置于恒溫恒濕實驗室，溫度23±1℃、濕度（50±5）% RH，平衡2h。

（2）設(shè)備

3臺C0055-M2摩擦系數(shù)測定儀（T1、T2、T3）（澳洲達(dá)美儀器（IDM）有限公司）；DRK 127摩擦系數(shù)測定儀（山東德瑞克儀器股份有限公司）；GM-1摩擦系數(shù)測定儀（廣州標(biāo)際包裝設(shè)備有限公司）；MXD-01摩擦系數(shù)測定儀（濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司）。

2.方法

（1）實驗設(shè)計

1）制樣方式：制樣1是裁切尺寸為6.5cm×13.5cm大小樣品，按照儀器給定的制樣板做好處理，將樣品包在滑塊上，固定好樣品。制樣2為裁切6.5cm×6.5cm大小樣品，用雙面膠與滑塊粘牢。制樣3為裁切6.5cm×6.5cm大小樣品，將樣品放在滑塊下方對齊放置（如圖1所示）。

圖1 色散實驗

2）速度梯度：測試速度設(shè)定為50 mm/min、75mm/min、100mm/min、125mm/min、150mm/min，分析速度與摩擦系數(shù)的相關(guān)性。

3）摩擦載面：分別以亞克力板、鋼板及紙張背面為載面，評估其對摩擦系數(shù)的影響。

4）設(shè)備對比測試：分別選用4種設(shè)備型號（C0055-M2、DRK127、GM-1、MXD-01），3臺C0055-M2摩擦系數(shù)儀（T1、T2、T3）以制樣2，速度100mm/min，紙張背面為摩擦載面，重復(fù)測試25次，通過t檢驗（樣本量較小檢測方法）分析設(shè)備間的數(shù)據(jù)差異。

（2）數(shù)據(jù)處理

采用SPSS Statistics 26.0軟件進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA）、SNK事后檢驗及皮爾遜（Pearson）相關(guān)性分析，顯著性水平設(shè)為α=0.05。

結(jié)果與分析

1.摩擦系數(shù)原理及設(shè)備

摩擦系數(shù)測定儀的基本工作原理為將測試樣品平放在測試臺上，在一定接觸應(yīng)力下，使兩表面做相對性運(yùn)動，統(tǒng)計摩擦面在相對運(yùn)動初始階段大摩擦阻力（即靜摩擦力）與摩擦面以相應(yīng)的速度做相對性運(yùn)動時候的摩擦阻力（即動摩擦力）。靜摩擦系數(shù)與動摩擦系數(shù)分別通過公式（1）和公式（2）計算

（1）

（2）

式中，μ s為靜摩擦系數(shù)，F(xiàn) max為最大摩擦力，N為垂直于接觸表面的壓力，μ k為動摩擦系數(shù)，F(xiàn) k為滑動摩擦力。

當(dāng)前有兩類摩擦系數(shù)測定儀，一種是待測樣包住滑塊，滑塊安放在傳感器上，由電機(jī)帶動齒條使傳感器移動，進(jìn)而使得試樣載面產(chǎn)生相對移動，如GM-1、GM-4、MXD-01、DRK127、TMI 32-07型號；另一種是傳感器拉著附有測試樣的滑塊，電機(jī)帶動載面移動，進(jìn)而產(chǎn)生相對移動，如IDM C0055-M1、IDM C0055-M2型號。

2.制樣方式對摩擦系數(shù)的影響

方差分析表明，如表1所示，當(dāng)靜摩擦系數(shù)F=59.650時，顯著性P=0.000＜0.05；當(dāng)動摩擦系數(shù)F=191.704時，P=0.000＜0.05，說明3種制樣方式的動靜摩擦系數(shù)有差異。經(jīng)SNK法（一種逐步的多重比較方法，用于識別彼此顯著不同的樣本均值）兩兩比較，如表2所示，在靜摩擦系數(shù)中，制樣2與制樣1和3有差異，制樣1和3無明顯差異；動摩擦系數(shù)中，3種制樣方法均有差異。由表3可知，制樣2的動靜摩擦系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差均最小，這是因為雙面膠粘接減少了樣品的滑動偏移。因此推薦采用雙面膠粘接的制樣2為制樣方法。

