液態(tài)奶復(fù)合紙包裝材料熱封力學(xué)性能分析

摘要：試驗(yàn)研究分析了利樂(lè)磚（或利樂(lè)枕）的包裝材料及其容器的熱封力學(xué)性能。合理選取試驗(yàn)材料，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，對(duì)利樂(lè)磚（或利樂(lè)枕）的熱封強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)紙—塑—鋁復(fù)合包裝材料的熱封力學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析了利樂(lè)復(fù)合包裝材料的部分熱封力學(xué)性能。結(jié)果表明，利樂(lè)磚（或利樂(lè)枕）的包裝材料與容器可滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)紙—塑—鋁復(fù)合包裝材料的熱封力學(xué)性能要求。

關(guān)鍵詞：液態(tài)奶包裝；利樂(lè)磚；利樂(lè)枕；熱封力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）34-0266-03

一、前言

我國(guó)人均乳制品消費(fèi)量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但人均水平與世界平均水平相比仍較低。目前，保鮮奶、超高溫滅菌消毒奶等產(chǎn)品的比重不斷增加，適合不同消費(fèi)群體、不同消費(fèi)水平的新產(chǎn)品不斷開(kāi)發(fā)。同時(shí)注重包裝技術(shù)的開(kāi)發(fā)，爭(zhēng)取在包裝技術(shù)上顯示出中國(guó)乃至東方乳品消費(fèi)的特色，這樣才能縮短與乳品發(fā)達(dá)國(guó)家的差距[1]。

紙—塑—鋁復(fù)合包裝材料目前在液態(tài)奶保鮮包裝上得到廣泛的應(yīng)用，具有代表性的就是利樂(lè)磚和利樂(lè)枕。在前期調(diào)研過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，實(shí)際儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中利樂(lè)銷售包裝件的破包率較高。導(dǎo)致破包的因素很多，其中一個(gè)重要的原因就是熱封強(qiáng)度的影響。

對(duì)液態(tài)乳制品復(fù)合紙包裝材料及結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱封力學(xué)性能測(cè)試分析十分必要，本文采用包裝試驗(yàn)方法，由此找出此種材料及包裝結(jié)構(gòu)熱封的薄弱環(huán)節(jié)。

二、實(shí)驗(yàn)部分

1.試驗(yàn)材料。針對(duì)紙—塑—鋁復(fù)合材料特殊使用場(chǎng)合，結(jié)合現(xiàn)有的試驗(yàn)條件，材料選取內(nèi)蒙古伊利乳業(yè)和蒙牛乳業(yè)的利樂(lè)磚、利樂(lè)枕的復(fù)合包裝材料。

利樂(lè)包的紙包裝材料（圖1）通常分為六層：PE/紙板/PE/鋁箔/PE/PE，總厚度為320μm，最內(nèi)層的PE塑料厚度為30～35μm，在材質(zhì)成份中，長(zhǎng)纖維優(yōu)質(zhì)紙漿、鋁和塑料的含量分別約為75%、5%和20%[2]。

試驗(yàn)前對(duì)材料的相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果為：

250ml利樂(lè)磚（Tetra Brick），材料厚度0.8mm，其中盒壁紙板厚度350μm，鋁箔層至盒內(nèi)壁厚度100μm，底平面尺寸60mm×110mm、盒厚40mm，材料定量288g/m2。

485ml利樂(lè)枕（Tetra Bag），材料厚度為0.5mm，灌裝后尺寸190 mm×120mm、袋厚30mm，材料定量166g/m2。

242ml利樂(lè)枕（Tetra Bag），材料厚度為0.5mm，灌裝后尺寸155mm×105mm、袋厚20mm，材料定量166g/m2。[3]

2.試驗(yàn)儀器及方法。有的包裝作業(yè)要求快速熱封，因此對(duì)這種復(fù)合包裝材料所選用熱封涂料應(yīng)有更高的要求。在普通環(huán)境條件下，它必須是具有熱塑性和不粘連性。在加溫加壓的條件下，它又必須變成有強(qiáng)烈的膠粘性，即使在熱封區(qū)、冷卻區(qū)前仍然保持牢固。根據(jù)GB/T 15171-1994軟包裝件密封性能試驗(yàn)方法[4]進(jìn)行測(cè)試。本文根據(jù)拉伸試驗(yàn)法進(jìn)行熱封強(qiáng)度的試驗(yàn)[5]。

