汪洋 汪学文

（黄山永新股份有限公司，安徽 245061）

1. 绪论

1.1 包装发展趋势及带嘴软包装袋产品的应用

随着软包装技术的不断成熟与持续革新，软包装在食品、医疗、日化等众多产品包装舞台上发挥着举足轻重的作用[1]。在日化用品包装领域，软包装最初只是作为塑料容器等硬包装的补充装或者一次性包装的主要方式，由于前些年随着国际油价的一路走高而带来的日化原材料价格的上涨，很多日化企业为了建立和实现自己的差异化销售以及出于包装物环保、降低成本等多重考虑，软包装在日化产品包装上的应用越来越广泛，带嘴软包装自立袋即是一个典型实例。带嘴软包装袋是指通过热封的方式在软包装袋上安装一个带旋帽的高密度聚乙烯硬嘴。使软包装袋具有了瓶包装可方便开启并重复封闭的功能。现有各种材料的复合膜袋均可通过加装硬嘴后成为带嘴袋[2,3]。近年来，越来越多的客户和包装厂家会选择在自立袋上加装硬嘴，使这种软包装与瓶包装功能、形态更为接近，方便消费者使用。带嘴软包装袋按嘴安装位置分类可分为直立安装式带嘴袋和斜口安装式带嘴袋两种。食品用带嘴袋产品多采用的是直立式装嘴，日化用带嘴袋产品多采用斜口式装嘴，如图1、2 照片所示。

图1 直立式带嘴软包装袋

图2 斜口式带嘴软包装袋

带嘴包装袋除了具有瓶、桶包装可方便开启并多次密封的优点外，还具有包装材料消耗少，印刷精美，包装物仓储、运输成本低，垃圾处理量小等优势，被誉为环保型包装。据统计，与同容量的瓶、桶相比，带嘴包装袋的原材料消耗可降低30%以上，包装物仓储运输成本下降60%以上，垃圾处理量下降50%以上。因此，带嘴软包装的应用正越来越广泛。

1.2 带嘴软包袋产品生产工艺

带嘴软包袋的生产工艺流程主要由原材料检验、印刷、复合、制袋、焊嘴、成品检验工序组成。相比于普通的软包装袋，增加了焊嘴工序，其详细工艺流程如图3。

图3 带嘴软包装袋生产工艺流程图

1.2.1 热封的物理模型

热封是包装过程中最重要的步骤之一。热封步骤对包装袋完整性以及包装性能非常关键。热封表现对优化高速成型-灌装-封口一体化包装线的产量也十分重要。在本课题中，我们对热封过程进行了详细的描述，着重介绍影响热封性能的各因素。

通常的热封模型是将两片半结晶聚烯烃薄膜放在一起，并在一定压力下表面紧密的接触。由热封棒或热阻线提供热量使膜与膜的交界表面熔融，熔融的两个表面“变湿”纠缠在一起的分子，最后冷却使交界界面重新结晶。一般来说，界面处大量纠缠在一起的分子使交界面表现为类似于单层结构（简单的变厚）。上述整个过程的时间小于一秒，但是它却受热封温度、时间和压力等因素的影响，如图4 所示。

图4 考虑分子运动的热封过程示意图

该热封原理应用于所有聚烯烃材料。薄膜结构可以以多种方式得到，如吹膜、流延、挤出涂覆或者复合。

1.2.2 手动焊嘴工艺

传统手动装嘴设备简单，一般只有一次热封，如图5。这种设备及工艺需要操作人员将导嘴插入袋子开口中并手动热封。生产效率较低，且产品质量不太稳定，近年来已逐渐被先进的自动包装设备所替代。

图5 手动焊嘴设备工艺图

1.2.3 自动焊嘴工艺

随着软包装技术不断发展与革新，包装生产设备也随之自动化程度越高，可以极大提高劳动生产率和稳定产品质量。自动装嘴设备[4,5]一般由导嘴预热、两道以上加热以及一次冷却这些工位组成，袋子定位、插导嘴、热封等过程全自动控制，只需输入工艺参数。如图6。

