Характеристики истирания многослойных пленок для пищевой упаковки, полученных методом экструзии и ламинирования клеем.

Многослойные гибкие полимерные пленки находят широкое применение в пищевой промышленности, сельском хозяйстве, медицине, электронной упаковке и других областях.
В процессе производства многослойных пленок для склеивания нескольких мембранных сеток обычно используется ламинирование.
Наиболее распространенными методами ламинирования являются склеивание, экструзия и ламинирование.
Во многих областях применения упаковки крайне важно сохранять структурную целостность пленки, чтобы предотвратить потерю продукта.
Следовательно, это приводит к потере прибыли.
В процессе розлива, транспортировки и переработки продукции пленка должна сохранять свою структурную целостность, чтобы обеспечить стерильность, свежесть, внешний вид продукта и другие ключевые характеристики.
Одна из главных проблем заключается в нарушении целостности мембраны, что приводит к потере барьерных свойств, ухудшению качества упаковки и/или изменению давления.
Ввиду ограничений лабораторных методов испытаний большинства упаковочных пленок и отсутствия прямой корреляции между результатами лабораторных испытаний и эксплуатационными характеристиками, точные испытания на сопротивление проколам проводились на производственных линиях в заводских или опытно-промышленных условиях.
Это трудоемкий процесс, в результате которого производится большое количество продукции.
Следовательно, существует необходимость в разработке подхода к лабораторным испытаниям, который был бы актуален для повышения эффективности в реальных условиях.
Кроме того, для лучшего понимания механизма прокола, пленка, полученная различными методами ламинирования, была оценена на одном слое путем...
Послойное нанесение покрытия после повреждения будет очень полезным.
Возможность более четко понимать вклад каждого слоя пленки в ее противопожарные свойства способствует проектированию и оптимизации ламинированной пленки с целью создания более прочной и устойчивой к проколам пленки.
Ранее было проведено множество исследований с целью разработки объективного стандартизированного метода испытаний для определения сопротивления царапинам в объемных полимерах (1-7).
Кроме того, была проведена работа по изучению влияния различных свойств материалов и параметров испытаний, а также того, как они влияют на поведение различных полимеров при царапании, включая добавки (4), (5), (8), (9), скорость испытания (10), температуру (11) и влажность (12).
В сочетании с вышеизложенным исследованием, два блока (13-15)
Система покрытия (16-21).
Полученные результаты оказались полезными для понимания поведения при царапании в объемных и покрывающих системах.
Понимание того, как независимые полимерные упаковочные пленки реагируют на схожие подходы, остается относительно новой концепцией.
В наших предыдущих работах подчеркивается неприменимость многих существующих методов тестирования к реальным характеристикам упаковочных пленок.
Эти методы тестирования включают растяжение, медленный прокол, разрыв по Эльмендорфу и тест Гельбофлекса (22).
Подобные царапины были обнаружены на многих пленках для пищевой упаковки, и было установлено, что традиционные лабораторные испытания этих пленок не обязательно соответствуют результатам полевых испытаний механической целостности пленки во время наполнения, транспортировки и обработки. Харе и др.
Продолжайте модифицировать и проверять применимость стандартизированного метода испытаний на царапины ASTM/ISO (22-24).
Были протестированы параметры испытания на царапание и свойства пленки, включая скорость царапин, материал подложки, приспособления для фиксации пленки, сторону пленки и ориентацию пленки.
Результаты показывают, что разработанный метод позволяет получать стабильные и количественные данные об упаковочных пленках, относящиеся к характеристикам в полевых условиях.
Кроме того, повреждения, обнаруженные при проверке на царапины, связаны с повреждениями, выявленными на упаковке, используемой на месте.
На основе этого метода Харе и др.
Были протестированы две пленки для упаковки пищевых продуктов с целью установления корреляции между их характеристиками в полевых условиях, устойчивостью к царапинам и свойствами многослойной упаковки.
Анализ с использованием разработанного микроскопа поперечного сечения.
Процедуры нарезки и получения изображений (25).
Установлено, что благодаря свойствам прогрессивной нагрузки вышеуказанных методов испытаний модифицированный тест на царапание может быть использован для эффективной оценки реакции различных нагрузок и типов повреждений на тест на царапание путем размещения упорядоченного слоя (25).
