條盒透明紙熱封工藝研究及其應(yīng)用

0 引言

在卷煙消費(fèi)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的今天，產(chǎn)品質(zhì)量好壞關(guān)系到企業(yè)在這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的成敗，而卷煙產(chǎn)品的外包裝則在視覺(jué)上給消費(fèi)者帶來(lái)第一直觀感受，直接影響消費(fèi)者對(duì)香煙品牌的信心度。條盒透明紙包裝是卷煙產(chǎn)品生產(chǎn)的最后一步，透明紙經(jīng)過(guò)烙鐵熨燙覆蓋在條盒表面，隔離空氣、水分，延長(zhǎng)香煙的保質(zhì)期限，同時(shí)達(dá)到美觀的目的。但是現(xiàn)有的CV型條外透明紙包裝機(jī)生產(chǎn)的條煙，易出現(xiàn)條外透明紙松弛、皺褶等問(wèn)題，條煙輸出經(jīng)CCD外觀檢測(cè)后被剔除，只能采用人工熨燙方式進(jìn)行二次包裝整形處理，影響操作人員工作效率，降低設(shè)備的生產(chǎn)運(yùn)行效率。針對(duì)上述問(wèn)題，張振華在CV條煙出口處加裝一套上、下輥筒式熨燙烙鐵，對(duì)條煙上、下表面滾動(dòng)熨燙整形處理的同時(shí)帶動(dòng)條煙向前運(yùn)動(dòng)，避免條煙在兩個(gè)加熱體間長(zhǎng)時(shí)間停留；趙亮采用熱空氣對(duì)條盒透明紙進(jìn)行加熱收縮，改善香煙條包外觀質(zhì)量；胡茂正通過(guò)改進(jìn)熱封烙鐵驅(qū)動(dòng)裝置，使烙鐵板可以長(zhǎng)時(shí)間正常工作。但是上述改進(jìn)均存在包裝機(jī)組適用性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜熨燙方式繁瑣且無(wú)法確定最佳整形溫度等問(wèn)題。為此本文從條盒透明紙熱封工藝著手進(jìn)行研究，根據(jù)煙膜材料參數(shù)，應(yīng)用ANSYS軟件建立煙膜的有限元數(shù)學(xué)模型，以溫度為載荷，數(shù)字模擬了煙膜的熱傳導(dǎo)過(guò)程，并通過(guò)進(jìn)一步實(shí)際測(cè)試最終確定最佳整形溫度。

1 問(wèn)題分析

CV型條外透明紙包裝機(jī)在對(duì)條煙進(jìn)行透明紙包裝時(shí)，僅對(duì)條盒大面搭口與條盒兩端面搭口分兩次進(jìn)行熱封處理，其他三面無(wú)熱封處理。條盒大面搭口為雙層透明紙結(jié)構(gòu)，熱封溫度為110~140℃，條盒兩端面搭口為六層透明紙結(jié)構(gòu)，需要更高的溫度保證熱封質(zhì)量，一般為125~150℃。第一次在對(duì)條盒大面搭口進(jìn)行熱封處理時(shí)，透明紙受熱收縮產(chǎn)生的收縮力拉動(dòng)其他未受熱端面透明紙向受熱面蠕動(dòng)。第二次在對(duì)條盒兩端面進(jìn)行熱封處理時(shí)，由于熱封溫度更高進(jìn)而透明紙受熱收縮產(chǎn)生較前一次更大的收縮力，造成未受熱端面透明紙產(chǎn)生更大變形。若不考慮條盒內(nèi)部小包側(cè)面熱封過(guò)后的殘余溫度，條盒在進(jìn)行透明紙熱封前的初始溫度在室溫25℃左右，兩次熱封溫度均在110~150℃之間，所以熱封區(qū)域與未熱封區(qū)域溫差越大，熱封次數(shù)越多，條盒各面及邊緣處透明紙皺褶就越嚴(yán)重。所以熱封烙鐵分兩次分別對(duì)條盒大面搭口與條盒兩端面搭口進(jìn)行熱封處理，導(dǎo)致條盒各面受熱不均，透明紙不能均勻收縮且收縮量相差較大。這就是CV型條外透明紙包裝機(jī)生產(chǎn)出的條煙易出現(xiàn)條外透明紙松弛、皺褶等問(wèn)題的主要原因。為此基于以上分析針對(duì)條盒透明紙熱封工藝進(jìn)行研究，在最佳整形溫度條件下，使條盒六面透明紙收縮率一致從而達(dá)到消除條外透明紙松弛、皺褶等問(wèn)題的目的。

