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[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种类很多，选取合理材料制作超市手提塑料袋，对保证手提塑料袋的使用安全和重复利用非常重要。本研究通过对几种常用薄膜材料进行单轴拉伸试验，获得相关材料应力-应变曲线数据，进而得到杨氏模量和屈服应力等重要力学性能参数。通过分析对比力学性能参数，找出最合适作为超市手提塑料袋的材料。
[关键词]力学拉伸性能；单轴拉伸试验；薄膜材料；应力-应变曲线；杨氏模量；屈服应力
中图分类号：X50 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）31-0099-02
1.背景
超市是人们日常生活中经常光顾的购物场所，超市会销售手提塑料袋，帮助购物者携带物品。由于塑料袋的方便性，在超市购物中被大量使用，中国每年都要消耗大量超市塑料购物袋。手提塑料袋在提供便利的同时，也带来很多问题。特别是由于难于降解和回收处理不到位等原因，造成了严重能源资源浪费和环境污染，成为“白色污染”的主要来源。如果超市手提塑料袋具有较好强度和耐用性，则即可以确保消费者购物后，安全携带物品，又可以重复利用，减少总体使用量，从而降低塑料袋的环境危害。
日常使用的各种塑料袋是由不同种类高分子聚合物薄膜材料制成。不同材质制成的塑料袋，会有不同物理特点。对于超市手提塑料袋来说，除了颜色、透明性等外观因素外，力学性能是至关重要的因素，因为其直接影响塑料袋使用安全性、可靠性和重复利用性。
本研究将选取几种常见的塑料材料，借助专业微力材料试验机对材料进行单轴拉伸测试，从而得到这些材料的拉伸力学性能数据，通过对比塑料材料的拉伸性能参数，分析总结哪种材料更适合于制作超市手提塑料袋。
2.力学原理
塑料材料具有不同的力学特性分类，包括拉伸性能、弯曲性能、压缩性能、冲击性能、硬度性能、剪切性能等。对于超市手提塑料袋来说，最重要的性能是拉伸性能，它直接关系到塑料袋可以承载的重量和安全性。因此，本研究将重点研究塑料材料的拉伸性能。
拉伸性能是指在规定的试验温度、湿度及拉伸速度下，通过对材料试样的纵轴方向施加拉伸载荷，使试样产生形变直至材料破坏。记录下试样破坏时最大负荷和对应标线间距离变化等情况，得出应力-应变曲线。通过分析对比不同材料的应力-应变曲線，可以得出哪种塑料材料更合适用于超市手提塑料袋的制作。
力-变形（F-Δl）曲线：是指拉伸力（F）数据作为纵轴，材料长度在拉伸过程中发生的变化（Δl）数据作为横轴，形成的一条曲线。
应力-应变（σ-ε）曲线：应力（σ）是指试样材料在计量标距范围内，单位初始截面面积承受的拉伸负荷，计算公式为F/A0。应变（ε）是指试样材料在拉伸过程中，长度变化量（Δl）与试样材料初始长度（l0）的比率。应力-应变（σ-ε）曲线是指以应力为纵坐标，以应变为横坐标而形成的一条曲线。
杨氏模量（E）：选取应力-应变曲线上线性加载段（本研究中选择最大拉伸力或应力的20%～50%区间），利用如下公式计算该线性加载段的线性斜率（参见图2），即为试样材料的杨氏模量E=Δσ/Δε（图2-1，图2-2）。
屈服应力（σy）：试样材料应力-应变（σ-ε）曲线上，线性阶段结束后应力水平会达到一个峰值（σy），即为屈服应力，其对应的应变值为屈服应变εy。
对塑料袋薄膜而言，杨氏模量E代表了材料的“软硬”程度，杨氏模量越高，材料越硬；而屈服应力σy代表了材料在正常使用情况下所能承受应力的极限。因此制作超市手提塑料袋的材料，应尽可能选取杨氏模量E和屈服应力σy大的材料，以保证手提塑料袋的承载力和安全性。
3.拉伸试验
3.1 试验材料和仪器
日常制作塑料袋的材质大致分为六大类：聚乙烯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、双向聚丙烯、聚氯乙烯和收缩薄膜。本研究将选取上述常用材料中的4种：高密度聚乙烯、聚乙烯、双向聚丙烯、低密度聚乙烯，进行拉伸力学研究。
试验采用的单轴拉伸试验仪器和工具：微力材料试验机Instron 5848 MicroTester，用于拉伸测试；螺旋测微仪Mitutoyo IP-65，用于测量塑料薄膜厚度；自制双层刀片工具，用于切割出固定宽度塑料薄膜试样。此工具是为本研究特别设计的，由2个美工刀片、2个载玻片、2个燕尾夹构成。2个美工刀片的刃间距为4mm。用此工具可以一次切割出宽度为4mm的试样（图3-1）。
