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PA/LDPE復(fù)合膜包裝的熱封性與熱粘性研究
摘要：PA/LDPE復(fù)合膜在熱封過(guò)程中常出現(xiàn)熱封不良的質(zhì)量問(wèn)題，本研究針對(duì)該問(wèn)題采用多款熱封及拉力測(cè)試設(shè)備，固定熱封壓力及熱封時(shí)間（或稱為密封時(shí)間），結(jié)合熱封區(qū)域形態(tài)是否良好，選取可達(dá)到最佳熱粘強(qiáng)度及熱封強(qiáng)度的熱封溫度（或稱為密封溫度）。由此，為該復(fù)合膜或采用LDPE作為熱封層的復(fù)合膜使用企業(yè)在包裝過(guò)程中提供可參考的依據(jù)。
關(guān)鍵詞： PA/LDPE復(fù)合膜 ,熱封溫度 ,熱封性 ,熱粘性
劉東芳1 于佳佳2 陳欣2
(1. 國(guó)家包裝產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，濟(jì)南 250102；2. 濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司，濟(jì)南 250031)
在食品及醫(yī)療器械行業(yè)，PA/LDPE復(fù)合膜是較為常見(jiàn)的包裝用薄膜，因?yàn)镻A具有較好的韌性及阻隔性，LDPE具有優(yōu)良的熱封性[1-2]。但是PA/LDPE復(fù) 合膜在應(yīng)用過(guò)程中，卻經(jīng)常出現(xiàn)熱封過(guò)度或其他熱封不良的現(xiàn)象，甚至在包裝線上出現(xiàn)熱粘性較差的包裝，導(dǎo)致包裝內(nèi)容物變質(zhì)或泄露等質(zhì)量問(wèn)題。上述問(wèn)題大部分 是由熱封溫度、熱封時(shí)間或壓力不合適引起，多數(shù)企業(yè)不了解所使用包材的熱封及熱粘性，甚至不知道所使用的包材材質(zhì)，盲目的選擇熱封溫度等工藝參數(shù)，導(dǎo)致熱 封過(guò)度等問(wèn)題[3-5]。針對(duì)上述問(wèn)題，我們選擇常用的PA/LDPE復(fù) 合膜包裝作為研究對(duì)象，試驗(yàn)研究其熱封性及熱粘性最優(yōu)參數(shù)，采用相關(guān)拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)固定延遲時(shí)間，測(cè)試試樣在不同溫度下的熱粘強(qiáng)度，并繪制熱粘 曲線，從而得到具有良好熱粘性試樣的最佳密封溫度范圍。另外，通過(guò)固定熱封壓力、持續(xù)時(shí)間這兩個(gè)熱封參數(shù)，在不同熱封溫度下熱封試樣，測(cè)試熱封強(qiáng)度，繪制 熱封曲線，確定PA/LDPE在良好熱封性能下的最佳熱封溫度范圍。上述研究可為采用LDPE作為熱封層的復(fù)合膜使用企業(yè)提供一定的生產(chǎn)參考。
1. 試驗(yàn)
1.1 試驗(yàn)設(shè)備
HTT-L1 熱粘拉力試驗(yàn)機(jī)：濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司生產(chǎn)，密封溫度范圍為室溫 ~ 250 ℃，密封時(shí)間及熱粘時(shí)間均為0.1 s ~ 999.9 s，密封壓力為0.05 MPa ~ 0.7 MPa，試驗(yàn)速度為100、150、200、300、500、hot tack六檔可選，力值量程為0 N ~ 200 N，0 N ~ 30 N，0 N ~ 50 N，0 N ~ 100 N四檔可選。適用于塑料薄膜、復(fù)合膜等包裝材料的熱粘性能的測(cè)試。同時(shí)也適用于膠粘劑、膠粘帶、不干膠、膠黏復(fù)合品、復(fù)合膜、塑料薄膜、紙張等軟質(zhì)材料進(jìn)行剝離、拉斷等項(xiàng)目的試驗(yàn)。
HST-H3 熱封試驗(yàn)儀：濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司生產(chǎn)，熱封溫度范圍為室溫 ~ 300 ℃，熱封時(shí)間為0.1 s ~ 999.9 s，熱封壓力為0.05 MPa ~ 0.7 MPa，該設(shè)備基于熱壓封口測(cè)試方法，可用于測(cè)定各種熱封復(fù)合膜的熱封溫度、熱封時(shí)間以及熱封壓力等關(guān)鍵參數(shù)。
