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PA/LDPE復合膜包裝的熱封性與熱粘性研究
摘要：PA/LDPE復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備，固定熱封壓力及熱封時間（或稱為密封時間），結(jié)合熱封區(qū)域形態(tài)是否良好，選取可達到最佳熱粘強度及熱封強度的熱封溫度（或稱為密封溫度）。由此，為該復合膜或采用LDPE作為熱封層的復合膜使用企業(yè)在包裝過程中提供可參考的依據(jù)。
關鍵詞： PA/LDPE復合膜 ,熱封溫度 ,熱封性 ,熱粘性
劉東芳1 于佳佳2 陳欣2
(1. 國家包裝產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，濟南 250102；2. 濟南蘭光機電技術有限公司，濟南 250031)
在食品及醫(yī)療器械行業(yè)，PA/LDPE復合膜是較為常見的包裝用薄膜，因為PA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 合膜在應用過程中，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 合膜包裝作為研究對象，試驗研究其熱封性及熱粘性最優(yōu)參數(shù)，采用相關拉力試驗機進行測試。通過固定延遲時間，測試試樣在不同溫度下的熱粘強度，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，通過固定熱封壓力、持續(xù)時間這兩個熱封參數(shù)，在不同熱封溫度下熱封試樣，測試熱封強度，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作為熱封層的復合膜使用企業(yè)提供一定的生產(chǎn)參考。
1. 試驗
1.1 試驗設備
HTT-L1 熱粘拉力試驗機：濟南蘭光機電技術有限公司生產(chǎn)，密封溫度范圍為室溫 ~ 250 ℃，密封時間及熱粘時間均為0.1 s ~ 999.9 s，密封壓力為0.05 MPa ~ 0.7 MPa，試驗速度為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、復合膜等包裝材料的熱粘性能的測試。同時也適用于膠粘劑、膠粘帶、不干膠、膠黏復合品、復合膜、塑料薄膜、紙張等軟質(zhì)材料進行剝離、拉斷等項目的試驗。
HST-H3 熱封試驗儀：濟南蘭光機電技術有限公司生產(chǎn)，熱封溫度范圍為室溫 ~ 300 ℃，熱封時間為0.1 s ~ 999.9 s，熱封壓力為0.05 MPa ~ 0.7 MPa，該設備基于熱壓封口測試方法，可用于測定各種熱封復合膜的熱封溫度、熱封時間以及熱封壓力等關鍵參數(shù)。
XLW(EC) 智能電子拉力試驗機：濟南蘭光機電技術有限公司生產(chǎn)，行程最大為950 mm，試驗速度為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 試驗步驟
本試驗采用常見的PA/LDPE復合膜作為驗證材料，測試其熱粘強度與熱封強度。
在驗證材料表面隨機選取10個位置點，測量其厚度，測量結(jié)果見表1。
(1) 熱粘性參數(shù)選擇
沿驗證材料的縱向方向隨機裁制寬15 mm，長35 cm的試樣45條。設置儀器的密封持續(xù)時間為1 s，設置儀器的密封壓力為29 N/cm2，設置儀器的延遲時間為100 ms，夾具的分離速度設置為1500 mm/min(儀器設備固定值)。設置起始密封溫度為125 ℃，將試樣的密封面向上，夾持在熱粘拉力試驗儀上，進行熱粘強度的測試，做5次平行試驗。隨后每隔2.5 ℃做一組試驗，直至152.5 ℃熱粘強度明顯下降時為止，每個密封溫度均做5次平行試驗。
(2) 熱封參數(shù)選擇
沿材料的縱向方向隨機裁制長15 cm、寬7.5 cm的試樣44片。在熱封試驗儀上設置持續(xù)時間為1 s，在熱封試驗儀上設置熱封壓力為290 kPa，設置初始熱封溫度為95 ℃，隨機取出2片試樣疊放，熱封面相對，熱封刀平行于試樣的橫向進行熱封。隨后每升高5 ℃，按照上述方法對隨機抽取的試樣進行熱封，直至熱封溫度為200 ℃試樣嚴重變形為止。沿試樣的縱向方向，分別將每個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，分別測試每個溫度下試樣條的熱封強度，拉力試驗機的夾具初始間距設置為5 cm，移動速度設置為300 mm/min。
