Bohdan Czerniawski, Jacek Frydrych, Bogusław Zdanowski, Centralny Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Opakowań (COBRO)
Powszechnie w technice opakowaniowej przyjęty angielski termin hot tack określa wytrzymałość świeżo uformowanej spoiny zgrzewanej, kiedy spoina ta nie jest jeszcze całkowicie zestalona.
Zgrzewanie zazwyczaj obejmuje fazę ogrzewania materiału, kiedy elektrody zgrzewające dociskają materiał zgrzewany i są poprzez ten materiał zwarte oraz fazę chłodzenia/zestalania, kiedy w przypadku ogrzewania ciągłego, elektrody są otwarte, a w przypadku ogrzewania impulsowego jeszcze przez pewien czas zwarte.
Po uzyskaniu wystarczającego stopienia polimerów, następuje wzajemna penetracja łańcuchów polimerów w warstwach tworzących spoinę zgrzewaną. Większość badań wytrzymałości połączeń zgrzewanych materiałów opakowaniowych i opakowań wykonywana jest po całkowitym ostudzeniu spoiny w temperaturze pokojowej (w laboratorium zazwyczaj w warunkach normalnych 230°C, 50% wilg. wzgl.).
W odniesieniu do zgrzewania badanie w takich warunkach jest często niewystarczające, a jak to zostanie przedstawione na przykładzie w dalszej części tej publikacji, może być nawet mylące dla oceny materiału opakowaniowego i dla przewidywania jego zachowania się w warunkach maszynowego formowania opakowań przez zgrzewanie, ich napełniania oraz zamykania.
Na rys. 1 (od a do g) zilustrowano rodzaje uszkodzeń, występujących przy rozrywaniu połączeń zgrzewanych.
Zilustrowany na rys. 1a przypadek dotyczy rozwarstwienia podczas badania wytrzymałości spoiny, rys. 1b przedstawia uszkodzenie występujące wewnątrz spoiny, ryc. 1c stanowi przypadek delaminacji.
Rys. 1d ilustruje uszkodzenie materiału, zaczynające się w obrębie spoiny zgrzewanej, a w przypadku rys. 1e oraz 1f wytrzymałość spoiny jest większa od wytrzymałości zgrzewanego materiału, który ulega zerwaniu (rys. 1e) lub też wydłużeniu (rys. 1f).
W przypadku zilustrowanym na rys. 1g wydłużalność materiału zgrzewanego i uformowanej spoiny kształtują się na zbliżonym poziomie, dlatego też wydłużają się równocześnie.
Podczas napełniania opakowań pakowanym produktem problem stanowi występowanie sił oddziałujących na rozrywanie świeżo uformowanej, nie całkowicie zestalonej jeszcze spoiny.
W sposób szczególnie drastyczny oddziaływanie to występuje w pionowym systemie vffs (z ang. vertical form fillseal – pionowe formowanie, napełnianie i zamykanie przez zgrzewanie), gdzie przy napełnianiu opakowania produkt spada z określonej wysokości, uderzając w formowaną spoinę.
Im większa szybkość pakowania i większa liczba taktów/minutę, tym mniej czasu pozostaje na zestalenie się spoiny zgrzewanej.
Badania w zakresie hot tack’u zarówno folii zgrzewalnych, jak i laminatów z warstwą zgrzewalną wykonywane są w COBRO, przy wykorzystaniu aparatu SL- 10 HT/ST, firmy Lako Tool& MFG Perrysburg OH (USA). Aparat SL-10 HT/ST jest to zgrzewarka o grzaniu ciągłym, z możliwością regulacji wszystkich podstawowych parametrów zgrzewania, dodatkowo wy-posażona w przystawkę do badania hot tack’u HT/ST (rys. 2), umożliwiająca rozrywanie spoiny z wybraną szybkością w zakresie od 1 do 200 mm/s, natychmiast po uformowaniu, jak też z ustalonym czasem zwłoki na wychłodzenie spoiny.
Dzięki wyposażeniu w przystawkę do badania hot tack’u HT/ST, aparat SL-10 HT/ST, poza zgrzewaniem staje się jednocześnie maszyną wytrzymałościową, umożliwiającą rozrywanie spoiny zgrzewanej.
Poza możliwością badań hot tack’u laminatów z udziałem warstwy zgrzewalnej wersja aparatu, którą dysponuje COBRO wyposażona jest dodatkowo w elektrody teflonowane, umożliwiające zgrzewanie folii poliolefinowych.
