摘要：PA/LDPE復(fù)合膜在熱封過程中常出現(xiàn)熱封不良的質(zhì)量問題，本研究針對該問題采用多款熱封及拉力測試設(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*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
在食品及器械行業(yè)，PA/LDPE復(fù)合膜是較為常見的包裝用薄膜，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)用過程中，卻經(jīng)常出現(xiàn)熱封過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)量問題。上述問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)致熱封過度等問題[3-5]。針對上述問題，我們選擇常用的PA/LDPE復(fù)合膜包裝作為研究對象，試驗(yàn)研究其熱封性及熱粘性*參數(shù)，采用相關(guān)拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試。通過固定延遲時(shí)間，測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*密封溫度范圍。另外，通過固定熱封壓力、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*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)儀：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)備基于熱壓封口測試方法，可用于測定各種熱封復(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zui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、開啟力、低速解卷力、撥開力等性能測試。
1.2 試驗(yàn)步驟
本試驗(yàn)采用常見的PA/LDPE復(fù)合膜作為驗(yàn)證材料，測試其熱粘強(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)，測量其厚度，測量結(jié)果見表1。
表1 驗(yàn)證材料厚度
測試次數(shù) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 平均值 |
厚度(μm) | 97.3 | 98.0 | 97.9 | 98.2 | 98.0 | 98.4 | 99.2 | 99.4 | 98.9 | 99.1 | 98.4 |
(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，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) ℃，相對濕度(50±5) %條件下調(diào)節(jié)至少24 h后，分別測試每個(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，移動速度設(shè)置為300 mm/min。
2. 結(jié)果與討論
2.1 *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
試驗(yàn)溫度 (℃) | 熱粘強(qiáng)度(N/15mm) |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 平均值 | 標(biāo)準(zhǔn)偏差 |
125 | 0.60 | 0.75 | 0.60 | 0.90 | 0.75 | 0.72 | 0.13 |
127.5 | 1.80 | 2.10 | 1.65 | 1.65 | 1.95 | 1.83 | 0.20 |
130 | 2.85 | 3.00 | 2.85 | 2.85 | 2.85 | 2.88 | 0.067 |
132.5 | 3.30 | 3.30 | 3.60 | 3.45 | 3.45 | 3.42 | 0.13 |
135 | 4.20 | 4.05 | 4.65 | 4.35 | 4.20 | 4.29 | 0.23 |
137.5 | 4.65 | 4.65 | 5.10 | 4.65 | 4.65 | 4.74 | 0.20 |
138.5 | 4.95 | 4.95 | 4.80 | 4.50 | 4.65 | 4.77 | 0.20 |
140 | 4.05 | 4.20 | 4.65 | 3.90 | 4.20 | 4.20 | 0.28 |
142.5 | 4.05 | 4.05 | 4.20 | 4.20 | 4.35 | 4.17 | 0.13 |
145 | 3.75 | 3.60 | 3.45 | 3.90 | 3.15 | 3.57 | 0.29 |
147.5 | 1.65 | 1.65 | 1.65 | 1.65 | 1.50 | 1.62 | 0.070 |
150 | 1.20 | 1.80 | 1.80 | 1.65 | 1.20 | 1.53 | 0.31 |
152.5 | 1.35 | 1.50 | 1.50 | 1.50 | 1.20 | 1.41 | 0.13 |
根據(jù)表2中數(shù)據(jù)，繪制試樣的熱粘曲線如圖1所示。
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)*剝開，密封溫度為135 ℃ ~ 142.5 ℃時(shí)，發(fā)生分層破壞，密封區(qū)*剝開，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)*分開，密封溫度150 ℃ ~ 152.5 ℃時(shí)，發(fā)生內(nèi)聚性破壞，密封區(qū)未*剝開。因此，為了防止熱態(tài)密封區(qū)在包裝過程中發(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*密封溫度范圍為135 ℃ ~ 145 ℃。
2.2 *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*剝開逐漸演變?yōu)闊岱饨缑娌糠謩冮_、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)，在包裝的儲存、運(yùn)輸過程中，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)測得不同溫度下試樣的熱封強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表3中所示。
表3 不同溫度下的熱封強(qiáng)度
試驗(yàn)溫度 (℃) | 熱封強(qiáng)度(N/15mm) |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 平均值 | 標(biāo)準(zhǔn)偏差 |
95 | 0.039 | 0.042 | 0.037 | 0.038 | 0.04 | 0.039 | 0.0019 |
100 | 0.089 | 0.08 | 0.089 | 0.083 | 0.084 | 0.085 | 0.0039 |
105 | 0.12 | 0.12 | 0.12 | 0.13 | 0.12 | 0.12 | 0.0045 |
110 | 0.23 | 0.21 | 0.21 | 0.21 | 0.24 | 0.22 | 0.014 |
115 | 0.44 | 0.39 | 0.44 | 0.42 | 0.48 | 0.43 | 0.033 |
120 | 3.92 | 4.16 | 4.06 | 3.83 | 3.95 | 3.98 | 0.13 |
125 | 17.99 | 20.01 | 17.58 | 19.97 | 20.47 | 19.20 | 1.32 |
130 | 47.58 | 47.52 | 47.92 | 47.33 | 47.43 | 47.56 | 0.22 |
135 | 65.86 | 67.87 | 67.15 | 63.83 | 67.75 | 66.49 | 1.69 |
140 | 63.73 | 62.63 | 61.15 | 63.98 | 62.65 | 62.83 | 1.12 |
145 | 68.73 | 65.47 | 66.33 | 68.26 | 67.21 | 67.20 | 1.34 |
150 | 56.06 | 54.94 | 54.12 | 53.20 | 55.48 | 54.76 | 1.13 |
155 | 61.72 | 62.84 | 59.54 | 62.36 | 59.44 | 61.18 | 1.59 |
160 | 57.07 | 58.58 | 58.36 | 58.26 | 59.96 | 58.45 | 1.03 |
165 | 63.66 | 60.76 | 59.33 | 60.65 | 59.64 | 60.81 | 1.71 |
170 | 74.58 | 75.50 | 78.82 | 78.36 | 76.98 | 76.85 | 1.81 |
175 | 78.46 | 75.96 | 77.06 | 78.38 | 76.87 | 77.35 | 1.07 |
180 | 73.38 | 71.36 | 70.73 | 74.09 | 72.19 | 72.35 | 1.39 |
185 | 61.06 | 63.99 | 64.34 | 64.59 | 65.59 | 63.91 | 1.70 |
190 | 69.20 | 69.23 | 69.07 | 73.24 | 71.56 | 70.46 | 1.87 |
195 | 65.20 | 69.05 | 66.97 | 64.35 | 65.62 | 66.24 | 1.83 |
200 | 63.72 | 62.25 | 59.61 | 60.21 | 63.70 | 61.90 | 1.92 |
根據(jù)表3中數(shù)據(jù)繪制熱封曲線如圖2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，當(dāng)熱封溫度超過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。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*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)過系列試驗(yàn)選擇出*的熱封范圍為135 ~ 145 ℃。較低或較高的熱封溫度會引起熱粘強(qiáng)度或熱封強(qiáng)度數(shù)值異常，熱封區(qū)開口或根部斷裂，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。
