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關於複合薄膜的熱合曲線

發布時間:2015/05/19 14:38:42  閱讀量:37 次



關於複合薄膜的熱合曲線

絕大多數的複合薄膜在被投入市場前都會被加工成各式各樣的包裝袋,因此,熱封層是各類用途的複合包裝薄膜中不可缺少的一個組成部分。

在目前的複合軟包裝材料領域,作為熱封性材料的基本構成是聚乙烯、聚丙烯類的可熱封的材料,在此基礎上,陸續出現了很多種改性材料,改性的方法有共混、共聚(無規共聚、嵌段共聚)、改變聚合工藝(如茂金屬催化劑的應用)、改變薄膜加工方法(如多層共擠)等等。

經過多種改性方法的處理之後,熱封層薄膜的各項指標都發生了很明顯的變化,例如起封溫度的可調整範圍加大了,熱封強度、拉伸強度、熱粘性、柔軟性、阻隔性能、透明度等項指標均可在較大的範圍內進行控製性調整。

但是,萬變不離其宗,熱封溫度、熱封強度仍是人們選用熱封性材料時首先要考慮的指標,因此,材料的熱封性能也就是熱封曲線仍是必須關注的最基礎的性能指標。

熱合曲線

所謂熱合曲線就是如下圖所示的曲線圖。

關於複合薄膜的熱合曲線

該曲線圖的橫軸是熱合溫度/℃,縱軸是熱合強度/(N/15mm)。

它表示了所選用的熱封性材料或複合薄膜在一定熱封溫度區間內(在某一固定的熱合壓力和熱合時間的條件下)的熱合強度的變化趨勢。

同一企業生產的同一類別但不同批次的複合薄膜的熱合曲線有可能是相同,也有可能是不同的。

不同的企業所生產的同一類別的複合薄膜的熱合曲線很有可能是不同的!

熱合加工(製袋加工或自動包裝)過程中最基本的工藝條件是熱合溫度、熱合壓力和熱合時間。三個工藝條件的綜合作用結果是熱合強度(N/15mm,有些企業的衡量指標是克/15mm或N/25mm)。

在上述熱封曲線中,顯示的是熱封溫度與熱合強度間的關係曲線,其中隱含了已被固定了的熱合壓力和熱合時間兩個參數。

根據相關試驗結果,在測定某材料的熱合曲線時,在固定熱合壓力參數的條件下,如果延長熱合時間,則上麵的曲線將整體向左移動;如縮短熱合時間,則上麵的曲線將整體向右移動。在固定熱合時間的條件下,如果提高熱合壓力,則上麵的曲線將整體向左移動;如降低熱合壓力,則上麵的曲線將整體向右移動。

熱合參數與熱合強度的關係

關於熱封參數與熱合強度之間的關係,孫智慧等人曾在2005年發表過《包裝塑料薄膜熱封參數及強度的研究》一文(孫智慧、段青山、李萌萌,哈爾濱商業大學。2005年全國農產品加工、食品和包裝工程學術研討會文集;百度文庫,wenku.baidu.com/view/614ec84c2b160b4e767fcf16),其研究的結論如下:

1. 熱封時間短、熱封溫度較低時,熱封溫度與熱封時間對熱封強度的影響顯著,否則,影響不明顯。

2. 熱封時間短時,熱封壓力對熱封強度顯著影響,其他情況下,無明顯影響。

3. 相同條件下,同種塑料薄膜厚度大,其熱封強度相對大。

4. 熱封時間短、熱封溫度低時,塑料薄膜不能達到很好地達到熔融狀態,從而造成熱封強度低,出現欠封;隨著熱封溫度的提高或熱封時間的延長,熱封強度隨之增大,達到最優值,熱封強度趨於穩定;當熱封溫度過高、熱封時間過長時,塑料薄膜會因溫度過高而熔融流動,導致薄膜表麵被燙化、熱封強度降低,同樣影響封口的強度與外觀。"

其結論中對熱合壓力和熱合時間對熱合強度的影響程度作出了充分的表述。

熱合壓力

在目前的市場上,軟包裝企業中所使用的製袋機的加工速度一般在每分鍾40個袋到150個袋之間,而下遊客戶的自動包裝機的加工速度依產品的不同,其加工速度可能在40個袋每分鍾到數百個袋每分鍾不等。

對於單個的包裝袋而言,其有效的熱封時間可能在會在500毫秒(0.5秒)到50毫秒(0.05秒)之間變化。有效的熱封時間越短則意味著生產速度越高。同時,按照孫智慧等人的結論,熱合時間越短則熱合壓力對熱合強度的影響就會越顯著!