Исследования показали, что для исследуемой системы пленок пленки с превосходными свойствами царапания тесно связаны с заданными характеристиками поля и демонстрируют превосходную адгезию слоев и целостность на протяжении всего испытания на царапание, поскольку все слои способствуют распределению напряжения по всему слою (25).
Очевидно, что разработанный метод испытания на царапание обеспечивает многофункциональные параметры тестирования, которые могут быть использованы для создания условий, аналогичных тем, с которыми изделие столкнется в полевых условиях, и, следовательно, предоставляет очевидные преимущества перед другими методами тестирования.
Анализ результатов тестирования с помощью кросс-исполнения
И портрет
Срезы поврежденных образцов.
В частности, поскольку в ходе испытания на царапание нагрузка постепенно увеличивается на заданной длине, один и тот же образец можно анализировать во многих точках траектории царапания, что позволяет проводить анализ при различных уровнях нагрузки.
Эволюцию повреждений внутри слоя можно визуализировать и проанализировать, чтобы определить преимущества и недостатки инженерных пленочных структур, что в настоящее время невозможно сделать с помощью других коммерческих методов тестирования.
В этих экспериментах использовалась экспериментальная модель системы Film, предоставленная крупной компанией по производству пищевой упаковки. (EL)
Ламинированная пленка и самоклеящаяся (AL) пленка.
Обе пленки имеют схожую структуру, в которой запатентованный набор экструдированных олефиновых герметизирующих слоев сочетается с ориентированным по металлу полиэтилентерефталатом (металлизированным ПЭТ).
В обеих пленках используется абсолютно одинаковый закрытый слой, и единственное различие между ними заключается в методе обработки, с помощью которого они прикрепляются к металлизированному слою ПЭТ.
Система ламинированной пленки с клеевым слоем использует набор герметизирующих слоев, соединенных с металлизированным ПЭТ посредством адгезивных аминогрупп, в результате чего между герметизирующим слоем и металлизированным ПЭТ образуется промежуточный слой, облегчающий адгезию.
В системе экструзионно-ламинированной пленки используется тот же набор герметизирующих слоев, которые соединяются с металлизированным слоем ПЭТ, а в процессе экструзии через систему пресс-форм применяется комбинация тепла и давления.
Аномальная толщина клеевой ламинированной пленки [98 [микро]
М, а номинальная толщина экструдированной ламинированной пленки составляет 106 мкм.
Схематическое изображение фильма представлено на рисунке 1.1.
Длина образца для нанесения царапины составляет 6 дюймов, ширина — 2,5 дюйма (15,24 x 6,35 см).
Испытание на царапание проводилось на гребном тренажере четвертого поколения производства компании Surface Machine Systems.
Для каждого теста используйте не менее восьми образцов.
Метод испытания на царапины: испытание на царапины проводится в соответствии со стандартным методом испытания на царапины ASTM D7027.
05/1 S0 19252: 08 (26), (27).
Хотя машина похожа на машину с линейным увеличением нагрузки, метод был модифицирован для проведения испытаний независимой упаковочной пленки (22), (25).
Поскольку переменная, характеризующая испытание на царапание, оказывает существенное влияние на поведение пленки, эта переменная выбрана таким образом, чтобы получить стабильные и надежные результаты.
Для фиксации пленки на мягком материале используйте пневматическое приспособление, создав вакуум в 86 байпа под образцом, что позволит равномерно закрепить пленку по всей поверхности под воздействием окружающего давления воздуха.
В качестве подложки используется полиэтилен (
Мма)(ПММА).
Длина царапины установлена ​​на 100 мм, а скорость царапины при использовании метода 1-1 составляет 1 мм/с.
Сферический наконечник из нержавеющей стали диаметром мм.
Скорость царапания выбирается в соответствии со скоростью обработки продукта, ожидаемой в процессе сервисного обслуживания на объекте.
Пленка была протестирована на внешней поверхности в обоих направлениях движения машины (MD).
И горизонтальный (TD)
Режиссура фильма.
Диапазон линейной нагрузки для испытаний на царапание установлен в пределах 1-15 Н.
