动态加载条件下青贮PE膜的机械特性研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2025.01.009

中国塑料 ›› 2025, Vol. 39 ›› Issue (1): 48-56.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2025.01.009

动态加载条件下青贮PE膜的机械特性研究

高东明¹(), 魏丹丹¹, 万其号²

^1.北京工商大学计算机与人工智能学院，北京 100048
^2.中国农业科学院草原研究所，呼和浩特 010010

收稿日期:2024-04-12 出版日期:2025-01-26 发布日期:2025-02-14
作者简介:高东明（1980-），副教授，从事草业机械研究，gaodongming@btbu.edu.cn
基金资助:
内蒙古自治区科技计划项目(2023YFDZ0024)

Study on mechanical properties of silage polyethylene film under dynamic loading conditions

GAO Dongming¹(), WEI Dandan¹, WAN Qihao²

^1.School of Computer and Artificial Intelligence，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China
^2.Grassland Research Institute，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Hohhot 010010，China

Received:2024-04-12 Online:2025-01-26 Published:2025-02-14

摘要/Abstract

摘要：

针对青贮聚乙烯（PE）膜在实际工况条件下处于动态拉伸，现有相关标准基于静态加载测得机械特性难以更好表征青贮PE膜实际工况条件下的相关特性。文章对PE膜的纵向（MD）、横向（TD）方向试样进行了不同拉伸速率下的单轴拉伸试验（应变范围控制在200 %以内），以及不同初始延伸率下的应力松弛试验。结果表明，PE膜的应力⁃应变（σ⁃ε）曲线呈现显著的速度依赖性和方向依赖性。拉伸过程中PE膜MD、TD方向均经历了二次屈服，随着拉伸速率增加，第二屈服伸长率减小。MD方向的第一、第二屈服强度与拉伸速率的对数（ln v）呈良好线性映射关系。拉伸速率增加可以提高PE膜的屈服强度，以实现对青贮草捆的紧密包裹，但是达到一定速率后，屈服强度变化将不再明显，而且还会降低PE膜的韧性。室温下，在较低（10 %）到较高的固定初始延伸率（70 %）范围内，MD、TD方向PE膜均出现了应力先快速后缓慢降低现象。广义七元件Maxwell模型能较好的描述PE膜应力松弛行为，可用于预测其长期应力松弛特性。随着延伸率增加，应力松弛量降低，应力衰减率降低，松弛模量降低，应力缓慢下降阶段模量更稳定。为实现对青贮的有效密封，要求PE膜兼具刚度和一定抗松弛能力，青贮裹包时PE膜延伸率控制在50 %~70 %之间较为合理。

关键词: 青贮PE膜, 机械特性, 拉伸速率, 屈服伸长率, 应力松弛

Abstract:

The current standards are difficult to measure the characteristics of silage polyethylene （PE） film under actual working conditions. In this study， uniaxial tensile tests at different tensile rates with a strain range within 200 % and stress relaxation tests at different initial elongations were conducted on the PE film specimens in the machine direction （MD） and transverse direction （TD）. The tensile test results indicated that there was a pronounced dependency on both stretching speed and direction in the stress⁃strain （σ⁃ε） profiles， and the films exhibited a secondary yielding phenomenon in both MD and TD orientations. With an increase in the tensile rate， there was a decrease observed in the elongation at the second yield. The first and second yield strengths in the MD direction showed a good linear mapping relationship with the logarithm of tensile rate （ln v）. An increase in the tensile rate could improve the yield strength of the PE film. However， the yield strength reduced the toughness of PE film after reaching a certain rate. Stress relaxation tests indicated that both the MD⁃ and TD⁃oriented films presented a rapid decrease followed by a gradual reduction in stress across a range from a low initial stretch level （10 %） to the high one （70 %）. The generalized seven⁃element Maxwell model could accurately describe the stress relaxation behavior of the PE film， which offered insights into its long⁃term stress relaxation characteristics. The quantity of stress relaxation and rate of stress decay decreased with an increase in the stretch level. This indicated a reduction in the relaxation modulus as well as a more stable modulus during the slow stress decline phase. These findings suggest that to realize the optimal silage sealing， the PE films should balance stiffness with resilience to relaxation with an ideal stretch range of 50~70 % during wrapping.

Key words: silage polyethylene film, mechanical characteristics, tensile rate, yield elongation, stress relaxation

中图分类号:

TQ325.1⁺2

高东明, 魏丹丹, 万其号. 动态加载条件下青贮PE膜的机械特性研究[J]. 中国塑料, 2025, 39(1): 48-56.

GAO Dongming, WEI Dandan, WAN Qihao. Study on mechanical properties of silage polyethylene film under dynamic loading conditions[J]. China Plastics, 2025, 39(1): 48-56.