但是,在當前的市場上,不論是熱封試驗機還是自動包裝機,其熱合溫度都是直觀、可控的,而熱合壓力和熱合時間則是可控的、但不直觀,即不能用數字來直觀地表述熱合壓力和熱合時間。

首先,國家標準中有關於熱合強度的檢測標準(QB/T 2358-1998,《塑料薄膜包裝袋熱合強度試驗方法》),但沒有關於熱合強度試驗用樣條的製備方法的標準。在GB/T 10004-2008《包裝用塑料複合膜、袋 幹法複合、擠出複合》中關於"熱合強度"的相關規定是:"按QB/T2358-1998的規定進行,膜的熱封方法、條件由供需雙方商定"。

其次,幾乎所有的製袋機、自動包裝機都不能用數字表示熱合壓力參數。這就直接導致了這樣的結果:同一批生產的複合薄膜,在不同的下遊企業中使用"相同的"工藝參數(實際上可能是相同的熱封溫度和生產速度)而得到不同的熱合強度的結果(因為熱合壓力不同!)。

另外,所有的生產熱合試驗機的企業在其產品說明書中都會對試驗時的溫度、時間、壓力給出建議的範圍,其中最模糊的概念就是壓力值,比如說,它會建議使用0.2MPa的壓力進行熱封試驗,但可能不會明確指出這個0.2MPa是試驗機上的壓力表顯示的輸出氣壓值還是熱合試驗機上的熱封棒之間的壓強值?!在某些機型上,這兩個數值之間可能會有很大的差異!!!

筆者建議:至少在使用熱合試驗機對複合薄膜的熱合性能進行評價時,應將熱合壓力值統一為熱封棒之間的壓強值!

該數值的推算方法為P表=P試S棒/S缸。

在上述公式中:

P表為熱封試驗機的壓力表所顯示的氣壓值,MPa;

P試為擬定的熱封棒之間壓強值,MPa;

S缸為熱封試驗機上的氣缸內活塞的麵積,mm2;

S棒為熱封試驗機上熱封棒的麵積,mm2。

起封溫度

所謂"起封溫度"是一部分企業所規定的、在一定的條件(熱合時間與壓力)下、當複合材料的熱合強度達到了5N/15mm時所對應的熱合溫度℃。

在利用熱合曲線對材料的熱封性能進行評價時,需要關注的有三點:

一是熱合工藝條件,二是可達到的最高的熱合強度,三是材料的起封溫度。

在前麵的熱合曲線圖中,當熱合溫度為107℃時,熱合強度為零;當熱合溫度為110℃時,熱合強度為3N/15mm;當熱合溫度為113℃時,熱合強度為19N/15mm;因此,從該曲線上可以推算出該複合薄膜的起封溫度大約為110.6℃。

起封溫度是熱封性材料的本性的一種表示,同時也與複合材料的厚度有關。複合材料越厚,則傳熱速率會相應地降低,在相同的熱合時間條件下,所需要的熱封棒的溫度就會越高。

對於相同厚度的複合包裝材料而言,熱封層材料的起封溫度越低,如果生產速度是固定,那麽所需要的熱封棒的溫度就越低,製成品的外觀可能就越好;如果熱封棒的溫度是固定的,那麽在達到相同的熱合強度的前提下,生產的速度就可以相應提高。

通常采用較低起封溫度的熱封性材料的目的都是為了提高自動包裝生產的效率!

熱合層的熔點與起封溫度

目前常用的熱封層材料如PE、PP薄膜大都是三層共擠的薄膜。其中與其他基材相貼合的一麵可稱之為複合麵或複合層,與另一PE材料相熱合的一麵可稱之為熱合麵或熱合層。

通常,從熱合層到複合層,其熔點是逐漸增高的。熔點的差值最大可達到約30℃。

下圖是一個三層共擠PE薄膜的DSC曲線(差示掃描量熱法曲線Differential Scanning Calorimetry)。

關於複合薄膜的熱合曲線

該曲線的溫度掃描範圍是80℃到150℃,在此範圍內出現了三個峰,其對應的熔點值分別為98.5℃、114℃和119.5℃。這三個熔點值分別對應著該PE薄膜的熱合層、中間層和複合層。

在正常情況下,當兩個複合膜被熱合到一起時,應當隻是熱封層PE薄膜中的熱合層被熔化;此時,可獲得最好的製袋成品外觀。

如果熱合條件過於強烈,則會發生熱封層的中間層被熔化、甚至複合層也被熔化的狀況,同時,在熱合壓力的作用下,熔化了的熱封層材料會不同程度地被從熱合部位擠走,導致發生各種外觀不良的現象。