2 最佳整形溫度確定

2.1 透明紙整形原理

卷煙產(chǎn)品外表面包裹的一層透明紙被稱為熱封型雙向拉伸聚丙稀薄膜（熱封型BOPP薄膜），其內(nèi)部為三層復(fù)合型結(jié)構(gòu)薄膜如圖1所示，表層和底層材料為共聚PP，中間材料為均聚PP。BOPP薄膜在烙鐵溫度作用下開(kāi)始收縮，經(jīng)歷一段時(shí)間之后熱封層材料達(dá)到熔點(diǎn)變成熔融狀態(tài)，使其延展性與可塑性得到提高，在烙鐵壓力作用下共聚PP被攤平并且在烙鐵回升后均勻覆蓋在條盒表面，同時(shí)由于均聚PP熔點(diǎn)較共聚PP熔點(diǎn)高，當(dāng)共聚PP達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)均聚PP并未達(dá)到熔點(diǎn)，依舊保持良好的力學(xué)性能，在兩種材料共同作用下使整形過(guò)后的BOPP薄膜挺括、平整并保持一定強(qiáng)度。

圖1 BOPP薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 透明紙整形過(guò)程的ANSYS仿真

2.2.1 模型建立

烙鐵對(duì)條煙表面進(jìn)行整形處理時(shí)，熨燙溫度過(guò)高或者熨燙時(shí)間過(guò)長(zhǎng)都有可能造成透明紙燙破、烤焦變黃等問(wèn)題；熨燙溫度過(guò)低或者熨燙時(shí)間過(guò)短則達(dá)不到最佳整形效果。為了觀察在烙鐵溫度作用下薄膜內(nèi)部表層、中間層與底層的溫度變化情況，以此判斷薄膜內(nèi)部材料是否達(dá)到整形所需的熔融狀態(tài)，同時(shí)縮小在實(shí)際測(cè)試時(shí)熨燙溫度和熨燙時(shí)間的實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)范圍，因此根據(jù)表1煙膜材料參數(shù)，應(yīng)用ANSYS軟件建立煙膜的有限元數(shù)學(xué)模型，以溫度為載荷，模擬煙膜的熱傳導(dǎo)過(guò)程。

表1 BOPP薄膜材料參數(shù)

條煙大面搭口為雙層BOPP薄膜、條煙兩端面搭口為多層BOPP薄膜，其他面為單層BOPP薄膜，但由于條煙大面搭口與兩端面搭口已進(jìn)行過(guò)熱封處理，同時(shí)薄膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同且在整形過(guò)程中熱量均是從外層的熱封層開(kāi)始向內(nèi)傳遞經(jīng)過(guò)中間層最終傳遞到底層的熱封層，受熱情況相同，因此可對(duì)研究模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，僅分析單層BOPP薄膜整形過(guò)程。

2.2.2 ANSYS熱分析

CV型條外透明紙包裝機(jī)額定包裝速度為40條/分鐘，除去整形烙鐵熨燙、脫離時(shí)間需要在1s左右完成透明紙整形，同時(shí)根據(jù)表1熱封層共聚PP的熔點(diǎn)為105.92℃，中間層均聚PP的熔點(diǎn)為158.866℃，既要求熱封層達(dá)到熔融狀態(tài)增加薄膜的延展性與可塑性同時(shí)也要求中間層溫度低于熔點(diǎn)保持良好的力學(xué)性能，因此BOPP薄膜瞬態(tài)熱分析施加的整形溫度載荷范圍可取105.920℃＜T＜158.866℃。

第一次對(duì)BOPP薄膜熱分析模型上邊界施加T=150℃溫度載荷，在POST1處理器中分步讀取計(jì)算結(jié)果，顯示t=1s時(shí)BOPP薄膜溫度場(chǎng)分布云圖，如圖2所示，當(dāng)整形時(shí)間t=1s時(shí)表層最高溫度為150℃，底層最低溫度為120℃，中間層未達(dá)到熔點(diǎn)，因此整形溫度T=150℃時(shí)整形時(shí)間t=1s可作為后續(xù)實(shí)際測(cè)試條件。

