torebek z zamknięciem strunowym, badane wyjątkowo czułą metodą detekcji wodoru, wykazują odporność na przeciek wodoru. Przeciek zaobserwowano jedynie w miejscach łączenia 4 warstw w dnie torebek. Udział powierzchni styku 4 warstw laminatu (wynoszącej ~1 mm2) w powierzchni torebek rzędu kilkudziesięciu tysięcy mm2 w minimalnym stopniu może wpływać na przenikalność pary wodnej badanych opakowań. Podkreślenia wymaga fakt zachowania przez torebki z serii prototypowej ze wszystkich rodzajów laminatów szczelności na wodę. IN ENGLISH: RESULTS OF RESEARCH OF DOYPACK PACKAGING FOR HUMIDITY SENSITIVE PRODUCTS; ABSTRACT: Start of doypack packaging production in PPHU EWA Strękowski sp.j. was preceded by a series of prototype testing done in COBRO – Packaging Research Institute. This paper is a presentation of the results of these test. As far as the barrier against water vapor is concerned, the best results for laminates containing exclusively polypropylene, this is BOPP/CPP type, were obtained. Strength of heat sealing joints at optimal sealing parameters, proved to be sufficiently high. Tightness of the bags was checked with use of extremely sensitive hydrogen detection method. Heat sealing joints of the sides joints of the bags, including joints of the body of bags with zipper closures, proved to be resistant for leakage of hydrogen. Slight leakage of hydrogen in the places of four layers sealing, in the bottom of the bags was only found. Share of the surface of four layers of laminate, amounting to ~1 mm2, comparing with the surface of bags in the range of tens thousands of square millimeters, in minimal degree only can influence water vapor transmission rate of the bags. Tightness for water of all the bags of tested prototype series, should be underlined.
1. Wstęp
W publikacji, która ukazała się w nr 1/2015 czasopisma Opakowanie [1], scharakteryzowano pozycję opakowań typu doypack, zaliczanych w technice światowej do najbardziej rozwojowego segmentu opakowań giętkich, oraz omówiono wykonane w COBRO prace poprzedzające uruchomienie produkcji tego typu opakowań. Uzyskane wyniki zostały wykorzystane w podjętej już produkcji w PPHU EWA Strękowski sp. j. W niniejszej publikacji przedstawione zostaną rezultaty wykonanych w Instytucie badań prototypowej serii opakowań typu doypack.
2. Przedmiot badań
Przedmiot badań stanowiła seria prototypowa torebek stojących typu doypack z zamknięciem strunowym, umożliwiającym wielokrotne otwieranie i ponowne dość szczelne zamykanie opakowań. Opakowania te były wykonane przy wykorzystaniu prototypowego urządzenia produkcyjnego w PPHU EWA Strękowski sp. j., w ramach realizacji umowy o współpracę z COBRO – Instytutem Badawczym Opakowań. Wykorzystane urządzenie produkcyjne dostosowane jest do łączenia z korpusem torebki zamknięć strunowych zarówno z PE, jak i z PP, przy odpowiednio dostosowanej warstwie wewnętrznej użytego laminatu. Poddane ocenie opakowania były wykonane z laminatu z warstwami zgrzewalnymi z folii CPP, dlatego też zawierały zamknięcia z PP. Seria prototypowa obejmowała torebki typu doypack, scharakteryzowane w tab. 1.
3. Metodyka badań
3.1. Badanie przenikalności pary wodnej dla laminatów z serii prototypowej opakowań typu doypack
Jak zaznaczono w poprzedniej części opracowania [1], w związku z podstawowym przeznaczeniem nowych opakowań do produktów wrażliwych na wilgoć, doboru materiałów opakowaniowych dokonano ze względu na maksymalną barierowość w stosunku do pary wodnej. Dlatego też w ocenie serii prototypowej uzyskanych opakowań określenie przenikalności pary wodnej laminatów użytych produkcji należało do zadań priorytetowych.
Zgodnie z procedurami stosowanymi w COBRO – Instytucie Badawczym Opakowań badanie przenikalności pary wodnej wykonywane jest w oparciu o wymagania amerykańskiej normy ASTM F 1249-05 [2]. Badanie prowadzane jest przy wykorzystaniu aparatu Permatran W3/31 MW Master marki Mocon. W aparacie tym komora pomiarowa składa się z dwóch części, tzw. suchej, oddzielonej próbką badanej folii od części komory tzw. mokrej, o znanej i kontrolowanej wilgotności i temperaturze. Do uszczelnienia wykorzystywany jest neoprenowy O-ring. Para wodna przenikająca przez badaną próbkę z komory mokrej miesza się z gazem nośnym, to jest azotem, przepływającym przez komorę suchą i jest poprzez ten gaz przenoszona na czujnik podczerwieni. Czujnik mierzy wartość energii zabsorbowanej przez parę wodną, wytwarzając sygnał elektryczny, którego amplituda jest proporcjonalna do stężenia pary wodnej przenikającej przez badaną próbkę z komory mokrej do suchej.