XLW(EC) 智能電子拉力試驗(yàn)機(jī)：濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司生產(chǎn)，行程最大為950 mm，試驗(yàn)速度為50、100、150、200、250、300、500七檔可選，力值量程為0 N ~ 500 N，0 N ~ 50 N兩檔可選。適用于塑料薄膜、復(fù)合材料、軟質(zhì)包裝材料、塑料軟管、膠粘劑、膠粘帶、金屬箔、隔膜、背板材料、無(wú)紡布、橡膠、紙張等產(chǎn)品的拉伸、剝離、變形、撕裂、熱封、粘合、穿刺力、開(kāi)啟力、低速解卷力、撥開(kāi)力等性能測(cè)試。
1.2 試驗(yàn)步驟
本試驗(yàn)采用常見(jiàn)的PA/LDPE復(fù)合膜作為驗(yàn)證材料，測(cè)試其熱粘強(qiáng)度與熱封強(qiáng)度。
在驗(yàn)證材料表面隨機(jī)選取10個(gè)位置點(diǎn)，測(cè)量其厚度，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。
(1) 熱粘性參數(shù)選擇
沿驗(yàn)證材料的縱向方向隨機(jī)裁制寬15 mm，長(zhǎng)35 cm的試樣45條。設(shè)置儀器的密封持續(xù)時(shí)間為1 s，設(shè)置儀器的密封壓力為29 N/cm2，設(shè)置儀器的延遲時(shí)間為100 ms，夾具的分離速度設(shè)置為1500 mm/min(儀器設(shè)備固定值)。設(shè)置起始密封溫度為125 ℃，將試樣的密封面向上，夾持在熱粘拉力試驗(yàn)儀上，進(jìn)行熱粘強(qiáng)度的測(cè)試，做5次平行試驗(yàn)。隨后每隔2.5 ℃做一組試驗(yàn)，直至152.5 ℃熱粘強(qiáng)度明顯下降時(shí)為止，每個(gè)密封溫度均做5次平行試驗(yàn)。
(2) 熱封參數(shù)選擇
沿材料的縱向方向隨機(jī)裁制長(zhǎng)15 cm、寬7.5 cm的試樣44片。在熱封試驗(yàn)儀上設(shè)置持續(xù)時(shí)間為1 s，在熱封試驗(yàn)儀上設(shè)置熱封壓力為290 kPa，設(shè)置初始熱封溫度為95 ℃，隨機(jī)取出2片試樣疊放，熱封面相對(duì)，熱封刀平行于試樣的橫向進(jìn)行熱封。隨后每升高5 ℃，按照上述方法對(duì)隨機(jī)抽取的試樣進(jìn)行熱封，直至熱封溫度為200 ℃試樣嚴(yán)重變形為止。沿試樣的縱向方向，分別將每個(gè)熱封后的試樣裁剪成寬15 mm的試樣條5條。
將試樣條放在(23±2) ℃，相對(duì)濕度(50±5) %條件下調(diào)節(jié)至少24 h后，分別測(cè)試每個(gè)溫度下試樣條的熱封強(qiáng)度，拉力試驗(yàn)機(jī)的夾具初始間距設(shè)置為5 cm，移動(dòng)速度設(shè)置為300 mm/min。
2. 結(jié)果與討論
2.1 最佳熱粘強(qiáng)度下熱封參數(shù)的選擇
各溫度下的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
表2 不同溫度下試樣的熱粘強(qiáng)度
圖1 熱粘曲線圖
上述表2及圖1中的數(shù)據(jù)顯示，在125 ℃ ~ 138.5 ℃溫度范圍內(nèi)，熱粘強(qiáng)度隨著密封溫度的增加而增加，溫度超過(guò)138.5 ℃后，繼續(xù)增加密封溫度，熱粘強(qiáng)度降低。為了確保試樣具有足夠的熱粘強(qiáng)度，試樣的密封溫度應(yīng)控制在135 ℃ ~ 140 ℃之間。
由于PA/LDPE材料厚度及剝離強(qiáng)度的不均勻性，導(dǎo)致試樣在同樣的密封溫度下熱粘強(qiáng)度存在一定偏差，但該偏差仍處于規(guī)定范圍內(nèi)。從試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試樣的密封溫度低于132.5 ℃時(shí)，發(fā)生粘合劑破壞，密封區(qū)完全剝開(kāi)，密封溫度為135 ℃ ~ 142.5 ℃時(shí)，發(fā)生分層破壞，密封區(qū)完全剝開(kāi)，密封溫度145 ℃ ~ 147.5 ℃時(shí)，發(fā)生分層破壞和部分內(nèi)聚性破壞，密封區(qū)完全分開(kāi)，密封溫度150 ℃ ~ 152.5 ℃時(shí)，發(fā)生內(nèi)聚性破壞，密封區(qū)未完全剝開(kāi)。因此，為了防止熱態(tài)密封區(qū)在包裝過(guò)程中發(fā)生破壞，材料的密封溫度應(yīng)大于132.5 ℃。綜合上述分析可知，驗(yàn)證材料PA/LDPE的最佳密封溫度范圍為135 ℃ ~ 145 ℃。