3.速度對摩擦系數(shù)的影響

皮爾遜相關(guān)性分析顯示，如表4所示，設(shè)備速度與動靜摩擦系數(shù)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)分別為-0.847和-0.852，P=0.000＜0.05，說明速度與動靜摩擦系數(shù)呈現(xiàn)強(qiáng)負(fù)相關(guān)。這是因為高速下接觸面微凸體來不及充分嚙合，導(dǎo)致摩擦阻力降低。由于部分摩擦設(shè)備（如GM-1、MXD-01）速度不可調(diào)節(jié)，其速度為100mm/min，為實現(xiàn)各摩擦設(shè)備的可比性，因此將設(shè)備速度調(diào)整為100mm/min。圖2所示為設(shè)備速度與動靜摩擦系數(shù)的箱值圖。

圖2 設(shè)備速度與動靜摩擦系數(shù)的箱值圖

4.摩擦載面對摩擦系數(shù)的影響

a)靜摩擦系數(shù)

b)動摩擦系數(shù)

圖3 摩擦載面對摩擦系數(shù)影響的直方圖

選用亞克力板、鋼板、紙張背面3種摩擦載面，探究摩擦載面對摩擦系數(shù)的影響。如圖3所示，為摩擦載面對摩擦系數(shù)影響的直方圖，動靜摩擦系數(shù)：亞克力板＞鋼板＞紙張背面，不同摩擦載面對摩擦系數(shù)的影響較大。值得注意的是，相較于經(jīng)典摩擦理論中μ s＞μ k的普遍規(guī)律，亞克力板摩擦載面出現(xiàn)反常現(xiàn)象（如圖4所示），3組試樣的μs＜μk，這是因為亞克力板不均勻?qū)е?/span>的。在鋼板上摩擦一段時間后，摩擦載面會出現(xiàn)一定程度的損傷（如圖5所示）。而若采用紙張互摩，摩擦載面不斷在變化，所測得摩擦系數(shù)缺乏可比性。因此，為了保證摩擦系數(shù)測量的準(zhǔn)確性，應(yīng)定期檢測摩擦載面的摩擦系數(shù)，確保摩擦載面的均勻性和一致性，必要時選擇與實際包裝設(shè)備接觸材料一致的載面。綜上所述，摩擦載面是影響摩擦系數(shù)的關(guān)鍵。

圖4 產(chǎn)品在亞克力板上的摩擦系數(shù)曲線變化

圖5 摩擦一段時間后的鋼板

5.設(shè)備性能差異與靜摩擦系數(shù)測試的缺陷在使用C0055-M2設(shè)備測量摩擦系數(shù)時，出現(xiàn)圖6所示情況，即靜摩擦系數(shù)并非整個行程最大的數(shù)值。根據(jù)定義，當(dāng)一個物體開始在另一個物體上滑動但仍處于靜止?fàn)顟B(tài)時，兩個物體表面之間的摩擦力為靜摩擦力。靜摩擦系數(shù)是指最大靜摩擦力與垂直于接觸面的力的比值。在理論上，摩擦系數(shù)曲線在0～5s內(nèi)應(yīng)該出現(xiàn)一個先上升后驟降的小尖峰，且該尖峰為整條曲線的最大值，而C0055-M2設(shè)備測得的靜摩擦系數(shù)與理論不符。

圖6 C0055-M2測量摩擦系數(shù)曲線圖

國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)明確提出，剛性連接方式僅適用于動摩擦力的測定，而不適用于靜摩擦力的測量。這是因為在動摩擦力的測定中，物體已處于滑動狀態(tài)，僅需測量滑動后的平均力，剛性連接可滿足要求。而靜摩擦力的測試需要精確識別從靜摩擦力到動摩擦力轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)，即最大靜摩擦力。由于剛性連接方式幾乎不發(fā)生形變，導(dǎo)致外力迅速傳遞至被測物體，當(dāng)施加的力接近靜摩擦力極限時，系統(tǒng)缺乏緩沖，無法儲存彈性勢能，力值瞬間超過臨界點(diǎn)，能量突然釋放，使物體進(jìn)入滑動狀態(tài)，無法準(zhǔn)確記錄靜摩擦峰值。如圖7所示，C0055-M2設(shè)備的傳感器與滑塊之間的拉桿為剛性物質(zhì)，這一設(shè)計缺陷使得其測量的靜摩擦系數(shù)與理論值嚴(yán)重不符，因此該設(shè)備不適合用于靜摩擦系數(shù)的測量。

