食品安全威脅之生產(chǎn)線包裝破袋分析

范珺

當(dāng)前，機(jī)器主導(dǎo)的規(guī)?；a(chǎn)遍布各個行業(yè)，集制袋、充填、封口于一體的全自動包裝機(jī)廣泛應(yīng)用于食品、藥品等領(lǐng)域。在自動充填環(huán)節(jié)中，因熱封工藝參數(shù)的差異，部分包裝的封邊在未冷卻時無法承受物料下落的沖擊力而發(fā)生破袋，既降低生產(chǎn)效率又造成經(jīng)濟(jì)損失。技術(shù)人員需格外注意封邊尚未冷卻時的熱封強(qiáng)度，即通常所說的熱粘強(qiáng)度。

2014年，濟(jì)南蘭光面向食品領(lǐng)域推出了一款包裝疑難問題匯總與答疑的手機(jī)軟件“包裝100問”受到眾多食品企業(yè)的推崇，近期關(guān)于“生產(chǎn)線食品灌裝時發(fā)生包裝破袋”的問題被屢次提及。長久以來，包裝破袋一直是行業(yè)內(nèi)、媒體間研究的熱點(diǎn)，人們探討的角度多集中于流通和銷售環(huán)節(jié)的破袋，卻很少關(guān)注發(fā)生在生產(chǎn)線上的包裝破袋事故，殊不知這類事故每天都在上演，給生產(chǎn)者帶來了不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。

當(dāng)前，我國食品、藥品、日化等領(lǐng)域大多采用全自動包裝機(jī)進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)，實現(xiàn)了包裝制袋、充填、封口的不間斷流水式作業(yè)：包裝材料經(jīng)縱封器和橫封器熱合為開口袋體，當(dāng)物料進(jìn)入包裝機(jī)頂部后被均量分割，垂直落入下方的開口袋體中，并隨之移動到下一個工位完成頂封封口。物料下落的過程會對袋底產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊應(yīng)力，若袋底無法承受這一應(yīng)力作用，就會發(fā)生底部開裂的情況，即破袋。因規(guī)模生產(chǎn)的要求，生產(chǎn)線上“熱封制袋”與“物料充填”兩道工序的間隔時間非常短，以致不足以使袋底熱封部位完全冷卻而獲得足夠的熱封強(qiáng)度，因此生產(chǎn)線上破袋事故頻頻發(fā)生。為了有效防控這一問題，技術(shù)人員需格外注意封邊尚未冷卻時的熱封強(qiáng)度，即通常所說的熱粘強(qiáng)度。本文著重對包裝封邊熱粘強(qiáng)度的測試方法進(jìn)行了介紹并舉例分析，希望對解決生產(chǎn)線破袋問題有所助益。

熱粘強(qiáng)度測試方法

所謂熱粘強(qiáng)度為熱封結(jié)束后，封邊溫度未冷卻到環(huán)境溫度之前測定的熱封邊熱封強(qiáng)度。目前，包裝行業(yè)中熱粘強(qiáng)度的檢測多以ASTM F 1921《Standard Test Methods for Hot Seal Strength （Hot Tack） of Thermoplastic Polymers and Blends Comprising the Sealing Surfaces of Flexible Webs》（構(gòu)成撓性腹板密封表面的熱塑聚合物和混合物的熱封強(qiáng)度的試驗方法）為依據(jù)。該標(biāo)準(zhǔn)僅適用于儀器化的精密測試，即自動對試樣加熱、自動熱封、自動測試熱封試樣的熱粘強(qiáng)度，繪制相應(yīng)曲線。

制取試樣

標(biāo)準(zhǔn)要求熱粘強(qiáng)度測試需制備大量試樣，以保證測得數(shù)據(jù)具有良好的表征性。通常繪制熱粘曲線需要測試多個溫度點(diǎn)的熱粘強(qiáng)度，而每種材料在每個溫度條件下至少進(jìn)行3次相同試驗，取平均值，共需25～50個試樣進(jìn)行試驗。根據(jù)測試儀器的要求，試樣寬度可為25mm或15mm。