圖2 T=150℃、t=1s時(shí)BOPP薄膜溫度場(chǎng)分布云圖

第二次對(duì)BOPP薄膜熱分析模型上邊界施加T=140℃溫度載荷，在POST1處理器中分步讀取計(jì)算結(jié)果，并顯示t=1s時(shí)BOPP薄膜溫度場(chǎng)分布云圖。如圖3所示，當(dāng)整形時(shí)間t=1s時(shí)表層最高溫度為140℃，底層最低溫度為120℃，中間層未達(dá)到熔點(diǎn)，因此整形溫度T=140℃時(shí)整形時(shí)間t=1s可作為后續(xù)實(shí)際測(cè)試條件。

圖3 T=140℃、t=1s時(shí)BOPP薄膜溫度場(chǎng)分布云圖

第三次對(duì)BOPP薄膜熱分析模型上邊界施加T=130℃溫度載荷，在POST1處理器中分步讀取計(jì)算結(jié)果，并顯示t=1s時(shí)BOPP薄膜溫度場(chǎng)分布云圖。如圖4所示，當(dāng)整形時(shí)間t=1s時(shí)表層最高溫度為130℃，底層最低溫度為120℃，中間層未達(dá)到熔點(diǎn)，因此整形溫度T=130℃時(shí)整形時(shí)間t=1s可作為后續(xù)實(shí)際測(cè)試條件。

圖4 T=130℃、t=1s時(shí)BOPP薄膜溫度場(chǎng)分布云圖

第四次對(duì)BOPP薄膜熱分析模型上邊界施加T=120℃溫度載荷，在POST1處理器中分步讀取計(jì)算結(jié)果，并顯示t=1s時(shí)BOPP薄膜溫度場(chǎng)分布云圖。如圖5所示，當(dāng)整形時(shí)間t=1s時(shí)表層最高溫度為120℃，底層最低溫度為115℃，中間層未達(dá)到熔點(diǎn)；因此整形溫度T=120℃時(shí)整形時(shí)間t=1s可作為后續(xù)實(shí)際測(cè)試條件。

圖5 T=120℃、t=1s時(shí)BOPP薄膜溫度場(chǎng)分布云圖

同理對(duì)BOPP薄膜熱分析模型上邊界施加T=145℃、T=135℃、T=125℃、T=115℃溫度載荷時(shí)薄膜表層最高溫度、底層最低溫度、中間層狀態(tài)如表2所示。

表2 不同溫度載荷時(shí)薄膜表層最高溫度、底層最低溫度、中間層狀態(tài)

2.3 數(shù)據(jù)分析與實(shí)際測(cè)試

根據(jù)以上不同溫度載荷及不同熨燙時(shí)間條件下經(jīng)ANSYS熱分析得出BOPP薄膜溫度場(chǎng)分布云圖，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，由表3可見(jiàn)當(dāng)邊界溫度載荷為130℃、整形時(shí)間為1s時(shí)，薄膜表層溫度為130℃、底層溫度為120℃，表層和底層材料共聚PP均達(dá)到熔融狀態(tài)，中間層材料均聚PP未達(dá)到熔點(diǎn)依舊保持良好的力學(xué)性能，條煙六面透明紙整形可以達(dá)到平整挺括的效果。

表3 t=1s時(shí)薄膜表層、底層溫度與實(shí)際測(cè)試效果

綜上所述在烙鐵溫度設(shè)定為130℃、整形時(shí)間為1s時(shí)可以達(dá)到最優(yōu)的整形效果。整形前后效果對(duì)比如圖6所示。

圖6 整形前后效果對(duì)比圖

3 結(jié)論

針對(duì)CV型條外透明紙包裝機(jī)生產(chǎn)出的條煙易出現(xiàn)條外透明紙松弛、皺褶等問(wèn)題的主要原因?qū)l盒透明紙熱封工藝進(jìn)行研究。采用ANSYS軟件對(duì)薄膜進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)進(jìn)一步實(shí)際測(cè)試確定了最佳整形溫度為130℃、整形時(shí)間為1s，該研究成果投入實(shí)際應(yīng)用后，因條盒透明紙包裝質(zhì)量缺陷，導(dǎo)致條煙剔除由60條/班次，減少至10條/班次，有效地提高了條盒透明紙包裝質(zhì)量。