Конечная нагрузка была выбрана таким образом, чтобы вызвать прокол в диапазоне примерно от 50% до 75% от общей длины царапины.
Анализ повреждений от царапин, например, поведение полимеров при царапинах.
При испытании пленки на твердом мягком материале наблюдается скольжение относительно жесткости пленки (28-30), (25). Цзян и др.
Показано, что, хотя наконечник царапины спроектирован таким образом, чтобы двигаться с постоянной скоростью, из-за трения между наконечником и материалом и ограниченной жесткости пружины датчика нагрузки, используемого для измерения трения, фактическая скорость наконечника колеблется (31).
Наклон царапающего кончика вызывает деформацию материала, что позволяет ему накапливаться перед царапающим кончиком при нормальной нагрузке.
Когда накопленная энергия деформации превышает дополнительное сопротивление, возникающее в результате накопления материала, наконечник перемещается, препятствуя перемещению материала.
Этот процесс будет повторяться, в результате чего образуются периодические стержни, демонстрирующие скольжение. Харе и др.
Показал клюшку.
С помощью оптического микроскопа легко наблюдать поведение скольжения на поверхности пленки, аналогичной структуре, использованной в данной работе (25).
Образцы проколов были визуально идентифицированы и подтверждены с помощью оптического микроскопа Olympus BX60.
Используйте миллиметровую линейку, чтобы измерить длину царапин, возникающих при проколе.
Затем запишите нагрузку в этой точке измерения непосредственно с выходного сигнала датчика царапины.
В данной работе в качестве нагрузки при проколе использовалось среднее значение, полученное по меньшей мере из восьми образцов, использованных для каждой пленочной системы. Поперечный
Сегментация изображения образца выполняется аналогично предыдущему отчету (25)
Таким образом, повреждение от царапины отделяется от образца, в результате чего получается полоса шириной примерно 10 мм и длиной 110 мм.
Затем изолированный участок помещается на поверхность для резки стекла, металлизированный слой ПЭТ соприкасается со стеклом, после чего наносится слой клея.
Новое лезвие бритвы охлаждается в жидком азоте, а затем проходит прямо через образец перпендикулярно направлению царапины, что приводит к чистому поперечному скольжению.
Часть интересующей нас области.
Эти отдельные части остаются стабильными в глиняной модели при использовании метода визуализации Keyence VK.
Сканирующий кофокусирующий микроскоп с фиолетовым лазером 9700 (VLSCM).
Предыдущая работа Харриет Эл
Было показано, что этот метод нарезки не вносит факты повреждений, которые могут повлиять на анализ повреждений от царапин (25).
Результаты и обсуждение результатов теста на царапание.
Характеристики устойчивости к царапинам двух пленок показаны на рисунке 2.
Как видно на картинке, между фильмами есть очевидные различия.
Экструдированная ламинированная пленка демонстрирует максимальную нагрузку, необходимую для прокола обеих систем.
Это свидетельствует о том, что пленка ELfilm обладает превосходной механической прочностью между металлизированным ПЭТ-слоем и герметизирующим материалом, и, следовательно, способна лучше распределять эти этикетки.
Напряжение, вызванное его структурой.
На поверхности внешней пленки обнаружены царапины.
Поскольку исследованные здесь пленочные системы имеют одинаковую структуру, они деформируются аналогичным образом и при рассмотрении с верхней стороны царапины демонстрируют схожие признаки повреждения.
Было проведено микроскопическое исследование для выявления основных признаков повреждений и их изменений в процессе царапин.
Представленные характеристики взяты из системы EL, но также применимы и к системе AL.
В начале теста будет видна небольшая царапина, как показано на рисунке 3.
Однако из-за низкой нагрузки на этом этапе испытания, а также распределения напряжений в мягком многокомпонентном герметизирующем слое, обнаружить повреждения внутри слоя непросто.
Видны ли какие-либо царапины на верхней поверхности?
На самом раннем этапе испытания наблюдение за падением может быть связано с увеличением шероховатости поверхности металлизированного слоя ПЭТ, что, как известно, приводит к увеличению рассеяния света, в результате чего увеличивается видимость царапин (8).