图6 自动焊嘴设备工艺图

虽然自动焊嘴设备自动化程度高，但如果工艺参数论证不充分，带来的损失也更大。因此更需要研究论证热封影响因素，制定科学的工艺中心线。

1.3 论文选题依据、研究内容及创新点

1.3.1 选题依据

软包装最新发展趋势或许会对国内包装可持续发展带来新的思考形式。易开启可再封选择越来越普及，开启处理及封盖等比起以前应用得更加广泛，这些应用包括特别的线性撕裂、可以重复开启的可再封拉链以及带嘴的液体袋等。相应的机械设备也进步了许多，提高了灌装和封口时在线添加以上这些易开启可再封应用的能力，并且最小化了停机问题。

正因为设备自动化程度高带来的劳动生产率极大提高，如果发生质量问题，所造成的影响和浪费也更加严重，因此需要科学研究焊嘴热封性能的各影响因素，在充分试验论证的基础上制定合理的工艺中心线，保障产品质量。

1.3.2 研究内容

本文研究的主要内容集中在：

（1）正交试验设计论证热封温度、时间、压力等因素对热封性能的影响规律；

（2）以热封强度测试、电子显微镜分析热封界面处的微观结构变化；

（3）参照相关标准和客户产品要求，以负压、正压和跌落等测试方法评估包装抗漏液性能。

1.3.3 创新点

本文研究的主要创新点：

（1）结合热封的物理模型，用正交试验设计方法充分论证各因素对自动焊嘴工艺热封性能的影响；

（2）采用电子显微分析热封界面微观结构变化与宏观物理机械性能的联系规律，以多种测试手段评估论证包装性能。

2. 实验设计及测试方法

2.1 实验方案设计

本课题研究工作主要有两部分内容：

（1）自立袋加嘴热封工艺及工艺条件影响分析

以PET 作为外层印刷材料，BOPA 为中间层，PE 吹膜为热封层。PET 凹版里印后干式复合工艺制备复合膜，然后将复合膜通过三边封制袋机制成夹底自立袋，最后通过加嘴热封设备将自立袋与导流嘴进行热封。利用正交实验，分析嘴部热封工艺的热封温度、热封压力、热封时间等因素对嘴部热封强度和密封性的影响，确定最佳工艺参数。

（2）加嘴热封状态结构表征及性能测试

通过电子显微镜对嘴部复合膜层的热封结构进行表征，并用电子拉力机和耐压仪等仪器分别对自立袋的热封强度和密封性能进行检测，以确定最合适的加嘴热封工艺。

2.2 塑料复合膜自立袋加嘴热封结构表征及性能测试

2.2.1 自立袋加嘴热封结构表征

由于复合膜厚度相对较薄，热封层只有170 μ m，物理机械性能测试不能从微观层面分析热封强度大小的根本原因。

本课题使用美国徕卡DM2500 型电子显微镜观察分析自立袋嘴部热封后内层热封层与导流嘴的结合状态，分析判断最合适的热封状态，从而确定最佳的热封模具设计和热封工艺。

2.2.2 加嘴自立袋的性能测试

2.2.2.1 力学性能测试

（1）热封强度：用日本岛津AGS-1KNX 型台式拉力机对自立袋导嘴热封部位进行热封强度检测；

（2）抗跌落性能：用东莞昆仑KL-DL-200A型跌落测试机测试带嘴袋的抗跌落性能，以评估产品质量能满足运输要求。

2.2.2.2 密封性能测试

（1）密封性能：用济南蓝光负压仪对带嘴袋气密性进行检测；（2）耐压性能：用自制的耐压设备对带嘴袋灌装后的耐压性能进行检测，确保产品质量能满足客户存储运输要求。

因素 预热温度（℃） 加热1 温度（℃） 加热2 温度（℃） 时间（ms） 压力（MPa）水平 A1 A2 A2 B1 B2 B3 C1 C2 C3 D1 D2 D3 E1 E2 E3参数 180 170 160 180 170 160 170 160 150 300 250 200 0.30 0.25 0.20

3. 带嘴自立袋的焊嘴热封工艺与表征

3.1 正交实验设计

考虑到加嘴热封时的导嘴预热温度、加热1温度、加热2 温度、热封压力、热封时间这五个因素对薄膜导嘴的封合强度和密封性影响，为了比较各因子的影响大小，从而选出各因子的一个水平来组合成最优制备条件，设计了正交实验方案，见表1。