3.2 试验步骤
（1）处理试样。宽度：4mm；测量厚度：试样厚度测试时在距标线距离内测量三点，取算术平均值
（2）设置试验环境。温度23.5℃，湿度51.9%
（3）预处理试样。将试样置于试验环境中，使其表面尽可能暴露在环境里，时间4小时以上
（4）设置试验仪器参数。力传感器量程：±250N；拉伸速度：0.5mm/s；夹具为气动夹具；采样频率：100Hz
（5）放置试样。设置标距：20mm，应在试样上被拉伸的平行部分作标线，此标线对测试结果不应有影响；用夹具夹持试样时，要使试样纵轴方向中心与上、下夹具中心连线相重合，并且松紧适宜，不能使试样在受力时滑脱或夹持过紧在夹口处损坏试样。夹持薄膜试样要求在夹具内衬垫橡胶之类的弹性薄片。
（6）开始试验。按所选择的速度开动机器，进行拉伸试验
（7）检查结果。试样断裂后，读取负荷及标距间伸长，或读取屈服时的负荷。若试样断裂在标距外的部位，则此次试验作废，另取试样补做。
（8）记录数据。记录负荷及相应变形量，作出应力—应变曲线。
（9）计算数据。根据记录数据，计算得到各试样杨氏模量和屈服应力、应变值。
（10）分析比较。分析各试样杨氏模量和屈服应力、应变值，得出结论。
3.3 试验数据
如表3-1，表3-2，图3-2，表3-3，图3-2，表3-4，图3-4，表3-5，图3-5。
4.数据分析
依据本文2中介绍的力学原理，分别对每组试样的测试数据进行处理，得到材料力学性能参数（杨氏模量、屈服应力、屈服应变，表示为“平均值±标准偏差”）如下：
将表4-1中各组试样的杨氏模量和屈服应力的统计结果用柱状图直观地表示，可以发现杨氏模量和屈服应力按1#>2#>3#>4#的顺序依次降低，并且1#试样（高密度聚乙烯）的杨氏模量和屈服应力水平均远高于其他3种试样材料。
5.研究结论
超市手提塑料袋用于承载各种日常用品，经常包含沉重并尖锐的物件，对力学拉伸性能要求较高，要选择杨氏模量和屈服应力较高的材料来制作。根据本研究中拉伸试验数据分析可知，四种常用薄膜材料中，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，在进行某种产品制作材料选择时，可以通过试验分析制作材料本身力学特性，结合产品使用具体应用场景特点，快速准确地选出合适的材料。
参考文献
[1] 刘鸿文，吕荣坤.材料力学实验（第二版）.北京：高等教育出版社，1998
[关键词]力学拉伸性能；单轴拉伸试验；薄膜材料；应力-应变曲线；杨氏模量；屈服应力
中图分类号：X50 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）31-0099-02
1.背景
超市是人们日常生活中经常光顾的购物场所，超市会销售手提塑料袋，帮助购物者携带物品。由于塑料袋的方便性，在超市购物中被大量使用，中国每年都要消耗大量超市塑料购物袋。手提塑料袋在提供便利的同时，也带来很多问题。特别是由于难于降解和回收处理不到位等原因，造成了严重能源资源浪费和环境污染，成为“白色污染”的主要来源。如果超市手提塑料袋具有较好强度和耐用性，则即可以确保消费者购物后，安全携带物品，又可以重复利用，减少总体使用量，从而降低塑料袋的环境危害。
日常使用的各种塑料袋是由不同种类高分子聚合物薄膜材料制成。不同材质制成的塑料袋，会有不同物理特点。对于超市手提塑料袋来说，除了颜色、透明性等外观因素外，力学性能是至关重要的因素，因为其直接影响塑料袋使用安全性、可靠性和重复利用性。
本研究将选取几种常见的塑料材料，借助专业微力材料试验机对材料进行单轴拉伸测试，从而得到这些材料的拉伸力学性能数据，通过对比塑料材料的拉伸性能参数，分析总结哪种材料更适合于制作超市手提塑料袋。
2.力学原理
塑料材料具有不同的力学特性分类，包括拉伸性能、弯曲性能、压缩性能、冲击性能、硬度性能、剪切性能等。对于超市手提塑料袋来说，最重要的性能是拉伸性能，它直接关系到塑料袋可以承载的重量和安全性。因此，本研究将重点研究塑料材料的拉伸性能。
拉伸性能是指在规定的试验温度、湿度及拉伸速度下，通过对材料试样的纵轴方向施加拉伸载荷，使试样产生形变直至材料破坏。记录下试样破坏时最大负荷和对应标线间距离变化等情况，得出应力-应变曲线。通过分析对比不同材料的应力-应变曲線，可以得出哪种塑料材料更合适用于超市手提塑料袋的制作。