Amplituda sygnału elektrycznego wytwarzanego w przypadku przenikalności pary wodnej badanego materiału jest porównywana z amplitudą sygnału uzyskiwanego przy badaniu folii kalibracyjnej o znanej przenikalności pary wodnej, co pozwala określić przenikalność pary wodnej przez badaną folię.
W zastosowanym aparacie powierzchnia badanej próbki, którą wyznacza wewnętrzny wymiar O-ringu, wynosi 50 cm2. Wynik pomiaru przenikalności pary wodnej przeliczany jest na powierzchnię 1 m2 oraz na czas 24 h. Przyjętą jednostką przenikalności pary wodnej jest cm3/m2 x 24h.
W wykonanych badaniach przenikalność pary wodnej oznaczano przy temp. 38°C i wilgotności względnej 90%.
3.2 Badanie wytrzymałości połączeń zgrzewanych
Badania wytrzymałości spoin zgrzewanych na rozrywanie wykonywano przy wykorzystaniu maszyny Instron. Szerokość próbek wyciętych z torebek, ze spoinami w środkowej części tych próbek, wynosiła 15 mm.
Podstawę badań wytrzymałości spoin zgrzewanych stanowiły ustalenia norm PN-EN ISO 527-1:2012 [3], PN-EN ISO 527-3:1998 [4] oraz PN-C-89258-1-1997 [5]. Wykonywano po pięć oznaczeń, wykorzystując próbki pobrane z różnych miejsc na długości spoiny zgrzewanej.
3.3. Badania szczelności opakowań typu doypack metodą detekcji wodoru
W badaniach szczelności opakowań wykorzystano opracowaną w COBRO metodę detekcji wodoru [6]. Z doświadczeń Instytutu wynika, iż metoda detekcji wodoru umożliwia wykrycie najmniejszych nawet nieszczelności, które mogą wystąpić w opakowaniach, oraz że metoda ta szczególnie dobrze nadaje się do oceny opakowań, w których występują połączenia zgrzewane.
W przypadku serii prototypowej torebek stojących typu doypack badania wykonano po napełnieniu torebek mieszaniną azotu z wodorem (97% N2 i 3% H2) oraz po szczelnym zamknięciu torebek przez zgrzewanie, powyżej zamknięcia strunowego. W badaniach wykorzystano aparat do detekcji wodoru ATEQ PL sp. z o.o. wyposażony w sondę pomiarową Loktracer TLD 500 (rys. 1.).
Torebki napełnione mieszaniną azotu z wodorem badano w dwóch pozycjach, przy ocenie:
n spoin zgrzewanych na krawędziach bocznych torebek ułożonych poziomo i dociskanych ręcznie;
n spoin zgrzewanych w dnie torebek, po ich odwróceniu i ustawieniu pionowym, dnem do góry.
W wykonanych pomiarach dla wykrycia ewentualnego przecieku wodoru sondę pomiarową przesuwano wzdłuż zewnętrznej strony spoiny zgrzewanej.
4. Wyniki badań
Przedstawiona ocena serii prototypowej torebek stojących typu doypack obejmuje wyniki badań:
n przenikalności pary wodnej próbek laminatów pobranych z torebek;
n wytrzymałości połączeń zgrzewanych;
n szczelności metodą wodorową, po napełnieniu mieszaniną gazów torebek ułożonych na płasko, pod dociskiem ręcznym;
n szczelności metodą wodorową, po napełnieniu mieszaniną gazów torebek ustawionych pionowo, po ich odwróceniu dnem do góry;
n szczelności torebek na wodę.
4.1 Badanie przenikalności pary wodnej laminatów pobranych z serii prototypowej torebek typu doypack
Wyniki badań przenikalności pary wodnej laminatów pobranych z poddanych ocenie torebek typu doypack zestawiono w tab. 2.
Wyniki zestawione w tab. 2. wskazują na wzrost barierowości (niższa przenikalność pary wodnej) w miarę wzrostu grubości w laminacie warstwy CPP oraz na ogólnie wyższą barierowość laminatów zawierających wyłącznie polipropylen, to jest typu BOPP/CPP, w porównaniu z laminatami zawierającymi PET jako warstwę wierzchnią, to jest PET/CPP. Obecność folii BOPP w laminacie BOPP/CPP korzystnie wpływa na wzrost jego barierowości w stosunku do pary wodnej.