Zdarzają się niejednokrotnie przypadki, gdy kolejne partie produkcyjne folii polietylenowych, będących składnikiem laminatów, wyprodukowane z zastosowaniem tych samych polimerów wykazują znaczne zróżnicowanie hot tack’u. Przyczyna występowania tego rodzaju różnic nie zawsze jest łatwa do wyjaśnienia. Zbadanie hot tack’u w tym przypadku pozwala uniknąć jednak zastosowania do laminowania wadliwej folii, a tym samym reklamacji jakościowej laminatu. Folię polietylenową z nie zadowalającą wartością hot tack’u można wykorzystać wówczas do innych zastosowań, gdzie parametr ten nie ma tak istotnego znaczenia.
Użytkownicy folii i laminatów, przeznaczonych do automatycznego pakowania, zwłaszcza w pionowym systemie vffs, dotkliwie odczuwają negatywne skutki nieodpowiedniej wytrzymałości połączeń zgrzewanych, w warunkach pracy szybkobieżnych maszyn opakowaniowych, rozpowszechnionych we współczesnej technice opakowaniowej i coraz szerzej wykorzystywanych w kraju.
Prowadzone obserwacje wskazują, że główny problem w tym przypadku stanowi zbyt niska wytrzymałość gorącej jeszcze spoiny, bezpośrednio po jej uformowaniu.
Na wytrzymałość tę rzutuje zarówno czynnik materiałowy (skład warstwy zgrzewalnej), jak i maszynowy związany z parametrami zgrzewania (temperatura, czas, docisk wywierany na ogrzewane warstwy), a także wynikający z konstrukcji elektrod zgrzewających.
Czynniki te składają się na kształtowanie się hot tack’u, parametru, który w warunkach krajowych rzadko podlega ocenie laboratoryjnej. W praktyce właściwość ta sprawdzana jest dopiero w warunkach pracy maszyny pakującej, co w przypadku nie-trafienia w wymaganą wartość, powoduje straty materiałowe oraz przestoje maszyn.
Współczesną technikę pakowania, również i krajową, charakteryzuje stały wzrost szybkości maszyn pakujących, wymuszający stosowanie materiałów zgrzewalnych w niższej temperaturze zgrzewania, co umożliwia szybsze schłodzenie i łatwiejsze zestalanie się zgrzewanej spoiny.
Dla oceny efektów zgrzewania w przetwórstwie konieczne staje się niepoprzestawanie na tradycyjnym badaniu wytrzymałości połączeń zgrzewanych, ale wykonywanie również badania wytrzymałości spoiny zgrzewanej, natychmiast po jej uformowaniu.
Z dotychczasowej praktyki COBRO w zakresie badań hot tack’u zostaną przytoczone dwa przykłady ilustrujące znaczenie tej właściwości.
Pierwszy z nich dotyczy laminatu PET/PE stosowanego do pakowania jednokilogramowych porcji produktu sypkiego, w pionowym systemie formowania, napełniania i zamykania przez zgrzewanie (vffs). Oceniany laminat pochodził z dwu różnych partii produkcyjnych i według deklaracji dostawcy stanowił ten sam materiał. Laminat z tych dwu partii zdecydowanie różnił się jednak w warunkach pracy maszyny pakującej.
Przy wykorzystaniu laminatu z partii określanej jako materiał źle przetwarzalny uzyskanie spoin o wystarczającej wytrzymałości wymagało zasadniczego spowolnienia pracy maszyny, wyrażającego się ok. czterokrotnie mniejszą liczbą taktów (konieczność wydłużenia czasu chłodzenia) w porównaniu z laminatem dobrze przetwarzalnym.
W badaniu wytrzymałości połączeń zgrzewanych w warunkach normalnych, w których siłą rzeczy czas od momentu zgrzewania do wykonania badań jest odpowiednio długi uzyskano wynik dwukrotnie wyższy na korzyść laminatu z partii źle przetwarzalnej.
Istotne różnice na korzyść laminatu z partii dobrze przetwarzalnej wystąpiły natomiast w badaniach hot tack’u, gdzie – jak wskazuje rys. 3 – ok. dwa razy wyższe wartości zarejestrowano w przypadku laminatu z partii dobrze przetwarzalnej.
Przebieg krzywych na rys. 3 wskazuje też, że maksymalne wartości hot tack’u w oznaczeniach dla laminatu o dobrej przetwarzalności były wcześniej uzyskiwane, w porównaniu z laminatem źle przetwarzalnym, co stanowi również korzyść w praktyce.
Zaobserwowano ponadto wyraźne różnice w sposobie uszkodzenia rozrywanej spoiny po wykonaniu badania hot tack’u. W przypadku laminatu z partii źle przetwarzalnej występowała delaminacja, przy dobrze przetwarzalnym miało miejsce kohezyjne rozdzielenie spoiny zgrzewanej (rys. 1 b).
Podkreślić warto, że poza zróżnicowaniem wartości hot tack’u, badania widma w podczerwieni oraz analiza DSC (różnicowa kalorymetria skaningowa), wykonane w warstwie zgrzewalnej laminatu, nie wykazały różnic pomięd
zy dwiema partiami ocenianego laminatu.