Как показано на рисунке, плавная деформация при выравнивании становится очевидной с увеличением нормальной нагрузки 3а.
Плавный переход от деформации при глажении к крупномасштабному процессу
Поведение при скольжении показано на рисунке.
3b. Когда наконечник перемещается, препятствие создается за счет накопления пленки перед наконечником.
Накопление этого материала приводит к растягивающему напряжению внизу и позади, аналогично модели Цзяна и др. (32).
Затем достигается точка, в которой растягивающее напряжение, создаваемое кончиком царапающего инструмента, разрывает относительно твердый металлизированный слой ПЭТ и прокалывает клеевое покрытие, как показано на рисунке 3c.
Обратитесь к разрезу образца. Поперечный разрез
Сегментационная визуализация царапин
Поврежденная пленочная система позволяет нам провести углубленное исследование слоя.
Различия между этими пленочными системами при появлении царапин зависят от условий их использования.
Разработка и использование методов нарезки для получения изображений царапин.
Поврежденный образец исследуется с помощью свежесрезанного образца, без необходимости его заливки в эпоксидную смолу и полировки, как это делается при подготовке образцов для оптического микроскопа.
Благодаря отсутствию необходимости в заливке, более мягкий полиолефиновый слой не подвергается воздействию тепла, выделяемого в процессе отверждения эпоксидных компаундов, что предотвращает потенциальную релаксацию напряжений.
Описанный выше метод использует лезвие бритвы, охлажденное в жидком азоте.
Замороженное лезвие используется для обеспечения точной резки, а также для снижения температуры олефинового слоя на границе раздела с лезвием, что повышает его модуль упругости и прочность, минимизируя возможную пластическую деформацию.
Изображение неповрежденного образца можно увидеть на рисунке 14.
Как видно на изображении, каждая система имеет четкую разделительную линию между слоями, обеспечивающую хорошую целостность слоев без разрушения или явной деформации в процессе нарезки.
Схема поперечного сечения поверхностных царапин. Царапина-
Для лучшего понимания эволюции повреждений в процессе образования царапин, на поврежденных образцах делается множество разрезов и снимков на их поверхности.
Образец берется из гладкой зоны деформации, начальной части стержня.
Поздняя часть зоны скольжения и перекладина
Зона скольжения перед проколом.
В этих разделах подробно описано, как пленка реагирует на увеличение нормальных нагрузок и как каждый слой влияет на устойчивость к царапинам.
Наблюдаемый слой-
Повреждение слоев между направлениями TD и MD в обеих пленочных системах схоже.
Изображение можно увидеть на рисунке.
Система EL и рисунок 5.
Система AL. Как показано на рис.
5. Система EL продемонстрировала превосходную адгезию и целостность слоев на протяжении всего процесса тестирования.
Это видно на рисунке.
5b. Даже в местах деформации высоты царапины, например, на краю, металлизированный слой ПЭТ остается связанным со слоем олефинового уплотнения.
Опять же, во время ночной фазы скольжения stickSlip
SC, система EL сохраняет свою целостность, тем самым распределяя повреждения от царапин на большей площади.
Фактически, повреждение этих слоев, по-видимому, носит более равномерный характер, чем в других модельных системах, поскольку все слои реагируют на напряжение, приложенное к ним во время испытания. Как показано на рис.
6. Система AL не сохраняет ту же целостность, что и система EL, во время тестирования.
На стадии плавной деформации
На рисунке 6a видно, что ламинированная пленка с клеевым слоем похожа на пленку EL, но разница становится более очевидной по мере развития повреждений.
На ранних стадиях персистентного скольжения (рис.)
На рисунке 6b показано локальное расслоение между металлизированным слоем ПЭТ и герметизирующим слоем, особенно в местах с высокой деформацией, таких как край царапины.
Разрушение адгезионных слоев в этих точках не позволяет передавать возникающее напряжение непосредственно на другие слои равномерным образом во время испытаний на царапание, что снова приводит к концентрации повреждений в небольшой области.
Это также очевидно на фазовой диаграмме скольжения процесса бокового стержня.
6c, где эти повреждения клеевого слоя увеличиваются и продолжают приводить к образованию концентрированных зон повреждений непосредственно под страховым наконечником.