力-变形（F-Δl）曲线：是指拉伸力（F）数据作为纵轴，材料长度在拉伸过程中发生的变化（Δl）数据作为横轴，形成的一条曲线。
应力-应变（σ-ε）曲线：应力（σ）是指试样材料在计量标距范围内，单位初始截面面积承受的拉伸负荷，计算公式为F/A0。应变（ε）是指试样材料在拉伸过程中，长度变化量（Δl）与试样材料初始长度（l0）的比率。应力-应变（σ-ε）曲线是指以应力为纵坐标，以应变为横坐标而形成的一条曲线。
杨氏模量（E）：选取应力-应变曲线上线性加载段（本研究中选择最大拉伸力或应力的20%～50%区间），利用如下公式计算该线性加载段的线性斜率（参见图2），即为试样材料的杨氏模量E=Δσ/Δε（图2-1，图2-2）。
屈服应力（σy）：试样材料应力-应变（σ-ε）曲线上，线性阶段结束后应力水平会达到一个峰值（σy），即为屈服应力，其对应的应变值为屈服应变εy。
对塑料袋薄膜而言，杨氏模量E代表了材料的“软硬”程度，杨氏模量越高，材料越硬；而屈服应力σy代表了材料在正常使用情况下所能承受应力的极限。因此制作超市手提塑料袋的材料，应尽可能选取杨氏模量E和屈服应力σy大的材料，以保证手提塑料袋的承载力和安全性。
3.拉伸试验
3.1 试验材料和仪器
日常制作塑料袋的材质大致分为六大类：聚乙烯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、双向聚丙烯、聚氯乙烯和收缩薄膜。本研究将选取上述常用材料中的4种：高密度聚乙烯、聚乙烯、双向聚丙烯、低密度聚乙烯，进行拉伸力学研究。
试验采用的单轴拉伸试验仪器和工具：微力材料试验机Instron 5848 MicroTester，用于拉伸测试；螺旋测微仪Mitutoyo IP-65，用于测量塑料薄膜厚度；自制双层刀片工具，用于切割出固定宽度塑料薄膜试样。此工具是为本研究特别设计的，由2个美工刀片、2个载玻片、2个燕尾夹构成。2个美工刀片的刃间距为4mm。用此工具可以一次切割出宽度为4mm的试样（图3-1）。
3.2 试验步骤
（1）处理试样。宽度：4mm；测量厚度：试样厚度测试时在距标线距离内测量三点，取算术平均值
（2）设置试验环境。温度23.5℃，湿度51.9%
（3）预处理试样。将试样置于试验环境中，使其表面尽可能暴露在环境里，时间4小时以上
（4）设置试验仪器参数。力传感器量程：±250N；拉伸速度：0.5mm/s；夹具为气动夹具；采样频率：100Hz
（5）放置试样。设置标距：20mm，应在试样上被拉伸的平行部分作标线，此标线对测试结果不应有影响；用夹具夹持试样时，要使试样纵轴方向中心与上、下夹具中心连线相重合，并且松紧适宜，不能使试样在受力时滑脱或夹持过紧在夹口处损坏试样。夹持薄膜试样要求在夹具内衬垫橡胶之类的弹性薄片。
（6）开始试验。按所选择的速度开动机器，进行拉伸试验
（7）检查结果。试样断裂后，读取负荷及标距间伸长，或读取屈服时的负荷。若试样断裂在标距外的部位，则此次试验作废，另取试样补做。
（8）记录数据。记录负荷及相应变形量，作出应力—应变曲线。
（9）计算数据。根据记录数据，计算得到各试样杨氏模量和屈服应力、应变值。
（10）分析比较。分析各试样杨氏模量和屈服应力、应变值，得出结论。
3.3 试验数据
如表3-1，表3-2，图3-2，表3-3，图3-2，表3-4，图3-4，表3-5，图3-5。
4.数据分析
依据本文2中介绍的力学原理，分别对每组试样的测试数据进行处理，得到材料力学性能参数（杨氏模量、屈服应力、屈服应变，表示为“平均值±标准偏差”）如下：
将表4-1中各组试样的杨氏模量和屈服应力的统计结果用柱状图直观地表示，可以发现杨氏模量和屈服应力按1#>2#>3#>4#的顺序依次降低，并且1#试样（高密度聚乙烯）的杨氏模量和屈服应力水平均远高于其他3种试样材料。
5.研究结论
超市手提塑料袋用于承载各种日常用品，经常包含沉重并尖锐的物件，对力学拉伸性能要求较高，要选择杨氏模量和屈服应力较高的材料来制作。根据本研究中拉伸试验数据分析可知，四种常用薄膜材料中，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，在进行某种产品制作材料选择时，可以通过试验分析制作材料本身力学特性，结合产品使用具体应用场景特点，快速准确地选出合适的材料。
参考文献
[1] 刘鸿文，吕荣坤.材料力学实验（第二版）.北京：高等教育出版社，1998