圖7 C0055-M2傳感器與滑塊的連接方式

相比之下，DRK127型號設(shè)備在靜摩擦力的測量中也存在顯著問題。該設(shè)備將運(yùn)動曲線中的最大值默認(rèn)為靜摩擦力，而忽略了靜摩擦力的本質(zhì)。如圖8所示，當(dāng)摩擦載面的某個點(diǎn)較為粗糙時，設(shè)備會將該點(diǎn)的摩擦力值誤認(rèn)為是靜摩擦力，進(jìn)而計算出靜摩擦系數(shù)。這種測量方式忽略了起始摩擦力并非最大值的事實，導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。

圖8 DRK127測量摩擦系數(shù)曲線圖

圖9 彈性裝置為軟彈簧的摩擦系數(shù)曲線圖

靜摩擦系數(shù)測量設(shè)備彈性裝置的彈簧系數(shù)不會改變靜摩擦系數(shù)的物理本質(zhì)，但會顯著影響實驗測量的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。高剛性系統(tǒng)中，力的增加速度較快，往往在未充分達(dá)到臨界值時，物體因力的突然變化加速滑動，導(dǎo)致實際記錄的靜摩擦力偏小。而軟彈簧形變較大，容易受到外界干擾，進(jìn)一步影響測量的準(zhǔn)確性（如圖9所示）。對于自帶彈性裝置的摩擦系數(shù)測定儀，如DRK127、GM-1、MXD-02，其靜摩擦系數(shù)t檢驗的顯著性均小于0.05（如表5所示），表明這些設(shè)備的靜摩擦系數(shù)均存在差異，這可能是由于其自帶彈性裝置的彈簧系數(shù)不一致引起的。 、

綜上所述，C0055-M2設(shè)備由于其剛性連接的設(shè)計缺陷，無法準(zhǔn)確測量靜摩擦系數(shù)，其測量結(jié)果與理論預(yù)期嚴(yán)重不符。而其他設(shè)備如DRK127雖然在設(shè)計上有所不同，但同樣存在測量偏差的問題。因此，在選擇靜摩擦系數(shù)測量設(shè)備時，應(yīng)充分考慮其彈性裝置的設(shè)計和彈簧系數(shù)的合理性，以確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

6.動摩擦系數(shù)設(shè)備一致性

如表6所示，GM-1與其他設(shè)備型號的t檢驗的P＜0.05，說明GM-1與其他型號的設(shè)備均有

差異，C0055-M2、DRK127、MXD-01相互之間的t檢驗的P＞0.05，說明這3種型號設(shè)備數(shù)據(jù)間無差異。這可能是由于GM-1設(shè)備傳感器量程較小，為0～2N，其他設(shè)備為0～5N，對微力變化更敏感，造成GM-1摩擦系數(shù)測得的動摩擦系數(shù)小于其他型號設(shè)備測得的結(jié)果。

同一型號不同設(shè)備的動摩擦系數(shù)t檢驗見表7，P＞0.05，說明T1、T2、T3設(shè)備測得的動摩擦系數(shù)無差異，其RSD均小于1%（見表8），說明用該型號設(shè)備測試動摩擦系數(shù)具有一定的穩(wěn)定性。

結(jié)語

本文深入探討了影響紙基包裝材料動靜摩擦系數(shù)測試的關(guān)鍵因素，并提出了一種更為精確和可靠的測試方法。結(jié)果表明：雙面膠粘接制樣法（制樣2）可顯著降低標(biāo)準(zhǔn)偏差；設(shè)備速度與摩擦系數(shù)呈強(qiáng)負(fù)相關(guān)，建議控制設(shè)備速度為100mm/min；應(yīng)選用與實際生產(chǎn)匹配的摩擦載面及合適的彈性裝置摩擦測試設(shè)備測試靜摩擦系數(shù)。通過結(jié)果可以看出，制樣方式、設(shè)備速度、摩擦載面、設(shè)備性能等關(guān)鍵因素對摩擦系數(shù)的測試結(jié)果均具有顯著影響。通過優(yōu)化這些因素，可以提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。此外，本文還指出部分設(shè)備在靜摩擦系數(shù)測量中存在的設(shè)計缺陷，強(qiáng)調(diào)了選擇適用設(shè)備的重要性。