В данном исследовании подчеркивается разница в поведении при царапании двух очень похожих систем упаковочных пленок, сформированных в различных условиях ламинирования.
Испытание на царапание позволило разделить эти системы на количественные и повторяющиеся области, а также предоставило ценную информацию о влиянии различных методов послойного нанесения на структурную целостность пленочного слоя при повреждении царапанием.
Очевидно, что, согласно результатам этого теста, слабая структура и плохая целостность слоев приведут к низкой устойчивости к царапинам.
Видно, что распределение напряжений между слоями обеспечивает лучшее сопротивление проколам и разрушению пленки, а расслоение между слоями концентрирует эти напряжения, что приводит к преждевременному разрушению.
Тестирование на царапание дает очевидное преимущество, позволяя проводить углубленный анализ каждого из слоев пленки после ее повреждения.
Кроме того, благодаря усовершенствованию разработанного метода, повреждения можно наблюдать при большом количестве нагрузок, что позволяет отслеживать эволюцию внутрислойных повреждений.
Это позволяет инженерам-технологам по упаковке быстро и эффективно выявлять преимущества и недостатки структуры клеевой пленки и соответствующим образом корректировать процесс ламинирования.
Данное исследование подчеркивает превосходную прочность экструдированной ламинированной пленки по сравнению со слабой ламинированной пленкой, полученной методом склеивания.
В этих экспериментах использовался наконечник 1-
Сферический наконечник из нержавеющей стали толщиной мм.
Однако различная геометрия наконечника и типы материалов могут приводить к различным свойствам пленки.
Аналогичным образом, различные материалы подложки также могут приводить к различным свойствам, например, неопрен.
По сравнению с жесткой подложкой, неопрен можно использовать для имитации воздушной подложки в упаковке продукции.
Это может изменить поведение пленки под нагрузкой за счет снижения сопротивления деформации наконечника царапающего инструмента, что приведет к совершенно иным характеристикам и свойствам царапания.
Выбранные для данной работы тестовые переменные обусловлены не только тем, что они применимы к продуктам, используемым в полевых условиях, но и тем, что позволяют сравнивать результаты и качество изображений с другими наконечниками, фонами и скоростями царапания.
Вследствие этого, представленные здесь результаты являются согласованными для разных образцов и могут быть использованы для более детального и надежного анализа.
Несмотря на существующие ограничения, метод испытания на царапание обеспечивает значительные условия для проверки гибкости, необходимые для оценки механической целостности упаковочной пленки и оптимизации конструкции ламинированной структуры.
В заключение, метод испытания на царапание был использован для оценки набора из двух упакованных пленок, в которых используется ламинированный полиэтилентерефталат (ПЭТ) с применением одного и того же закрытого слоя на основе полиэтилена (ПЭ) методами клеевого и экструзионного ламинирования.
Результаты испытаний, полученные непосредственно с нуля, объединяются с данными Cross.
Сегментационная визуализация царапин и поврежденных пленок.
Результаты показывают, что более высокая целостность слоя, достигаемая методом экструзионного ламинирования, обеспечивает превосходное перераспределение напряжений и, как следствие, отличные характеристики устойчивости к царапинам.
Тестирование на царапины обладает уникальными преимуществами по сравнению с другими методами тестирования пленок. Оно позволяет проводить постобработку.
Анализ тестовых образцов методом послойного нанесения
Ввиду прогрессивного характера нагружения при испытании на трение, материал подвергается многослойному нагружению в широком диапазоне условий.
Такой подход может стать эффективным инструментом для оформления фильмов и даже предоставления обратной связи, которая поможет в разработке многослойных пленок.
Особая благодарность Аллану Мойзе за изготовление материалов и компонентов для этого исследования.
Контактное лицо: RedJue Sue; e-
Электронная почта: tamsue@tamu
Контракт Эдварда. Спонсор гранта: консорциум по изучению поведения полимеров при царапании, входящий в состав Kraft Food, оборонной логистики и TAMU. DO! 10. 1002/pen.
