液態(tài)奶復合紙包裝材料熱封力學性能分析

摘要：試驗研究分析了利樂磚（或利樂枕）的包裝材料及其容器的熱封力學性能。合理選取試驗材料，設計試驗方案，根據國家標準測試方法，對利樂磚（或利樂枕）的熱封強度進行試驗。對比國家標準中對紙—塑—鋁復合包裝材料的熱封力學性能評價指標，分析了利樂復合包裝材料的部分熱封力學性能。結果表明，利樂磚（或利樂枕）的包裝材料與容器可滿足國家標準對紙—塑—鋁復合包裝材料的熱封力學性能要求。

關鍵詞：液態(tài)奶包裝；利樂磚；利樂枕；熱封力學性能

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）34-0266-03

一、前言

我國人均乳制品消費量呈增長趨勢，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品的比重不斷增加，適合不同消費群體、不同消費水平的新產品不斷開發(fā)。同時注重包裝技術的開發(fā)，爭取在包裝技術上顯示出中國乃至東方乳品消費的特色，這樣才能縮短與乳品發(fā)達國家的差距[1]。

紙—塑—鋁復合包裝材料目前在液態(tài)奶保鮮包裝上得到廣泛的應用，具有代表性的就是利樂磚和利樂枕。在前期調研過程中發(fā)現，實際儲運過程中利樂銷售包裝件的破包率較高。導致破包的因素很多，其中一個重要的原因就是熱封強度的影響。

對液態(tài)乳制品復合紙包裝材料及結構進行熱封力學性能測試分析十分必要，本文采用包裝試驗方法，由此找出此種材料及包裝結構熱封的薄弱環(huán)節(jié)。

二、實驗部分

1.試驗材料。針對紙—塑—鋁復合材料特殊使用場合，結合現有的試驗條件，材料選取內蒙古伊利乳業(yè)和蒙牛乳業(yè)的利樂磚、利樂枕的復合包裝材料。

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

試驗前對材料的相關數據測試結果為：

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

485ml利樂枕（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.試驗儀器及方法。有的包裝作業(yè)要求快速熱封，因此對這種復合包裝材料所選用熱封涂料應有更高的要求。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GB/T 15171-1994軟包裝件密封性能試驗方法[4]進行測試。本文根據拉伸試驗法進行熱封強度的試驗[5]。

三、熱封強度測試結果與討論

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

1.利樂磚熱封強度。對利樂磚頂部、底部和背部熱封位置都進行了熱封強度測試，測試結果如圖3所示。從圖3中可以看出，背部熱封強度曲線幾乎呈線性變化，在最大應力達到123N、應變達到2.7mm時曲線中斷，這是由于背部屬于搭接熱封方式，熱封強度很高，在進行材料熱封位置拉伸的過程中，隨著勻速拉伸應力也不斷增大，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系。

從圖中可以看出在底部和頂部熱封強度拉伸試驗中，初期應變隨應力增加也不斷增大，底部熱封最大應力達到23.349N、應變達到3.603mm時出現峰值，此時材料熱封位置發(fā)生斷裂分離，之后繼續(xù)勻速拉伸，曲線出現拐點，但并沒有中斷，而是隨應變不斷增加應力呈平緩下降趨勢，直到熱封材料完全從封口處分離開，最終應變達到19.5mm。頂部熱封最大應力達到18.268N、應變達到4.260mm時出現峰值和拐點，最終應變達到20.4mm，應力歸零。以上曲線表明，當達到峰值后材料封口處斷裂但并沒完全分離，這是因為材料內層封接層均有塑料PE，當拉伸到最大值時，兩側封接材料基本分離，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，應力緩慢下降而應變不斷增加，直到最終塑料斷裂分離。當外界壓力消除后，塑料PE層特別是熱封處留有殘余內應力，該內應力有可能使熱封處斷裂強度降低。

表1對利樂磚頂部、底部和背部的熱封強度測試數據進行了對比。從表中可以看出底部和頂部的斷裂伸長率均遠遠高于背部，但并非說明背部熱封強度不夠，因為背部測試值均為材料本身斷裂的測試值。液體食品無菌包裝用紙基復合材料國家標準中[7]，對紙—塑—鋁復合材料的熱封性能并無明確要求，但試驗已經表明，利樂磚材料的熱封性能基本符合要求，達到應用標準。

2.利樂枕熱封強度。利樂枕背部熱封強度曲線變化與利樂磚背部熱封強度曲線趨勢一致，在最大應力達到93.265N、應變達到4.742mm時曲線中斷，原因與利樂磚背部熱封強度變化相同。

在利樂枕底部和頂部熱封強度拉伸試驗中，初期應變隨應力增加也不斷增大。底部熱封強度拉伸最大應力達到23.020N、應變達到1.647mm時出現峰值，此時材料熱封位置發(fā)生斷裂分離，之后繼續(xù)勻速拉伸，曲線出現拐點，但并沒有中斷，而是隨應變不斷增加應力呈平緩下降趨勢，直到熱封材料完全從封口處分離開。頂部熱封強度拉伸最大應力達到22.861N、應變達到1.780mm時出現峰值和拐點。同樣，利樂枕的拉伸應力達到峰值后材料封口處斷裂但并沒完全分離，原因與利樂磚相同。

表2對利樂枕頂部、底部和背部的熱封強度測試數據進行了對比，顯然底部和頂部的斷裂伸長率均遠遠高于背部，但并非說明背部熱封強度不夠，因為背部測試值均為材料本身斷裂的測試值。

同樣，在國家標準中對紙—塑—鋁復合材料的熱封性能并無明確要求，但試驗已經表明，利樂枕的材料的熱封性能基本符合實踐要求，達到應用標準。

3.利樂磚與利樂枕熱封強度對比。利樂磚與利樂枕背部承受最大力均遠比底部和頂部承受的最大力要大（圖4），磚與枕相比又更強些，說明背部熱封強度均能夠承受較大外力，背部熱封位置均不會是破裂的薄弱環(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構，相對于枕來說受到外力時熱封位置可以得到一定保護。利樂枕頂部與底部熱封位置在受到外力時，相應承受的力應更大些，所以一定程度上利樂枕頂部和底部熱封位置相對較薄弱。圖中還表明，相對于背部，磚與枕的頂部和底部斷裂拉伸強度較小，但拉伸斷裂伸長率較高，說明雖然復合材料中紙板和鋁箔發(fā)生斷裂，但熱封后的內層PE粘合強度要高于復合材料本身內層PE的拉伸強度。

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

四、結論

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

參考文獻：

[1]馬梅.提高我國乳品消費水平的對策研究[J].內蒙古農業(yè)大學學報，2007，（04）：14-16.

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

[3]張向寧.液態(tài)奶復合紙包裝材料結構力學性能分析[J].內蒙古工業(yè)大學學報，2013，32（4）.

[4]GB/T 15171-1994—1994.軟包裝件密封性能試驗方法[S].北京：中國標準出版社，1994.

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

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

[7]GB/T 18192-2008—0001液體食品無菌包裝用紙基復合材料[S].北京：中國標準出版社，2008.