2.2 最佳熱封強(qiáng)度下熱封參數(shù)的選擇
從熱封后熱封區(qū)形態(tài)可以看出，隨著熱封溫度的升高，試樣熱封區(qū)的平整性逐漸變差，到155 ℃時(shí)熱封邊出現(xiàn)明顯變形，200 ℃時(shí)熱封邊皺縮變形嚴(yán)重。因此，從包裝的美觀角度出發(fā)，熱封溫度應(yīng)控制在155 ℃以下。
測(cè) 試熱封強(qiáng)度后，隨著熱封溫度的增加，熱封區(qū)的破壞形式由熱封界面完全剝開(kāi)逐漸演變?yōu)闊岱饨缑娌糠謩冮_(kāi)、試樣拉伸后遠(yuǎn)離熱封處斷裂、試樣拉伸后熱封根部斷 裂。當(dāng)破壞形式為熱封根部斷裂時(shí)，在包裝的儲(chǔ)存、運(yùn)輸過(guò)程中，熱封口處易發(fā)生破袋，由一系列試驗(yàn)現(xiàn)象可知，材料的熱封溫度應(yīng)控制在200 ℃以下。
試驗(yàn)測(cè)得不同溫度下試樣的熱封強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表3中所示。
圖2 熱封曲線圖
分析表3和圖2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，熱封溫度在95 ℃ ~ 135 ℃范圍內(nèi)時(shí)，隨著熱封溫度的升高，試樣的熱封強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，當(dāng)熱封溫度超過(guò)135 ℃時(shí)，隨著熱封溫度的升高，熱封強(qiáng)度變化幅度較小，出現(xiàn)波動(dòng)。因此，為了保證材料具有足夠的熱封強(qiáng)度，應(yīng)將熱封溫度控制在135 ℃以上。
另外，同一溫度下試樣的熱封強(qiáng)度存在一定偏差，但仍處于規(guī)定范圍內(nèi)，試樣厚度的波動(dòng)是造成熱封強(qiáng)度存在偏差的原因之一。綜合上述分析可知，驗(yàn)證材料PA/LDPE的最佳熱封溫度范圍為135 ℃ ~ 150 ℃。
3. 結(jié)論
為獲得PA/LDPE良好的熱粘強(qiáng)度和熱封強(qiáng)度，在熱封設(shè)備穩(wěn)定的情況下，熱封試驗(yàn)儀上設(shè)置持續(xù)時(shí)間為1 s，熱封壓力為290 kPa（即29 N/cm2），經(jīng)過(guò)系列試驗(yàn)選擇出最佳的熱封范圍為135 ~ 145 ℃。較低或較高的熱封溫度會(huì)引起熱粘強(qiáng)度或熱封強(qiáng)度數(shù)值異常，熱封區(qū)開(kāi)口或根部斷裂，導(dǎo)致包裝破裂。從上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)象可知，該研究可得到穩(wěn)定而連續(xù)的試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠，重復(fù)性好，可真實(shí)反映試樣的熱粘性能和熱封性能。
江蘇申凱包裝高新技術(shù)股份有限公司成立于2002年，公司注冊(cè)資本8000萬(wàn)RMB，天交所上市企業(yè),，股權(quán)代碼000057，高新技術(shù)企業(yè)，公司總投資超過(guò)2.1億RMB，擁有20000余平方米普包廠區(qū)；擁有13000平方米的藥包廠區(qū)， 11000平方米的辦公面積。公司擁有二位行業(yè)頂尖研發(fā)博士，每年新增超過(guò)100多個(gè)專利，專業(yè)生產(chǎn)食品包裝膜（袋）、藥用包裝膜（袋）、化工包裝膜（袋）、電子監(jiān)管碼防偽包裝等各類彩印復(fù)合包裝膜（袋）?，F(xiàn)位于無(wú)錫新區(qū)碩放中通路99號(hào)，毗鄰上海車程2小時(shí)內(nèi)。