三、熱封強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果與討論

利樂(lè)磚與利樂(lè)枕不同部位熱封方法不同，頂部和底部均采用對(duì)接的方法，兩側(cè)材料內(nèi)層呈人字形對(duì)接，即一側(cè)材料內(nèi)層與另一側(cè)材料內(nèi)層對(duì)封。而背部采用搭接的方法，一側(cè)材料內(nèi)層搭接在另一側(cè)材料外層上方進(jìn)行封接（如下頁(yè)圖2所示）[6]。且在背部縱向熱封前，機(jī)器將塑料密封帶加入到紙筒內(nèi)部搭接的縱縫上，縱向熱封器將密封帶與搭接的縱縫粘接。

1.利樂(lè)磚熱封強(qiáng)度。對(duì)利樂(lè)磚頂部、底部和背部熱封位置都進(jìn)行了熱封強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，背部熱封強(qiáng)度曲線幾乎呈線性變化，在最大應(yīng)力達(dá)到123N、應(yīng)變達(dá)到2.7mm時(shí)曲線中斷，這是由于背部屬于搭接熱封方式，熱封強(qiáng)度很高，在進(jìn)行材料熱封位置拉伸的過(guò)程中，隨著勻速拉伸應(yīng)力也不斷增大，材料本身被拉斷，而熱封位置并未發(fā)生明顯性狀改變，這與熱封方法有密切關(guān)系。

從圖中可以看出在底部和頂部熱封強(qiáng)度拉伸試驗(yàn)中，初期應(yīng)變隨應(yīng)力增加也不斷增大，底部熱封最大應(yīng)力達(dá)到23.349N、應(yīng)變達(dá)到3.603mm時(shí)出現(xiàn)峰值，此時(shí)材料熱封位置發(fā)生斷裂分離，之后繼續(xù)勻速拉伸，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，但并沒(méi)有中斷，而是隨應(yīng)變不斷增加應(yīng)力呈平緩下降趨勢(shì)，直到熱封材料完全從封口處分離開(kāi)，最終應(yīng)變達(dá)到19.5mm。頂部熱封最大應(yīng)力達(dá)到18.268N、應(yīng)變達(dá)到4.260mm時(shí)出現(xiàn)峰值和拐點(diǎn)，最終應(yīng)變達(dá)到20.4mm，應(yīng)力歸零。以上曲線表明，當(dāng)達(dá)到峰值后材料封口處斷裂但并沒(méi)完全分離，這是因?yàn)椴牧蟽?nèi)層封接層均有塑料PE，當(dāng)拉伸到最大值時(shí)，兩側(cè)封接材料基本分離，但由于PE屬熱塑性材料，此部分材料仍具有粘合力。隨著繼續(xù)拉伸，應(yīng)力緩慢下降而應(yīng)變不斷增加，直到最終塑料斷裂分離。當(dāng)外界壓力消除后，塑料PE層特別是熱封處留有殘余內(nèi)應(yīng)力，該內(nèi)應(yīng)力有可能使熱封處斷裂強(qiáng)度降低。

表1對(duì)利樂(lè)磚頂部、底部和背部的熱封強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。從表中可以看出底部和頂部的斷裂伸長(zhǎng)率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于背部，但并非說(shuō)明背部熱封強(qiáng)度不夠，因?yàn)楸巢繙y(cè)試值均為材料本身斷裂的測(cè)試值。液體食品無(wú)菌包裝用紙基復(fù)合材料國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中[7]，對(duì)紙—塑—鋁復(fù)合材料的熱封性能并無(wú)明確要求，但試驗(yàn)已經(jīng)表明，利樂(lè)磚材料的熱封性能基本符合要求，達(dá)到應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

2.利樂(lè)枕熱封強(qiáng)度。利樂(lè)枕背部熱封強(qiáng)度曲線變化與利樂(lè)磚背部熱封強(qiáng)度曲線趨勢(shì)一致，在最大應(yīng)力達(dá)到93.265N、應(yīng)變達(dá)到4.742mm時(shí)曲線中斷，原因與利樂(lè)磚背部熱封強(qiáng)度變化相同。