複合薄膜的起封溫度通常高於熱合層的熔點。

這種差異是由於受到了複合用基材本身的導熱性及複合膜的厚度的影響,還與熱合時的壓強和熱合時間有密切的關係。對於不同的複合薄膜,這種差異可能會在10~25℃之間。

通過測量複合薄膜的起封溫度值,可對熱合層材料的熔點作出大致的判斷。如果事先測得了熱合層材料的熔點,也可以對起封溫度作出大致的判斷。

如果已知熱合材料的熔點,但在相應的起封溫度下未能獲得所需的熱合強度,則需從熱合壓力和/或熱合時間上去查找原因,也可以適當地提高熱合溫度。

如何利用熱合曲線

根據孫智慧等人的結論:"熱封時間短、熱封溫度低時,塑料薄膜不能達到很好地達到熔融狀態,從而造成熱封強度低,出現欠封;隨著熱封溫度的提高或熱封時間的延長,熱封強度隨之增大,達到最優值,熱封強度趨於穩定;當熱封溫度過高、熱封時間過長時,塑料薄膜會因溫度過高而熔融流動,導致薄膜表麵被燙化、熱封強度降低",筆者模擬地描繪了如下圖的可熱封材料的熱封曲線。

關於複合薄膜的熱合曲線

該曲線表示任何一種可熱封材料的熱合強滾輪熱封包裝ABC(八)度都存在一個上升段oa、平穩段ab和下降段bc,而且,對於某種特定的可熱封材料其從上升段oa至下降段bc的溫度區間都是不一樣的,有的材料可能是從90℃到160℃,有的材料則可能是從130℃到200℃。

因此,軟包裝材料加工企業手中至少應當有兩套熱合曲線的數據,一套是所謂的"標準條件"下的熱合曲線數據,例如熱封時間為1秒、熱封壓力為0.2MPa(熱封棒之間的壓強值),另一套為模擬下遊客戶的實際應用條件的熱合曲線數據,例如下遊客戶的生產速度為100包每分鍾,則可將熱合時間初定為0.2秒,熱合壓力暫定為0.2MPa(熱封棒之間的壓強值)。

"標準的"熱合曲線用於對自己提供的不同批次的包裝材料以及競爭對手提供的同類包裝材料進行比較與評價。

"模擬的"熱封曲線用於給下遊客戶提供基礎的生產工藝參數的建議(利用處於"平穩段"的熱合溫度-熱合強度數據)。同時,還可以根據下遊客戶所反饋的實際生產溫度及相應的熱合強度或狀態的數據或結果,對下遊客戶所使用的自動包裝機的熱合壓力狀態作出大致的判斷(大於或小於熱合試驗機的壓力),進而對熱合溫度作出適當的調整(降低或提高熱合溫度,在相同的運行速度條件下)。

例如,某客戶的某機台正在使用A廠提供的包材進行正常的生產,此時,被要求換用B廠的同類包材。經開機運行,發現用B廠的包材所加工出來的滾輪熱封製品出現了熱封層被擠出、鋁箔層與熱封層間發生分離的現象。在此情況下,通常可認為其原因是B廠的包材的熱封層的熔點明顯低於A廠的包材的熱封層的熔點,在"相同"的熱封條件下,B廠的熱封層材料被熔融後、部分地被從封口處"擠走"了。相應的對策應當是:

1、根據B廠的熱合曲線數據判斷現行的熱合溫度是否處於合理區間內?

2、如果判斷現行的熱合溫度是處於合理區間內的,則應在保持加工速度不變的前提下適當地降低熱合壓力!

3、如果判斷現行的熱合溫度不是處於合理區間內的,則應在保持加工速度不變的前提下適當地降低熱合溫度!

在進行上述試驗或調整時,必須注意的是設備運行速度應當固定或穩定,因為設備運行速度直接會影響熱合時間參數!運行速度低於正常速度意味著熱合時間變長了!如運行速度快於正常速度則意味著熱合時間變短了。

有時,某些客戶不允許包材企業的技術人員對其自動包裝機的工藝參數作任何調整,僅要求任何包材企業提供的包材都必須適用於該客戶現行的工藝條件!在這種情況下,包材企業的人員應當收集客戶正在正常使用的包材的樣品,在企業內部對比檢測自有的和采集來的樣品的熱合曲線和其他相關力學指標,檢討其差距,然後采取相應的措施。

作為複合軟包裝材料的應用者(藥廠、食品廠等)則應該利用軟包裝材料生產企業提供的、或自行測得的熱合曲線對同一供貨商提供的不同批次的、或不同供應商提供的同類複合包裝材料的熱合性能進行評價,進而指導、調整自身的生產工藝條件,以保證自身的生產的順利進行。

                   


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