熱封試樣

熱封是在一定的溫度、接觸時間和接觸壓力條件下，對上下兩個熱封頭進(jìn)行單加熱或雙加熱，在樣品條表面施加一定壓力進(jìn)行密封，因此操作人員需要根據(jù)試驗?zāi)康目茖W(xué)的設(shè)定上述熱封參數(shù)并輸入熱粘強(qiáng)度測試儀器。ASTM F 1921對此給出了些許建議：對于厚度不超過25μm的薄膜，最低熱封時間為0.5s，厚度于25μm到64μm之間的薄膜，最低熱封時間可延長至1s。此外熱封壓力可在15～30N/cm2范圍內(nèi)設(shè)置。

熱粘強(qiáng)度測定

試樣從熱封頭退出后，兩個夾具分別夾緊試樣兩頭未被熱封的部位，按照一定速率持續(xù)分離，試樣逐漸被拉伸直至破裂，測試儀器記錄此時的最大力值，并根據(jù)公式（1）自動計算出熱粘強(qiáng)度。最終根據(jù)多種溫度下熱粘強(qiáng)度的測試結(jié)果繪制熱粘曲線。

B=F/b（1）

其中，B為熱粘強(qiáng)度，F(xiàn)為力值（N），b為寬度（mm）。

由于試樣從熱封頭退出后隨即開始冷卻，強(qiáng)度也會逐漸上升，因此熱粘強(qiáng)度測試的首要要求是封頭張開后立即測試熱粘強(qiáng)度。但是試樣從熱封頭退出以及消除表面松弛均會導(dǎo)致測試延遲，故而明確計量封頭張開到熱粘強(qiáng)度測試值輸出之間的時間跨度對于試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可比對性有著重要意義?；趯ι鲜鰰r間跨度的不同計量方式，ASTM F 1921提供了兩種熱粘強(qiáng)度測試方法，二者都能夠在規(guī)定的范圍內(nèi)，以及在儀器的試驗范圍和條件下對各種材料進(jìn)行測試，因此不再贅述。

記錄試樣的破裂狀態(tài)

通常，試樣破裂時會呈現(xiàn)多種狀態(tài)，若要通過試驗進(jìn)行材料間熱粘性對比，需要對試樣的破裂狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)記錄并分析。圖1展示了5種常見的破裂模式，包括熱封層粘附破裂、內(nèi)聚破裂、表層與基質(zhì)分層、熱封邊上的材料斷裂、熱封區(qū)域之外的材料斷裂。

“熱封層粘附破裂”，如圖1中A模式，即為兩熱封材料之間的初始界面破裂的一種模式，若發(fā)生此類破裂，說明該試樣所采用的熱封參數(shù)無法獲得足夠強(qiáng)度，仍需斟酌作進(jìn)一步調(diào)整。模式B“內(nèi)聚破裂”指的是一個或兩個密封材料同時發(fā)生分離的一種破裂形式，分離可能與熱封平行，但熱封部分仍保持完好狀態(tài)。任何材料分子或原子間皆存在相互連接力來保證材料不被拉斷，這個力即為內(nèi)聚力，它是材料拉伸強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度的根本原因。當(dāng)材料發(fā)生內(nèi)聚破壞時，其自身的內(nèi)聚力必定小于封邊的熱封強(qiáng)度，這意味著該條件下的熱封效果較好。模式C“表層與基質(zhì)分層”的發(fā)生，是由于封口處的熱封強(qiáng)度較高但測試試樣部分層間的粘附力較差導(dǎo)致的，此種狀態(tài)同樣也表明了試驗試樣具有良好的熱封效果。除此之外，發(fā)生在熱封區(qū)域之外的材料斷裂（模式E）也體現(xiàn)了良好的熱封效果，但需要注意“熱封邊上材料斷裂“現(xiàn)象（模式D），這是熱封質(zhì)量較差的顯著表現(xiàn)，需從熱封參數(shù)中尋找根源，避免再次發(fā)生。