表1 正交实验设计表（1）

试验成功标准为符合表2 要求的测试项目及检测量。其中任何一项若不能满足相关标准要求，试验即不通过。

表2 正交实验检测项目及抽样量表

3.2 自立袋加嘴自动热封生产工艺

加嘴自立袋制备过程如图7 所示：半成品袋经过自动装嘴设备定位输送至热封工位，同时震动盘将塑料导嘴输送至装嘴转盘，导嘴经过预热后插入半成品袋热封部位，然后经过第一道热封、第二道热封和冷却定型，最后通过皮带输出，即制得加嘴自立袋。

图7 自动热封工艺制备加嘴自立袋的实验工艺流程图

根据图7 工艺流程，制备出18 组样品，根据表2 检测各组样品性能。

3.3 自立袋加嘴热封性能表征

结合各组试验的工艺稳定性和加嘴后的外观状态，记录各组试验情况，如表3。从表中可得出如下结论：

表3 正交实验记录表

1）预热压力≤0.20MPa 时，预热不能正常工作；

2）加热1 温度≤180℃时，嘴歪严重，不能满足产品外观要求；

3）热封强度不合格。

3.3.1 热封强度分析

将表中有效组样品进行热封强度检测。裁取加嘴处宽度40 mm，用拉力机测试强度数据，如图8。

图8 加嘴热封强度检测方法示意图

热封强度（N/40mm）试验A1试验A2试验A4试验A6试验A8试验A10试验A12试验A13试验A14试验A17试验A18 108 50 87 32 20 25 43 32 35 36 45

从18 组试验中选择热封强度最高的试验1样品进行耐压测试，测试结果漏液。

试验改进方案：

1）验证加嘴预热温度与热封强度之间的关系，从而固定加嘴热封温度；

2）设计新的加嘴热封模具，以增加袋面和导嘴间的热封压力，改善热封强度。本文将在下节详细论述加嘴热封模具的影响。

因素 预热温度（℃） 加热1 温度（℃） 加热2 温度（℃） 时间（ms） 压力（Mpa）水平 A1 A2 A2 B1 B2 B3 C1 C2 C3 D1 D2 D3 E1 E2 E3参数 240 200 160 220 200 180 200 180 160 300 250 350 0.30 0.25 0.20

热封强度检测数据如下（N/40mm），强度从高到低排列

图9 加嘴热封处漏液照片

试验得出加嘴预热温度与加嘴热封强度之间的规律，如图15。由于对加嘴热封模具（加热1、加热2 和冷却）进行了新的设计，因此需要在之前的正交设计方案基础上修订为实验设计表（2），见表4。

表4 正交实验设计表（2）

3.3.2 电子显微镜分析

选取热封强度较高的7 个样品B11/B1/B10/B12/B4/B9/B7 和热封强度在标准边缘的样品B18进行切片分析，主要方法是将加嘴热封部位的横截面切开，将该横截面处薄膜加在显微镜下观察，如图10 所示。

图10 加嘴热封部位切片示意照片

将样品放大400 倍后，样品横截面状态如图11 所示。图11 显示在导嘴加强筋（黄色）上的内层PE（黑色）厚度随热封工艺不同而不同。对比各组样品，热封强度合格的样品，其PE 厚度在40～100μ m 范围内，而强度不合格的样品其PE 厚度只有25μ m，表明热封强度值与热封时实际受到的压力在一定范围内成反比。

图11 部分样品加嘴热封部位切片显微镜照片

3.3.3 漏液性能检测

将所有样品进行密封性能检测[6]，包括负压、正压、跌落这三项测试内容，如图3.6 所示。

1）负压测试：将样袋充满空气后放入负压仪中，条件设定为-60kpa 的压力下3min，观察是否有气泡冒出，若有则表明热封不严，产品不合格。

2）正压测试：将样袋装满所需量的水在125 kg 的压力下5min，观察嘴部热封边缘是否有渗漏。

3）跌落测试：将样袋装满所需量的水，从1米高度跌落5 次（2 次底部，1 次正面，1 次背面，1 次夹嘴处），观察样袋跌落后是否造成热封处破裂而漏液。

图12 自立袋漏液性能测试照片

测试结果：所有热封强度值达标的样品组均通过以上3 项测试，而热封强度值低的试验B3出现正压漏液缺陷，试验B8 和B16 出现跌落漏液缺陷。这说明高的嘴部热封强度是保障带嘴袋不漏液的必要条件。

