紙基包裝材料動靜摩擦系數(shù)測試方法關鍵因素研究

隨著紙基包裝材料種類及生產工藝的多樣化，摩擦系數(shù)作為影響包裝材料上機適應性的關鍵參數(shù)備受關注。然而，現(xiàn)有測試方法存在標準范圍寬泛、設備差異顯著、環(huán)境因素干擾等問題，導致測試結果與實際生產需求脫節(jié)。本研究通過多因素實驗設計，系統(tǒng)探討了制樣方式、設備速度、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)建立標準化摩擦系數(shù)測試流程、提升包裝材料加工效率及產品質量提供了理論依據(jù)。

紙基包裝材料在印刷和包裝設備上的運行穩(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。在包裝設備運行時，如產品摩擦系數(shù)過高，進紙時易發(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可，但其影響因素眾多，導致所測的準確性和可重復性仍面臨挑戰(zhàn)。因此，對紙基包裝材料的摩擦系數(shù)進行精確測試和分析，對于提高紙基包裝材料的市場競爭力具有重要意義。

研究學者將目光聚集紙基包裝材料的本征特征（如原紙纖維結構、表面光油涂層成分）、生產工藝及環(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)基礎上的產品改進方向。然而，測試方法中的關鍵參數(shù)（如制樣工藝、設備動力學特性）缺乏系統(tǒng)性分析，導致實驗室數(shù)據(jù)難以準確指導生產線調試。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）設備

3臺C0055-M2摩擦系數(shù)測定儀（T1、T2、T3）（澳洲達美儀器（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（廣州標際包裝設備有限公司）；MXD-01摩擦系數(shù)測定儀（濟南蘭光機電技術有限公司）。

2.方法

（1）實驗設計

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）設備對比測試：分別選用4種設備型號（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，重復測試25次，通過t檢驗（樣本量較小檢測方法）分析設備間的數(shù)據(jù)差異。

（2）數(shù)據(jù)處理

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

結果與分析

1.摩擦系數(shù)原理及設備

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，在一定接觸應力下，使兩表面做相對性運動，統(tǒng)計摩擦面在相對運動初始階段大摩擦阻力（即靜摩擦力）與摩擦面以相應的速度做相對性運動時候的摩擦阻力（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，由電機帶動齒條使傳感器移動，進而使得試樣載面產生相對移動，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，電機帶動載面移動，進而產生相對移動，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，當靜摩擦系數(shù)F=59.650時，顯著性P=0.000＜0.05；當動摩擦系數(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)的標準偏差均最小，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

皮爾遜相關性分析顯示，如表4所示，設備速度與動靜摩擦系數(shù)的皮爾遜相關系數(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)強負相關。這是因為高速下接觸面微凸體來不及充分嚙合，導致摩擦阻力降低。由于部分摩擦設備（如GM-1、MXD-01）速度不可調節(jié)，其速度為100mm/min，為實現(xiàn)各摩擦設備的可比性，因此將設備速度調整為100mm/min。圖2所示為設備速度與動靜摩擦系數(shù)的箱值圖。

圖2 設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導致的。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)測量的準確性，應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)的關鍵。

圖4 產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.設備性能差異與靜摩擦系數(shù)測試的缺陷在使用C0055-M2設備測量摩擦系數(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，當一個物體開始在另一個物體上滑動但仍處于靜止狀態(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內應該出現(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

國內外相關標準明確提出，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變的臨界點，即最大靜摩擦力。由于剛性連接方式幾乎不發(fā)生形變，導致外力迅速傳遞至被測物體，當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，能量突然釋放，使物體進入滑動狀態(tài)，無法準確記錄靜摩擦峰值。如圖7所示，C0055-M2設備的傳感器與滑塊之間的拉桿為剛性物質，這一設計缺陷使得其測量的靜摩擦系數(shù)與理論值嚴重不符，因此該設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型號設備在靜摩擦力的測量中也存在顯著問題。該設備將運動曲線中的最大值默認為靜摩擦力，而忽略了靜摩擦力的本質。如圖8所示，當摩擦載面的某個點較為粗糙時，設備會將該點的摩擦力值誤認為是靜摩擦力，進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，導致測量結果不準確。

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，但會顯著影響實驗測量的準確性和可重復性。高剛性系統(tǒng)中，力的增加速度較快，往往在未充分達到臨界值時，物體因力的突然變化加速滑動，導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，進一步影響測量的準確性（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設備由于其剛性連接的設計缺陷，無法準確測量靜摩擦系數(shù)，其測量結果與理論預期嚴重不符。而其他設備如DRK127雖然在設計上有所不同，但同樣存在測量偏差的問題。因此，在選擇靜摩擦系數(shù)測量設備時，應充分考慮其彈性裝置的設計和彈簧系數(shù)的合理性，以確保測量結果的準確性和可靠性。

6.動摩擦系數(shù)設備一致性

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

差異，C0055-M2、DRK127、MXD-01相互之間的t檢驗的P＞0.05，說明這3種型號設備數(shù)據(jù)間無差異。這可能是由于GM-1設備傳感器量程較小，為0～2N，其他設備為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)小于其他型號設備測得的結果。

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

結語

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