熱粘強(qiáng)度測試案例

為了更好的說明熱粘強(qiáng)度的測試要點(diǎn)，濟(jì)南蘭光包裝安全檢測中心對PA/ PET/LDPE復(fù)合膜進(jìn)行了不同熱封溫度的熱粘強(qiáng)度測試：

測試試樣：沿PA/PET/LDPE復(fù)合膜的縱向方向隨機(jī)裁制為寬15mm，長35cm的試樣條50個。

測試儀器：博每HTT-L1熱粘拉力試驗儀。

參數(shù)設(shè)置及試驗：設(shè)置儀器的熱封持續(xù)時間為1s，熱封壓力為29N/cm2，延遲時間為100ms，夾具的分離速度設(shè)置為1500mm/min（儀器設(shè)備固定值）。設(shè)置起始熱封溫度為125℃，將試樣的密封面向上，夾持在熱粘拉力試驗儀上，進(jìn)行熱粘強(qiáng)度的測試，做5次平行試驗。隨后每隔3℃做一組試驗，直至152℃熱粘強(qiáng)度明顯下降時為止，每個熱封溫度均做5次平行試驗。試驗結(jié)果見表1和圖2。

破裂模式：A熱封層粘附破裂；B內(nèi)聚破裂；C表層與基質(zhì)分層；D熱封邊上的材料斷裂；E 熱封區(qū)域之外的材料斷裂。

表1和圖2的測試數(shù)據(jù)顯示，試樣在125～137℃的熱封溫度條件下，熱粘強(qiáng)度隨熱封溫度的升高而加強(qiáng)，至137℃達(dá)到頂峰；隨后，熱封溫度繼續(xù)提高，熱粘強(qiáng)度反而隨之下降，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

從表1對破裂模式的記錄中可發(fā)現(xiàn)，熱封溫度在125℃時，5次平行試驗均發(fā)生了“熱封層粘附破裂”，此時熱粘強(qiáng)度較差；當(dāng)溫度升至128～134℃之間，共15次平行試驗中，發(fā)生“表層與基質(zhì)分層”的比率達(dá)到66.67%，熱粘強(qiáng)度獲得進(jìn)一步提升；當(dāng)溫度處于137～143℃區(qū)間內(nèi)，材料破裂模式以“內(nèi)聚破裂”和“熱封區(qū)域之外的材料斷裂”為主，分別占40%和46.67%，表明此刻材料的熱粘強(qiáng)度達(dá)到頂峰，熱封質(zhì)量最佳；當(dāng)溫度繼續(xù)上升至152℃時，超過半數(shù)的試樣熱封邊處發(fā)生斷裂，表明此時熱封溫度過高，熱封質(zhì)量顯著下降。綜合上述分析，針對PA/PET/ LDPE復(fù)合膜材料建議采用137～143℃作為熱封溫度宜獲得良好的熱粘強(qiáng)度。

總結(jié)

當(dāng)前，機(jī)器主導(dǎo)的規(guī)?；a(chǎn)遍布各個行業(yè)，集制袋、充填、封口于一體的全自動包裝機(jī)廣泛應(yīng)用于食品、藥品等領(lǐng)域。在自動充填環(huán)節(jié)中，因熱封工藝參數(shù)的差異，部分包裝的封邊在未冷卻時無法承受物料下落的沖擊力而發(fā)生破袋，既降低生產(chǎn)效率又造成經(jīng)濟(jì)損失。為了降低生產(chǎn)線日益增長破袋率，相關(guān)企業(yè)應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)測生產(chǎn)線上封邊的熱粘強(qiáng)度，隨時調(diào)整熱封時間、熱封溫度和熱等壓力等參數(shù)，結(jié)合生產(chǎn)線的實際情況總結(jié)最佳的參數(shù)組合模式，以達(dá)到生產(chǎn)效率的最優(yōu)化。