3.4 热封性能分析

通常的热封模型是将两片半结晶聚烯烃薄膜放在一起，并表面紧密地接触，如图13 所示。一般由热封烫条提供热量使膜与膜的交界表面熔融，熔融的两个表面变为黏流态（“变湿”），分子的布朗运动和链段的摆动而产生了相互的扩散成相互纠缠在一起的分子，最后冷却使交界面重新结晶。一般来说，界面处大量分子纠缠在一起使交界面表现为类似于单层结构（简单地变厚）。上述整个过程的时间小于一秒，但是它却受温度、时间和压力等因素的影响[7-10]。研究这些因素对袋子性能影响的规律，从而优选出最佳生产工艺。

图13 考虑分子运动的热封过程示意图

上述物理模型可应用于绝大多种的聚合物，包括线性聚乙烯和高密度聚乙烯。薄膜结构可以以多种工艺制得，如吹膜、流延、挤出涂覆或者复合。

3.4.1 热封失效模式

热封失效一般有三种模式：①剥离；②撕裂（薄膜自身破裂）；③复合膜与导嘴之间的分离。热封失效可以迅速的指出结构中的“连接弱点”，如图14。

图14 热封测试中的失效模式

剥离通常是由于热封过程中界面熔融扩散不充分导致。这可能是由于加热不充分（设置温度过低或控制问题），或者热封前内层膜表面的交联（由于膜的表面处理或挤出过程中的氧化等）。

撕裂是最常见的热封失效现象。热封中薄膜的破裂表示最大热封强度。它由薄膜自身的拉伸强度来定义，通常当薄膜屈服变形时即被认为失效。

3.4.2 热封温度预测

乙烯聚合物及共聚物系列能够提供预测非常准确的热封温度。一般来说，热起封温度或最低热封温度对应77%的聚合物成为无定形、非结晶或熔融状态时的温度。更重要的是预测热封平台起始温度。热起封温度或最低热封温度表示热封开始发生时的温度，该温度下一般热封强度低且热封区域容易剥离。随着热封温度升高，热封强度稳定在一定数值，一些文献将达到热封强度平台时的温度称为热起封温度[11,12]。尽管这不是技术上的最低热封温度，但是这是达到预期的热封性能的实际最低温度。通常在包装工业中将热封烫条的温度较该温度调高5 到10℃以适应控制波动。图15 便是自立袋和导嘴各自的热封曲线，这也是本课题设计热封温度参数的依据之一。

图15 热封曲线

包装工业一般认为热封“撕裂失效”是在理想或密封状态的失效行为。该失效情况认为两个热封层完全的熔融或者充分相互扩散以形成一个完整的单层，此时“连接弱点”变为薄膜本身的屈服强度。根据3.3 节的热封强度测试和电子显微镜切片分析，说明了热封后内层PE 膜厚度在一定范围内，其此时状态的屈服强度才更高，热封强度也就越高。

3.4.3 热封时间分析

有研究者利用[13]有限元分析法准确的预测热封表现。为了测试该模型，在两个热封薄膜（聚乙烯）的交界处放置微型热电偶，被测量的界面温度是时间的函数，利用电热板或热封棒提供热封能量。实验所得数据与利用密度、比热、热导、线性膨胀系数、弹性模量以及热传导系数等参数理论模拟所得温度进行比较，如图16。

图16 界面温度与热封时间关系的有限元分析

实际上，数学模型预测的结果与实验数据十分符合。曲线中明显的小振荡是高于熔融温度以后薄膜的熔化潜热以及薄膜的体积厚度所致。数据显示对于典型的薄膜（50μ m 或者更薄），界面处热封棒0.5 秒的停留时间已足够使温度达到设定温度的95%。

3.4.4 热封压力的重要性

热封的另一个变量是热封时的压力。与热封温度和时间这两个关键因素相比，压力对理想热封的影响略小。有研究表明仅需要5psi 的压力即可使热封表面充分熔融。在工业生产中压力的范围一般是从25 到75psi。