2. 結(jié)果與討論
2.1 最佳熱粘強度下熱封參數(shù)的選擇
各溫度下的試驗結(jié)果如表2所示。
表2 不同溫度下試樣的熱粘強度
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，熱粘強度降低。為了確保試樣具有足夠的熱粘強度，試樣的密封溫度應控制在135 ℃ ~ 140 ℃之間。
由于PA/LDPE材料厚度及剝離強度的不均勻性，導致試樣在同樣的密封溫度下熱粘強度存在一定偏差，但該偏差仍處于規(guī)定范圍內(nèi)。從試驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，當試樣的密封溫度低于132.5 ℃時，發(fā)生粘合劑破壞，密封區(qū)完全剝開，密封溫度為135 ℃ ~ 142.5 ℃時，發(fā)生分層破壞，密封區(qū)完全剝開，密封溫度145 ℃ ~ 147.5 ℃時，發(fā)生分層破壞和部分內(nèi)聚性破壞，密封區(qū)完全分開，密封溫度150 ℃ ~ 152.5 ℃時，發(fā)生內(nèi)聚性破壞，密封區(qū)未完全剝開。因此，為了防止熱態(tài)密封區(qū)在包裝過程中發(fā)生破壞，材料的密封溫度應大于132.5 ℃。綜合上述分析可知，驗證材料PA/LDPE的最佳密封溫度范圍為135 ℃ ~ 145 ℃。
2.2 最佳熱封強度下熱封參數(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 ℃時熱封邊出現(xiàn)明顯變形，200 ℃時熱封邊皺縮變形嚴重。因此，從包裝的美觀角度出發(fā)，熱封溫度應控制在155 ℃以下。
測 試熱封強度后，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逐漸演變?yōu)闊岱饨缑娌糠謩冮_、試樣拉伸后遠離熱封處斷裂、試樣拉伸后熱封根部斷 裂。當破壞形式為熱封根部斷裂時，在包裝的儲存、運輸過程中，熱封口處易發(fā)生破袋，由一系列試驗現(xiàn)象可知，材料的熱封溫度應控制在200 ℃以下。
試驗測得不同溫度下試樣的熱封強度數(shù)據(jù)如表3中所示。
圖2 熱封曲線圖
分析表3和圖2中的試驗數(shù)據(jù)可知，熱封溫度在95 ℃ ~ 135 ℃范圍內(nèi)時，隨著熱封溫度的升高，試樣的熱封強度呈上升趨勢，當熱封溫度超過135 ℃時，隨著熱封溫度的升高，熱封強度變化幅度較小，出現(xiàn)波動。因此，為了保證材料具有足夠的熱封強度，應將熱封溫度控制在135 ℃以上。
另外，同一溫度下試樣的熱封強度存在一定偏差，但仍處于規(guī)定范圍內(nèi)，試樣厚度的波動是造成熱封強度存在偏差的原因之一。綜合上述分析可知，驗證材料PA/LDPE的最佳熱封溫度范圍為135 ℃ ~ 150 ℃。
3. 結(jié)論
為獲得PA/LDPE良好的熱粘強度和熱封強度，在熱封設備穩(wěn)定的情況下，熱封試驗儀上設置持續(xù)時間為1 s，熱封壓力為290 kPa（即29 N/cm2），經(jīng)過系列試驗選擇出最佳的熱封范圍為135 ~ 145 ℃。較低或較高的熱封溫度會引起熱粘強度或熱封強度數(shù)值異常，熱封區(qū)開口或根部斷裂，導致包裝破裂。從上述試驗數(shù)據(jù)及現(xiàn)象可知，該研究可得到穩(wěn)定而連續(xù)的試驗結(jié)果，試驗數(shù)據(jù)可靠，重復性好，可真實反映試樣的熱粘性能和熱封性能。
江蘇申凱包裝高新技術股份有限公司成立于2002年，公司注冊資本8000萬RMB，天交所上市企業(yè),，股權代碼000057，高新技術企業(yè)，公司總投資超過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100多個專利，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合包裝膜（袋）。現(xiàn)位于無錫新區(qū)碩放中通路99號，毗鄰上海車程2小時內(nèi)。