4.2 Wyniki badań wytrzymałości połączeń zgrzewanych w opakowaniach typu doypack z serii prototypowej
Wytrzymałość połączeń zgrzewanych w torebkach typu doypack wykonanych na urządzeniu produkcyjnym, zbadanych zgodnie z metodyką przytoczoną w punkcie 3.2., odrębnie dla każdej z dwóch bocznych spoin torebek z serii prototypowej, zestawiono w tab. 3.
Spoiny zgrzewane w torebkach typu doypack z serii prototypowej, przekazanej przez producenta do badań w COBRO, odznaczały się zadawalająco wysokim poziomem wytrzymałości połączeń zgrzewanych, przy akceptowalnym rozrzucie wyników (wartości odchyleń standardowych SD). W przypadku laminatów PET/CPP zaznaczył się też wpływ wzrostu grubości warstwy zgrzewalnej na wzrost wytrzymałości połączeń zgrzewanych. Przebieg krzywych zarejestrowany podczas badania wytrzymałości połączeń zgrzewanych w torebkach doypack z serii prototypowej na przykładzie laminatu BOPP/CPP 20/40 µm zaprezentowano na wykr. 1.
Przedstawiony na przykładzie laminatu BOPP/CPP 20/40 µm przebieg krzywych zarejestrowanych podczas badania wytrzymałości połączeń zgrzewanych w torebkach z tego laminatu wskazuje na prawidłowo dobrane parametry zgrzewania.
4.3 Wyniki badań szczelności metodą detekcji wodoru opakowań typu doypack z serii prototypowej
Torebki po napełnieniu mieszaniną gazów o zawartości 97% azotu oraz 3% wodoru po szczelnym zamknięciu przez zgrzewanie powyżej zamknięcia strunowego zbadano metodą detekcji wodoru, opisaną w punkcie 3.3. Badania wykonano dla torebek napełnionych mieszaniną gazów:
n ułożonych na płasko pod dociskiem ręcznym;
n ustawionych pionowo, po ich odwróceniu dnem do góry.
Badania szczelności torebek ułożonych na płasko pod dociskiem ręcznym
n w żadnej z torebek ze wszystkich rodzajów laminatów nie stwierdzono przecieku wodoru przez zgrzewane spoiny boczne, w tym również w miejscach połączeń torebek z zamknięciem strunowym;
n spoiny zgrzewane w dnie torebek, w miejscu łączenia
4 warstw, w przypadku torebek ze wszystkich rodzajów laminatów nie wykazały jednak odporności na przeciek wodoru.
Badania szczelności torebek ustawionych pionowo, po ich odwróceniu dnem do góry
Wyniki badań metodą detekcji wodoru torebek, napełnionych mieszaniną gazów ustawionych pionowo, po ich odwróceniu dnem do góry, okazały się zgodne z uzyskanymi w przypadku torebek napełnionych mieszaniną gazów ułożonych na płasko dociskanych ręcznie, to jest:
n w żadnej z torebek ze wszystkich rodzajów laminatów nie stwierdzono przecieku wodoru przez zgrzewane spoiny boczne, w tym również w miejscach połączeń torebek z zamknięciem strunowym;
n spoiny zgrzewane w dnie torebek, w miejscu łączenia
4 warstw, w przypadku torebek ze wszystkich rodzajów laminatów, podobnie jak to miało miejsce w przypadku torebek ułożonych na płasko, pod dociskiem ręcznym nie wykazały odporności na przeciek wodoru.
Komentując wyniki badania szczelności torebek stojących typu doypack z serii prototypowej na przeciek wodoru należy wziąć pod uwagę następujące kwestie:
n miejsce przejścia w połączeniach zgrzewanych z 2 na 4 warstwy laminatu stanowi punkt krytyczny, jeśli chodzi o szczelność, w różnych rodzajach opakowań, w których tego rodzaju połączenia występują;
n dla wyeliminowania ewentualnej nieszczelności w połączeniach zgrzewanych w miejscu łączenia czterech warstw, podejmowane są próby stosowania różnych rozwiązań, rzadko w pełni skutecznych;
n wodór jest gazem lżejszym od powietrza i przeciek wodoru, który może wystąpić w przypadku najmniejszej nawet szczeliny, nie jest równoznaczny z przenikaniem innych gazów, w tym także pary wodnej;
n przy całkowitej powierzchni najmniejszej nawet z badanych torebek – wynoszącej ~25000 mm2 – udział powierzchni styku 4 warstw laminatu – wynoszącej ~1 mm2 – w minimalnym tylko stopniu może rzutować na przenikalność pary wodnej analizowanych opakowań.