另一方面，随着热封压力的增加，热封层中的聚合物被“挤出”的趋势增加，从而导致厚度变薄（因此变为强度的弱点）。热阻丝加热的热封模具尤为容易产生该种问题。该分析与3.3.2 中观察发现的规律一致。

3.4.5 影响热封的其他因素

（1）添加剂的影响

一般来说，添加剂对热封的影响较小，尤其是滑爽剂和开口剂。滑爽剂（如芥酸酰胺，油酸酰胺，硬脂酰胺等）具有很低的熔点，容易从热封区域流出，从而不会阻止热封层高聚物分子的相互扩散。同样的，对于开口剂，除了可能减小薄膜的整体屈服强度以外，它对热封性能的影响也非常小。

（2）电晕处理[14]

在热封表面通常不进行电晕处理。乙烯聚合物偶然的背面处理也不利于热封。这些处理过程会导致表面的交联，形成纠缠在一起的高分子量的分子从而限制扩散。经验表明，即使很低程度的电晕处理也会导致热封以剥离形式失效。经过交联处理的薄膜（如利用辐射以增加强度）对热封也有类似的影响。如果热封表面经过交联处理，热封性能将会变差。

（3）生产过程中油墨和其它产品的影响

在某些情况下，不恰当的油墨和胶黏剂成分会对热封造成困难。这种现象被叫做“假封”，当含有油墨或胶粘剂的成分转移到表面时，会影响聚合物分子的扩散，从而发生“假封”。

总而言之，热封即对需要密封的表面加热，从而使熔融的聚合物相互扩散并重结晶的过程。该过程可以通过薄膜的应力和热封材料的熔融特征进行预测。热封温度比热封材料的最终熔点稍高，热封强度即薄膜的屈服应力。

3.5 结果与讨论

根据以上试验测试分析，得出工艺中心线，如下表：

预热℃ 加热1 ℃ 加热2 ℃ 时间 ms 压力MPa 240 200±10 200±10 350 0.25±0.05

将该工艺条件下制得我司样品记为SC，为了客观的评价该工艺条件生产的带嘴袋性能，尤其是加嘴热封处的性能，选用一种同类产品——日本Fuji 公司生产的带嘴袋作为对比，记为SJ，进行表征分析。

3.5.1 加嘴热封强度测试及表征

对两组样品进行热封强度测试，再对两组样品做切片分析，观察热封界面处的状态，两组样品测试数据如表5。

表5 不同方法制备的溶胶的晶粒尺寸比较

试验数据表明我司生产的样品较日本同类产品加嘴热封性能较高。

图17 电子显微镜照片显示日本样品热封后PE 层以及被严重“挤出”，此状态在外力作用下发生热封失效的概率相对较高。

图17 不同样品的电子显微镜切片照片

3.5.2 包装性能测试

对两组样品在相同条件下进行负压、正压和跌落性能测试，结果发现日本样品在跌落测试中出现加嘴处热封失效。对该失效样品做切片分析，从图18 可看出，该样品导嘴和薄膜热封界面处热封PE 几乎被完全挤出，导致热封强度非常低，跌落时在外力的作用下发生热封断裂。我司生产工艺条件制备的样品无缺陷发生。

图18 包装性能测试

4. 结论

传统复合膜袋手动加嘴工艺，生产效率低，产品质量不稳定。针对以上缺点，以PET/BOPA/PE 材质结构的复合膜和HDPE 材质导嘴作为制袋材料，采用自动加嘴设备和工艺生产加嘴自立袋，生产效率高，质量稳定。使用热封强度拉力测试、电子显微镜切片分析、耐压和跌落等检测手段对加嘴自立袋进行力学结构和性能表征；参照相关的客户产品标准，对自立袋的包装性能进行了检测。得出以下主要结论：

（1）性能测试结果表明，自动加嘴工艺主要由热封温度、热封时间及热封压力这三要素组成，工艺中心线的制定必须充分试验论证上述因素的影响规律。

（2）生产复合膜加嘴自立袋的最佳工艺条件：加嘴预热240℃，热封温度200℃，热封时间350ms，热封压力0.25MPa。该实验条件下生产的加嘴自立袋热封强度最高，抗压和抗跌落性能最好。