图/表 12

材料	第一功能性母料/%	第二功能性母料 /%
JLW	7	1.1
LLDPE5400	14	12.4
PIB	5	8
JLUV	4	4
POE3020	-	2.9
JLG	-	1.6

表1 第一、第二功能性母料配方组成及含量

Tab.1 Composition and content of the first and second functional masterbatch formulations

图1 不同拉伸方向和拉伸速率下的σ⁃ε曲线

Fig.1 σ⁃ε curves for different tensile directions and tensile rate

图2 不同拉伸方向第一屈服点、第二屈服点计算示意图

Fig.2 Schematic diagram of the calculation of the first yield point and the second yield point in different tensile directions

拉伸方向	拉伸速率v/mm·min^-1	第一屈服强度σ_y1 /MPa	第二屈服强度σ_y2 /MPa	第一屈服伸长率ε_y1 /%	第二屈服伸长率ε_y2 /%
MD	5	6.064	9.507	7.876	48.833
	100	7.473	10.838	8.218	48.729
	200	8.013	11.312	7.854	47.587
	300	8.127	11.360	7.849	46.473
	400	8.481	11.618	8.102	46.979
TD	5	6.292	6.808	11.693	52.518
	100	8.556	8.379	11.984	48.892
	200	8.499	8.193	11.367	43.397
	300	8.487	8.001	11.285	43.482
	400	8.643	8.085	11.193	42.617

表2 拉伸速率对青贮PE膜屈服特性的影响

Tab.2 Effect of tensile rate on the yield characteristics of silage PE films

图3 MD方向的第一、第二屈服强度与拉伸速率对数关系拟合

Fig.3 Fitting of the first and second yield strengths in the MD direction to the logarithmic relationship of the tensile rate

图4 不同延伸率下应力⁃时间曲线

Fig.4 Stress⁃time curves at different elongation rates

方向	初始延伸率ε₀ /%	初始应力σ₀ / MPa	稳定应力σ_s / MPa	应力衰减率γ/%
MD	10	7.15	3.66	48.80
	30	8.30	4.57	44.94
	50	7.72	5.16	33.16
	70	6.94	5.25	24.35
TD	10	7.67	3.99	47.98
	30	7.15	4.59	35.80
	50	4.43	3.76	15.12
	70	3.78	3.52	6.39

表3 初始延伸率对PE膜应力衰减的影响

Tab.3 Effect of initial elongation on stress decay of PE film

图5 不同方向应力衰减率随延伸率的变化曲线

Fig.5 Variation curves of stress attenuation rate with elongation in different directions

图6 不同延伸率下ln E随ln t变化曲线

Fig.6 Variation curve of ln E with ln t at different elongation rates

方向	延伸率ε₀ /%	斜率k	截距b	决定系数R²
MD	10	-0.049 6	4.058 2	0.990 1
	30	-0.048 4	3.170 8	0.996 9
	50	-0.034 8	2.656 3	0.997 1
	70	-0.024 9	2.254 4	0.997 1
TD	10	-0.031 8	3.971 0	0.852 9
	30	-0.031 8	3.019 9	0.980 5
	50	-0.019 9	2.211 4	0.967 5
	70	-0.012 8	1.744 0	0.897 9

表4 各个延伸率下模量⁃时间对数线性拟合结果

Tab.4 Modulus⁃time logarithmic linear fitting results for each elongation rate

图7 广义七元件Maxwell模型拟合数据与试验数据的对比

Fig.7 Comparison of generalized seven⁃element Maxwell model fitted data with experimental data

方向	ε_０/%	E_e/MPa	E₁/MPa	E₂/MPa	E₃/MPa	τ₁/s	τ₂/s	τ₃/s	R²
MD	10	36.33	7.46	16.52	5.62	227.57	10.89	3 940.1	0.994
	30	15.13	5.59	2.81	2.34	10.36	232.2	3 857.1	0.997
	50	10.25	2.06	1.03	1.14	19.49	4 397.3	379.82	0.998
	70	7.53	0.54	0.88	0.48	4 296.9	25.98	472.2	0.996
TD	10	39.69	8.3	19.25	2.34	270.6	13.03	4 342.5	0.988
	30	15.24	1.28	3.74	1.9	4 119.6	16.31	324.21	0.996
	50	7.34	0.62	0.3	0.32	10 000	42.38	587.5	0.989
	70	5.04	0.21	0.08	0	5 296.8	1 335.7	1 487.0	0.967

表5 广义七元件Maxwell模型拟合参数

Tab.5 Generalized seven⁃element Maxwell model fitting parameters

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