【经验】探讨包装复合膜热封强度
文摘
2024-08-17 08:08
广东
作者： 王东京
本文已刊于《包装前沿》2020年9月刊，第五期
复合膜作为软包装材料，无论是制袋还是作为卷膜使用，热封强度值必须达到标准要求，以便在密封、抗压、抗机械冲击、水煮、蒸煮等方面为包装内容物提供安全防护。热封强度是复合膜非常重要的一项物性指标，是制袋过程中的关键控制点，也是包装材料生产者和使用者引发争议的一个主要问题点。复合强度作为软包装行业内人员常讨论和关注的焦点，也许大家已经总结了一套有效的控制方案，现根据生产实践经验，再探讨一下影响热封强度的因素，为复合膜使用过程中稳定包装制品质量、降低和消除因热封强度异常带来的各种潜在风险提供一些参考意见。热封强度也称热合强度、贴合强度、封合强度和封口强度等，是复合膜的内层材料通过加热、加压的方式把熔融的材料贴合在一起，冷却到常温后，贴合处有一定的牢固度，这个贴合牢固程度就是热封强度。按规定的取样和测试方法，可以得出样品的具体数值，也就是热封强度值。热封强度标准可参考下面两个国标：GB/T10004-2008 《包装用塑料复合膜、袋干法复合、挤出复合》和GB/T21302-2007《包装用复合膜、袋通则》。在GB/T21302-2007《包装用复合膜、袋通则中》，对热封强度的等级有如下要求热封强度测试方法参考QB/T2358-1998《塑料薄膜包装袋热合强度试验方法》，这里不再阐述。一般来说，供需双方会依据国标，按不同的材料结构、厚度、包装袋形、使用条件等确定具体的热封强度标准，这个标准通常接近或高于国标，是复合膜、袋生产过程中严格控制的依据。热封后的包装材料包括制袋品，充填内容物后有抗压性、抗跌落、抗撕裂、抗冲击、耐水煮蒸煮、耐渗透、封边耐老化等指标要求，上述指标均和热封强度有一定关联性。尽管这些项目有时也和复合膜本身的柔韧性、抗拉伸性以及抗冲击性有关，但是在保障上述项目方面，热封强度往往能起到关键作用，所以热封强度作为包装膜、袋生产时的基础管控项目，需要足够重视。制袋品因热封强度不足（包括因热封过强带来的脆断）造成抗压值、抗跌落、耐渗透等不合格的现象屡见不鲜，足以证明制袋热封强度关联项目的复杂性。如最常见的包装袋抗压性不良，达不到抗压值标准，绝大部分原因是热封边封合强度低造成开裂或沿热封边直接脆断，这种情况是致命的质量问题，会造成包装袋批量报废。在复合膜热封过程中，其他条件不变，温度、压力和时间是影响热封强度的三要素，它们之间的逻辑关系是：为达到标准以上稳定的热封强度，三个变量可以同时调整，也可以调整其中的一个或两个；三者到达一定平衡后，在取得稳定热封强度的情况下，随着温度和压力的适当提升可以缩短封合时间（即提升封合速度），也可以在压力不变的情况下，适当提升温度和速度。温度达到一定值可以使热封层熔化，熔化后的材料具有可粘合的性能。因有机高分子聚合物没有固定的熔点，当加热到材料熔融区域时，热封膜会处于熔融状态。热封膜的起熔温度及分解温度是热封温度的下限和上限，热封温度一般不能超出这个范围，当然，这个温度条件和热封压力、时间也具有关联性，在制袋加工过程中这个范围并不是绝对的。压力的作用是使已处于熔融状态的薄膜界面间产生有效的高分子链相互渗透、扩散、交联，使树脂高分子间距离接近到可以产生分子间作用力。压力过低，会造成热封不牢，压力过高，会使熔融的部分有效链被挤出，粘合厚度不足，形成热封部位类似切断状态，造成强度减弱。热封时间指薄膜停留在烫刀下的时间，延长热封时间，一是可以增大热量的传递，让热封层充分达到烫刀的设定温度，材料充分熔融后，更便于封合，另外，随着外力作用时间的增加也有助于高分子链产生粘性流动，相互交联，达到封合要求。综上所述，影响复合膜热封强度的“三要素”是相互关联的，缺一不可，达到封合条件后，它们能单独起作用，也可综合起作用。