Warto wspomnieć też o innym przykładzie dotyczącym laminatu PET/ trójwarstwowa folia PE współwytłaczana, gdzie badanie hot tack’u przyczyniło się do wykrycia błędu, który wystąpił w kolejności ułożenia warstw we współwytłaczanej folii PE. W folii tej pomyłkowo warstwę przeznaczoną do zgrzewania wprowadzono jako warstwę środkową, a więc nie przeznaczoną do zgrzewania (układ warstw określany jako ABA), przy czym warstwa B była przewidziana na warstwę zgrzewalną). Potwierdzeniem wystąpienia tego rodzaju pomyłki były jednakowe wartości hot tack’u, po obydwu stronach trójwarstwowej folii współwytłacznej w wadliwej partii laminatu oraz zdecydowanie wyższe po stronie zgrzewalnej laminatu o prawidłowym układzie warstw, to jest AAB. Układ warstw, w trójwarstwowej folii polietylenowej o składzie ABA (laminat z partii wadliwej), potwierdzono po usunięciu warstwy folii z PET oraz po zmyciu warstwy kleju i wykonaniu widm w podczerwieni oraz analizy DSC (różnicowa kalorymetria skaningowa).
Aktualnie COBRO jest przygotowane do wykonywania badań hot tack’u, przy wykorzystaniu aparatu SL-10 HT/ST zarówno dla folii poliolefinowych, głównie polietylenowych, jak i dla laminatów z udziałem warstw zgrzewalnych.
Poza badaniami wynikającymi z bieżących potrzeb przemysłu realizowana jest też szersza praca mająca na celu:
n wykonanie badań hot tack’u dla materiałów, w przetwórstwie których właściwość ta odgrywa istotne znaczenie, obejmujących w szczególności:
n folie i laminaty wykorzystywane w szybkobieżnych:
n pionowych maszynach pakujących typu f. f. s. (formowanie, napełnianie i zamykanie przez zgrzewanie),
n poziomych maszynach pakujących typu f. f. s. (formowanie, napełnianie i zamykanie przez zgrzewanie),
n innych typach maszyn opakowaniowych.
Przewiduje się wykonywanie badań przy różnych parametrach zgrzewania, jak i przy różnych parametrach oznaczania hot tack’u. Jednocześnie będą prowadzone obserwacje w przetwórstwie analizowanych materiałów. Pozwoli to z jednej strony na wytypowanie parametrów wykonywania badań najlepiej odzwierciedlających warunki występujące w praktyce, z drugiej strony przybliży zależność pomiędzy wynikami badań hot tack’u a rzeczywistym zachowaniem się materiału opakowaniowego w warunkach zgrzewania i napełniania formowanego opakowania.
Zakłada się, że w badaniach hot tack’u obok folii poliolefinowych, głównie współwytłaczanych PE i CPP zostaną uwzględnione laminaty z warstwami zgrzewalnymi, głównie z udziałem folii PET, w tym metalizowanej, a także laminaty z udziałem innych folii orientowanych oraz z udziałem folii Al.
Zakłada się również, że przynajmniej dla części materiałów poddawanych oznaczeniom hot tack’u będą prowadzone obserwacje w rzeczywistych warunkach pracy szybkobieżnych maszyn pakujących.
Ideę realizowanej pracy stanowi wprowadzenie wartości hot tack’u do specyfikacji materiałowych. Pozwoli to użytkownikom materiałów opakowaniowych na lepsze wykorzystanie możliwości maszyn pakujących i zminimalizowanie strat z powodu nieodpowiedniego doboru lub złej jakości materiału opakowaniowego. Stworzy to ponadto podstawy do kontroli zgodności dostarczanych materiałów z deklaracją producenta.
Przebadanie szerszego spektrum materiałów z punktu widzenia wartości hot tack’u będzie miało zarówno aspekt poznawczy poprzez rozszerzenie wiedzy w zakresie inżynierii materiałów opakowaniowych, jak i praktyczny poprzez określenie wartości tego parametru, który będzie mógł być zamieszczany w specyfikacjach folii i laminatów, zwłaszcza przeznaczonych do pakowania w pionowym systemie f. f. s.
Symbole literowe, stosowane do oznaczania polimerów oraz folii: Al – folia aluminiowa, PE – polietylen, PET – poliester (politereftalan etylenu).
Literatura
[1] Norma ASTM F 1921-98 (aktualizacja 2004) Standard Test Methods for hot seal Stregth (Hot Tack) of Thermoplastic Polymers and Blends Comprising the Sealing Surface of Flexible Webs
[2] Schubert G., Whatdoes „hot tack” mean?, referat wygłoszony podczas 13 konferencji TAPPI, Bregenz (Austria), 30 maj 2011