在利樂(lè)枕底部和頂部熱封強(qiáng)度拉伸試驗(yàn)中，初期應(yīng)變隨應(yīng)力增加也不斷增大。底部熱封強(qiáng)度拉伸最大應(yīng)力達(dá)到23.020N、應(yīng)變達(dá)到1.647mm時(shí)出現(xiàn)峰值，此時(shí)材料熱封位置發(fā)生斷裂分離，之后繼續(xù)勻速拉伸，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，但并沒(méi)有中斷，而是隨應(yīng)變不斷增加應(yīng)力呈平緩下降趨勢(shì)，直到熱封材料完全從封口處分離開(kāi)。頂部熱封強(qiáng)度拉伸最大應(yīng)力達(dá)到22.861N、應(yīng)變達(dá)到1.780mm時(shí)出現(xiàn)峰值和拐點(diǎn)。同樣，利樂(lè)枕的拉伸應(yīng)力達(dá)到峰值后材料封口處斷裂但并沒(méi)完全分離，原因與利樂(lè)磚相同。

表2對(duì)利樂(lè)枕頂部、底部和背部的熱封強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，顯然底部和頂部的斷裂伸長(zhǎng)率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于背部，但并非說(shuō)明背部熱封強(qiáng)度不夠，因?yàn)楸巢繙y(cè)試值均為材料本身斷裂的測(cè)試值。

同樣，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)紙—塑—鋁復(fù)合材料的熱封性能并無(wú)明確要求，但試驗(yàn)已經(jīng)表明，利樂(lè)枕的材料的熱封性能基本符合實(shí)踐要求，達(dá)到應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

3.利樂(lè)磚與利樂(lè)枕熱封強(qiáng)度對(duì)比。利樂(lè)磚與利樂(lè)枕背部承受最大力均遠(yuǎn)比底部和頂部承受的最大力要大（圖4），磚與枕相比又更強(qiáng)些，說(shuō)明背部熱封強(qiáng)度均能夠承受較大外力，背部熱封位置均不會(huì)是破裂的薄弱環(huán)節(jié)。磚與枕的底部和頂部承受最大力基本變化不大，但由于磚具有固定容器結(jié)構(gòu)，相對(duì)于枕來(lái)說(shuō)受到外力時(shí)熱封位置可以得到一定保護(hù)。利樂(lè)枕頂部與底部熱封位置在受到外力時(shí)，相應(yīng)承受的力應(yīng)更大些，所以一定程度上利樂(lè)枕頂部和底部熱封位置相對(duì)較薄弱。圖中還表明，相對(duì)于背部，磚與枕的頂部和底部斷裂拉伸強(qiáng)度較小，但拉伸斷裂伸長(zhǎng)率較高，說(shuō)明雖然復(fù)合材料中紙板和鋁箔發(fā)生斷裂，但熱封后的內(nèi)層PE粘合強(qiáng)度要高于復(fù)合材料本身內(nèi)層PE的拉伸強(qiáng)度。

利樂(lè)磚在最大力時(shí)的變形均比利樂(lè)枕大，說(shuō)明利樂(lè)磚復(fù)合材料在承受外力后的塑性要比利樂(lè)枕好些，這樣能夠保證利樂(lè)磚材料受到外力時(shí)能發(fā)生較大變形，能減少容器發(fā)生破裂的情況。

四、結(jié)論

熱封強(qiáng)度的試驗(yàn)表明：利樂(lè)材料頂部和底部熱封強(qiáng)度測(cè)試中，當(dāng)拉伸到最大值時(shí)，兩側(cè)封接材料基本分離，但由于內(nèi)層封接層PE屬熱塑性材料，封接點(diǎn)仍具有粘合力，隨著繼續(xù)拉伸，塑料才斷裂分離。利樂(lè)材料背部由于熱封方式的不同，熱封強(qiáng)度大于材料本身的抗拉強(qiáng)度，熱封效果好。熱封時(shí)，當(dāng)外力消除后熱封處仍留有殘余內(nèi)應(yīng)力，該內(nèi)應(yīng)力有可能使熱封處斷裂強(qiáng)度降低。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬梅.提高我國(guó)乳品消費(fèi)水平的對(duì)策研究[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，（04）：14-16.

[2]孟憲文.利樂(lè)無(wú)菌包裝產(chǎn)品加熱方法的研究[J].包裝工程，2007，（02）：52-53.

[3]張向?qū)?液態(tài)奶復(fù)合紙包裝材料結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析[J].內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，32（4）.

[4]GB/T 15171-1994—1994.軟包裝件密封性能試驗(yàn)方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994.

[5]郭彥峰，許文才.包裝測(cè)試技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：54-55.

[6]孟昭寧.復(fù)合包裝材料及膠粘劑的應(yīng)用[J].湖南包裝，2006，（04）：36-37.

[7]GB/T 18192-2008—0001液體食品無(wú)菌包裝用紙基復(fù)合材料[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.