4.4 Próby szczelności na wodę torebek stojących typu doypack z serii prototypowej
Próby szczelności na wodę torebek z laminatów PET/CPP 12/40 i BOPP/CPP 20/40, o wymiarach 250 x 157 mm oraz z BOPP/CPP 20/50 o wymiarach 196 x 127 mm polegały na napełnieniu tych torebek wodą do wysokości umożliwiającej zaciśnięcie zamknięcia strunowego. Ilość wody w torebkach o wymiarach 250 x 157 mm wynosiła ~1167 g, co odpowiadało wysokości słupa wody ~190 mm, a w torebce 196 x 127 mm ~535 g, przy wysokości słupa wody ~145 mm.
Napełnione wodą torebki, ustawione w pozycji pionowej i oceniane po upływie 24 h, zachowały szczelność. Torebka z laminatu PET/CPP 12/50 o wymiarach 297 x 232 mm napełniana wodą aż do ilości 2000 g zachowywała szczelność. Podkreślenia wymaga fakt zachowania szczelności na wodę torebek z serii prototypowej ze wszystkich rodzajów laminatów, pomimo wykazanych w badaniu metodą detekcji wodoru przecieków tego gazu w miejscu łączenia 4 warstw laminatu w dnie torebek.
5. Podsumowanie
Badane serie prototypowe opakowań doypack bazowały na wykorzystaniu laminatów z folią CPP jako warstwą zgrzewalną. Nie przesądza to o wytwarzaniu w przyszłości również laminatów z warstwą wewnętrzną z folii PE, co będzie oczywiście wymagało użycia polietylenowych zamknięć strunowych. Ze względu na barierowość w stosunku do pary wodnej, a także podstawowe przeznaczenie nowych opakowań doypack do produktów wrażliwych na wilgoć, najkorzystniejsze wyniki uzyskuje się w przypadku laminatów zawierających wyłącznie polipropylen, to jest typu BOPP/CPP. Jednakże ze względów technologicznych wytwarzania opakowań,
jak też w celu uzyskiwania torebek o lepszej płaskości, w asortymencie produkcyjnym proponuje się uwzględnić także wersje laminatów z udziałem folii PET 12 µm.
Połączenia w torebkach wykonane w zoptymalizowanych parametrach zgrzewania odznaczają się zadawalająco wysokim poziomem wytrzymałości. Połączenia zgrzewane badane wyjątkowo czułą metodą detekcji wodoru wykazywały odporność na przeciek wodoru, z wyłączeniem miejsc łączenia 4 warstw w dnie torebek. Podkreślenia wymaga fakt zachowania szczelności na wodę torebek z serii prototypowej z wszystkich rodzajów laminatów, pomimo stwierdzonego przecieku wodoru w miejscu łączenia 4 warstw laminatu w dnie torebek.
Wykonane badania serii prototypowej torebek typu doypack wskazują, że zastosowanie znaleźć może każda z wersji laminatów wymienionych w tab. 1. W przypadkach, w których barierowość w stosunku do pary wodnej stanowi parametr krytyczny, preferowane powinny być laminaty o obydwu warstwach bazujących na polipropylenie, to jest typu BOPP/PE.
LITERATURA
[1] Strękowski B., Godlewska E., Czerniawski B., Uruchomienie produkcji nowoczesnych opakowań typu doypack, „Packaging Spectrum,
Blok Naukowy COBRO – Instytutu Badawczego Opakowań”, „Opakowanie” nr 1/2015, s. 65.
[2] Norma amerykańska ASTM F 1249-05 Standard Test Method for Water Vapor Transmission Rate through Plastic Film and Sheeting using a Modulated Infrared Sensor.
[3] Polska Norma PN-EN ISO 527-1:2012 Tworzywa sztuczne – Oznaczanie właściwości mechanicznych przy statycznym rozciąganiu – Zasady ogólne.
[4] Polska Norma PN-EN ISO 527-3:1998 Tworzywa sztuczne – Oznaczanie właściwości mechanicznych przy statycznym rozciąganiu – Warunki badań folii i płyt.
[5] Polska Norma PN-C-89258-1-1997 Tworzywa sztuczne – Folie opakowaniowe.
[6] Frydrych J., Zdanowski B., Kolado W., Pawlicka M., Sulik T., Opracowanie metody badania szczelności opakowań oraz połączeń i zamknięć w opakowaniach, przy wykorzystaniu aparatu do detekcji wodoru, praca statutowa, temat nr 101/005/1 COBRO, 2013.