在通常的情况下，这三个要素配合不当，会造成热封不充分、封合强度值偏低的问题，有时也会有热封过度的情况，引起热封边沿脆断，造成强度值不合格。复合膜热封时要通过上机试验或以往经验来确定这三个参数，它们是热封工艺参数管理的重点。同种材料因厚度不同，同样热封条件下，热封强度会有明显的不同。正常情况下，复合膜越厚，特别是热封层越厚，热封条件合适，热封强度越高。如果薄膜厚度不均匀，如常见的荷叶边现象，在走膜时，封边位置不平直，这样的封边极易出现折痕，造成热封强度降低。不同的复合结构对热封强度有很大影响，同样的热封材料，两层结构、三层结构和四层结构，通过热封条件的调整，可以得到差别很大的热封强度值。比如有铝箔层的复合膜，因铝箔的良好导热性，即使热封时间不长也可以达到较好的热封效果，如果复合膜有尼龙等柔韧性较好的材料，能有效提升热封强度。常用的PE膜和CPP膜热封材料，因属性的不同，加上复合的其他材料种类不同，热封强度值会有很大差别，同类的PE膜或CPP膜，因原料属性差异、加工工艺不同，对热封强度也有很大影响，比如茂金属PE比普通PE有更优良的热封适应性和热封强度值。常用烫刀的材质为铜、铁、铝等，根据制袋机和包装机的形态、包装制品的尺寸确定烫刀的形状和有效热封区域尺寸；烫布也叫特氟龙隔热布或聚四氟乙烯布，有厚度和表面纹路粗细的差别，如烫布平整度、耐用性、烫刀边沿磨损、碰伤、棱角规则性等，硅胶板硬度、平整度、耐热性和耐用性等均对复合膜热封强度有影响。复合膜加工方式包括干法复合、湿法复合、挤出复合和共挤出复合等，通常把无溶剂复合划归为干法复合，共挤出复合化归为挤出复合，以上多种复合方式，即使同种热封材料、同样厚度、同种热封条件下，热封强度也有很大差别。还有复合膜质量问题的影响，比如溶剂残留高、熟化不充分、卷曲、厚薄不均、热封区域污染等。规则的条形直线热封和不规则的弧形曲线热封，表现为不同的热封形状，因撕开时切入点和受力区域有较大差别，热封强度值会有一定差别；热封面积差别也就是热封宽度的差别，也是粘合区域高分子交联多少的差别，热封宽度最主要的作用是延长受力时间，稳定热封强度值，会对热封强度的均衡性起一定作用。通常情况下，复合膜复合强度和热封强度有正向关系，即一定范围值内复合强度越高，热封强度也越高，但实践中常常会出现打破这种规律的情况，即复合强度高，而热封强度偏低，复合强度低，也不怎么影响热封强度的现象。因为复合强度和热封强度粘合的微观机理不同，它们之间有一定的关联性，复合强度对热封强度有重要影响，特别是测试时复合膜分层，会使热封强度突然降低，但是从各种材料本身的性质来讲，复合强度并不是热封强度的决定因素。复合膜热封后，一般要进行迅速冷却，目前以水冷为主，作用是保证热封区域的平整性，增强美观度，也可以通过冷却纹路的状况确定热封的效果，同时增加热封区域的封合牢固度。这里影响热封强度的因素主要是冷却刀的温度、热封烫刀和冷却刀的距离、冷却后封合区域纹路的清晰度等，这些均可影响到热封强度值。热封材料的表面状况直接影响热封强度值，比如因环境湿度原因，在封合区域出现的水气，封合面出现油脂污染，复合膜超期，表面性能老化等。通过配方改善，有的热封材料有良好的抗粉末污染性，但很多热封材料会因为爽滑粉、环境灰尘、纸管粉尘和助剂粉末等影响，造成热封强度降低。主要指油墨厚度和均匀度，厚度越厚，特别是不耐高温的普通油墨和金属油墨，因高温影响油墨牢度，进而影响到剥离强度，如果热封后材料分层，就会造成热封强度减弱。
