食品安全威脅之生產線食品灌裝時發生包裝破袋

當前，機器主導的規模化生產遍布各個行業，集制袋、充填、封口于一體的全自動包裝機廣泛應用于食品、藥品等領域。在自動充填環節中，因熱封工藝參數的差異，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生破袋，既降低生產效率又造成經濟損失。技術人員需格外注意封邊尚未冷卻時的熱封強度，即通常所說的熱粘強度。

 2014年，濟南蘭光面向食品領域推出了一款包裝疑難問題匯總與答疑的手機軟件“包裝100問”受到眾多食品企業的推崇，近期關于“生產線食品灌裝時發生包裝破袋”的問題被屢次提及。長久以來，包裝破袋一直是行業內、媒體間研究的熱點，人們探討的角度多集中于流通和銷售環節的破袋，卻很少關注發生在生產線上的包裝破袋事故，殊不知這類事故每天都在上演，給生產者帶來了不可估量的經濟損失。

 當前，我國食品、藥品、日化等領域大多采用全自動包裝機進行規模化生產，實現了包裝制袋、充填、封口的不間斷流水式作業：包裝材料經縱封器和橫封器熱合為開口袋體，當物料進入包裝機頂部后被均量分割，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生強烈的沖擊應力，若袋底無法承受這一應力作用，會發生底部開裂的情況，即破袋。因規模生產的要求，生產線上“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度，因此生產線上破袋事故頻頻發生。為了有效防控這一問題，技術人員需格外注意封邊尚未冷卻時的熱封強度，即通常所說的熱粘強度。本文著重對包裝封邊熱粘強度的測試方法進行了介紹并舉例分析，希望對解決生產線破袋問題有所助益。

熱粘強度測試方法

 所謂熱粘強度為熱封結束后，封邊溫度未冷卻到環境溫度之前測定的熱封邊熱封強度。目前，包裝行業中熱粘強度的檢測多以ASTM F 1921《Standard Test Methods for Hot Seal Strength （Hot Tack） of Thermoplastic Polymers and Blends Comprising the Sealing Surfaces of Flexible Webs》（構成撓性腹板密封表面的熱塑聚合物和混合物的熱封強度的試驗方法）為依據。該標準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度，繪制相應曲線。

制取試樣

 標準要求熱粘強度測試需制備大量試樣，以保證測得數據具有良好的表征性。通常繪制熱粘曲線需要測試多個溫度點的熱粘強度，而每種材料在每個溫度條件下至少進行3次相同試驗，取平均值，共需25~50個試樣進行試驗。根據測試儀器的要求，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行單加熱或雙加熱，在樣品條表面施加一定壓力進行密封，因此操作人員需要根據試驗目的科學的設定上述熱封參數并輸入熱粘強度測試儀器。ASTM F 1921對此給出了些許建議：對于厚度不超過25μm的薄膜，熱封時間為0.5s,厚度于25μm到64μm之間的薄膜，熱封時間可延長至1s.此外熱封壓力可在15~30N/cm2范圍內設置。

熱粘強度測定

 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，按照一定速率持續分離，試樣逐漸被拉伸直至破裂，測試儀器記錄此時的力值，并根據公式（1）自動計算出熱粘強度。最終根據多種溫度下熱粘強度的測試結果繪制熱粘曲線。

B=F/b（1）

其中，B為熱粘強度，F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，強度也會逐漸上升，因此熱粘強度測試的首要要求是封頭張開后立即測試熱粘強度。但是試樣從熱封頭退出以及消除表面松弛均會導致測試延遲，故而明確計量封頭張開到熱粘強度測試值輸出之間的時間跨度對于試驗結果的準確性和可比對性有著重要意義。基于對上述時間跨度的不同計量方式，ASTM F 1921提供了兩種熱粘強度測試方法，二者都能夠在規定的范圍內，以及在儀器的試驗范圍和條件下對各種材料進行測試，因此不再贅述。

記錄試樣的破裂狀態

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

 “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，若發生此類破裂，說明該試樣所采用的熱封參數無法獲得足夠強度，仍需斟酌作進一步調整。模式B“內聚破裂”指的是一個或兩個密封材料同時發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。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，這個力即為內聚力，它是材料拉伸強度、抗壓強度的根本原因。當材料發生內聚破壞時，其自身的內聚力必定小于封邊的熱封強度，這意味著該條件下的熱封效果較好。模式C“表層與基質分層”的發生，是由于封口處的熱封強度較高但測試試樣部分層間的粘附力較差導致的，此種狀態同樣也表明了試驗試樣具有良好的熱封效果。除此之外，發生在熱封區域之外的材料斷裂（模式E）也體現了良好的熱封效果，但需要注意“熱封邊上材料斷裂”現象（模式D），這是熱封質量較差的顯著表現，需從熱封參數中尋找根源，避免再次發生。

熱粘強度測試案例

 為了更好的說明熱粘強度的測試要點，濟南蘭光包裝安全檢測中心對PA/PET/LDPE復合膜進行了不同熱封溫度的熱粘強度測試：

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

測試儀器：博每HTT-L1熱粘拉力試驗儀。

 參數設置及試驗：設置儀器的熱封持續時間為1s,熱封壓力為29N/cm2,延遲時間為100ms,夾具的分離速度設置為1500mm/min（儀器設備固定值）。設置起始熱封溫度為125℃，將試樣的密封面向上，夾持在熱粘拉力試驗儀上，進行熱粘強度的測試，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。試驗結果見表1和圖2. 

 破裂模式：A熱封層粘附破裂；B內聚破裂；C表層與基質分層；D熱封邊上的材料斷裂；E 熱封區域之外的材料斷裂。

 表1和圖2的測試數據顯示，試樣在125~137℃的熱封溫度條件下，熱粘強度隨熱封溫度的升高而加強，至137℃達到頂峰；隨后，熱封溫度繼續提高，熱粘強度反而隨之下降，呈負相關關系。

 從表1對破裂模式的記錄中可發現，熱封溫度在125℃時，5次平行試驗均發生了“熱封層粘附破裂”,此時熱粘強度較差；當溫度升至128~134℃之間，共15次平行試驗中，發生“表層與基質分層”的比率達到66.67%,熱粘強度獲得進一步提升；當溫度處于137~143℃區間內，材料破裂模式以“內聚破裂”和“熱封區域之外的材料斷裂”為主，分別占40%和46.67%,表明此刻材料的熱粘強度達到頂峰，熱封質量；當溫度繼續上升至152℃時，超過半數的試樣熱封邊處發生斷裂，表明此時熱封溫度過高，熱封質量顯著下降。綜合上述分析，針對PA/PET/LDPE復合膜材料建議采用137~143℃作為熱封溫度宜獲得良好的熱粘強度。

總結

 當前，機器主導的規模化生產遍布各個行業，集制袋、充填、封口于一體的全自動包裝機廣泛應用于食品、藥品等領域。在自動充填環節中，因熱封工藝參數的差異，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生破袋，既降低生產效率又造成經濟損失。為了降低生產線日益增長破袋率，相關企業應嚴格監測生產線上封邊的熱粘強度，隨時調整熱封時間、熱封溫度和熱等壓力等參數，結合生產線的實際情況總結的參數組合模式，以達到生產效率的化。