常用热封材料PE膜和CPP膜在非热封面均要做电晕处理，以便保证复合强度，在电晕过程中因各种异常，造成热封面出现有电晕的情况，这种情况会大大降低热封强度，甚至出现正常热封条件根本不能起封的情况。目前很多异形袋产品，热封边具有不规则性，比如宽度不同，边沿呈曲线状，取样时热封区域边沿要尽量保证直线状，测试时，受力处是整条封合线，而不是一部分或一个点，即保证整个热封边沿受力，否则热封强度有偏低的可能。通常讲的热封强度值是制袋刚下机或刚包装完成后，在常温、常态下测试的，把这个数值对比国标、企标、或客户验收标准，然后再判断是否合格。这个数据作为制袋首检的数据，也是热封机械确定加工参数的参考依据。生产过程中按抽样计划取样测试，验证热封强度在加工过程的稳定性，如果没有异常，就会连续生产直到同批产品完成。针对制袋过程，热封强度数据也许能保持稳定，在客户使用时需要封口，封口的封合强度和制袋时的热封强度很难保证一致性，因加工条件变化太多。为贴近客户的使用条件，很多制袋厂家会模仿客户的环境进行制袋品测试，比如在热灌装或冷灌装条件下进行测试，或灌装后放置一段时间，到常温下进行测试。这些条件下的数据和制袋下机时的数据很难吻合，绝大部分会出现强度衰减。热封强度值通常有两个衰减途径，一是时间条件引起的衰减，随着时间的推移，正常放置的制袋品，因老化原因造成衰减，这个过程在袋子保质期内非常缓慢，几乎可以忽略；二是使用条件变化带来的衰减，冷包装、热包装以及杀菌条件都有直接影响，这个衰减过程有时会非常急剧，比如高温蒸煮杀菌后，有些袋子热封强度衰减甚至超30%以上。热封强度衰减问题是客观存在的，如果衰减后不能满足使用要求，就需要制袋品在材料使用和工艺选择上加以克服。包装材料热合后产生一定的牢固度，其本质是分子键的重新建立和分子间引力的作用，从微观角度分析，热合层分子键越多，或分子间引力越大，热封强度就越高。复合膜热合是“热”和“力”共同作用的结果，厚度、复合结构对热封效果起重要的影响，热封参数的影响是在一定条件下形成的。比如，复合膜越厚，热封层达到起封温度需要的时间越长，但可以通过提高温度和压力来调整。复合膜要有效稳定热封强度，需从上述“三要素”和十二个影响因素上切入，下面再提一些要注意的细节：1、保证加工工艺参数，特别是“三要素”的稳定性及机器点检要求制袋过程，最重要的就是要保证热封强度达标并稳定，加工“三要素”由机器设备提供保证，对机器温控系统的校准，封刀水平度的校准以及机速的校准是首要条件，日常点检的频率是每班一次，连续生产的情况下，维护保养的频率不应超过一个月，要确保机器状态的稳定。加工参数除了根据试验和经验设定，还要制定标准加工工艺指示书，同时确定冷却刀的温度范围。2、根据制袋品的规格和内容物的种类，合理设计复合膜的结构和厚度袋子大小，封边形状和规格，装液体还是固体，装多少，包装条件是常温还是高温等，这些因素对袋子热封强度要求不同，要根据具体的使用目的，对复合膜进行结构和厚度设计。环境温度较低或复合膜较厚的时候，预热显得非常重要，这一点很多人容易忽略。在实践中，有两种方法实现预热：一种是制袋前把复合膜放入45~50℃熟化室8~12h，充分预热，另外一种是在制袋机上安装预热烫刀，这个烫刀的作用是对热封部位预热，为后面直接热封做准备。在特殊条件下，预热的措施对改善热封强度很有帮助。辅助品主要指加热管、烫刀、硅胶板和特氟龙布，一般的制袋厂家对辅助品管理不够严谨，往往是到热封强度不合格了，才进行更换，或者是破坏得实在太严重，不能用了才进行更换。合理的做法是根据产品类型，结合日常经验，对辅助品进行使用时间和加工量的管理，到一定使用时间或规定的加工量，必须更换，做到未雨绸缪。通过印刷、复合、熟化、分切等工序后，复合膜在每个工序都可能出现质量问题，有些质量问题对制袋热封的影响是致命的，比如胶水的固化不充分，热封层材料污染、复合剥离强度不合格等。因此，制袋前保证复合膜质量是稳定热封强度的重要条件。包装复合膜热封强度问题是制袋过程绕不开的话题，热封材料性能的改善、加工设备和工艺的改进、操作人员经验的积累，为稳定制袋热封强度提供了保障。制袋操作人员只要注重日常细节的管控和处理，勤于思考，多实践、多总结，在平时处理热封强度异常问题时，能够做到综合分析，精准判断，这样的操作人员就能快速成为技术见长的优秀机长。
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