23544 — электронная версия в онлайн-библиотеке Wiley (
Wileyonlinelibrary.com). [C]
2013 Справочные материалы Ассоциации инженеров-пластиков (1. )М. Вонг, Г. Лим, А. Мойс, Дж. Редди и Х.-Дж. Сью, Wear, 256(11-12), 1214 (2004). (2. )М. Вонг, А. Мойс, Ф. Ли и Х.Дж. Сью, J. Mater. Sci., 39(10), 3293 (2004). (3. )К. Сян, Х.Дж. Сью, Дж. Чу и Б. Коулман, J. Polym. Sci. Part B: Polym. Phys., 39(1), 47 (2001). (4. )К. Сян, Х.Дж. Сью, Дж. Чу и К. Масуда, Polym. Eng. Sci., 41(1), 23 (2001). (5. )Р. (6.) Э. Могбелли, Р.Л. Браунинг, В.Дж. Бу, С.Ф. Хан, Л.Дж. Фейк и Х.Дж. Сью, Tribol. Int., 41(5), 425 (2008). (7.) В. Жардре и П. Морель, Prog. Org. Coat., 48(2-4), 322 (2003). (8.) Р. Браунинг, Х. Цзян, А. Мойзе, Х.-Дж. Сью, Ю. Исеки, К. Отани и Ю. Идзичи, J. Mater. Sci., 43(4), 1357 (2008). (9. )JL Bucaille и E. Felder, Philos. Mag. A, 82(10), 2003(2002). (10. )H. Jiang, GT Lim, JN Reddy, JD
И HJ Sue, J. Polym. Sci. Part B: Polym. Phys. , 45(12), 1435 (2007). (11. )H. Pelletier, C.
Готье и Р. Ширрер, Труды IME JJ Eng. Tribol., 222(3), 221 (2008). (12. )Р. Браунинг, Р. Минквиц, П.
Чароэнсирисомбун, Х. Дж. Сью, Дж. Матер. наук. , 47(17), 2282 (2011). (13.) Ж. Л. Бюкай, Э. Фельдер и Г.
Хохштеттер, износостойкий, 249 (56), 422 (2001). (14. )JL Букайль, Э. Фельдер и Г. Хохштеттер, J. Tribol. ,126(2), 372 (2004). (15. )SJ Булл и Д.С. Рикерби, Surf. Coat. Technol. , 42(2), 149(1990). (16. )И. Демирель, К.
Готье и Р.
Solid Film, 479 (1-2), 207 (2005). 17. G. Lim, M. Wong, J. Reddy, and H. Sue, J. Coat. Technol. Res. ,2(5), 361 (2005). 18. GT Lim, JN Reddy, and HJ
Сью, в: Серия семинаров ACS, том 1
912, Американское химическое общество, Вашингтон, 166 (2005). 19. YC Lu и DM
Саки, чепуха. Наука и инженерия А, 396(1-2), 77(2005). 20. А. Родриго и Х.
Ичимура, пух: пальто. Технол., 148(1), 8(2001). 21. Ю. Се и Х.М.
Хоторн, серфинг. Coat. Technol. , 155(23), 121(2002). 22. Б. Харе, А. Мойзе и Х.-Дж.
Су, Технология упаковки, Наука, 25(2), 85 (2011). 23. И.Н. Лян, С.З. Ли, Д.П. Ли и С. Ли, Износ, 199(1), 66 (1996). 24. О. Винсбо и С.
Hogmark, износостойкий, 100 (1-3), 489 (1984). 25. BA Hare, A. Moyse и HJ Sue, J. Mater, Scl. , 47(3), 1389(2012). 26.
ASTM, в ASTM International, Ежегодное руководство по стандартам ASTM, ASTM, Уэст-Коншохокен (2005). 27.
ISO, при определении свойств царапин. 19252.
Международная организация по стандартизации, Международный сборник изостандартов, Филадельфия, ISO (2008). 28. К. Ли, Б. И. Ни и Дж. К. М. Ли, J. Mater. Res., 11(6), 1574 (1996). 29. С. Л. Чжан и Дж. К. М. Ли, Muter. Sci. Eng. A, 344(1-2), 182 (2003). 30. Дж. Чу, К. Сян, Х. Дж. Сью и Р. Д. Холлис, Polym. Eng. Sci., 40(4), 944 (2000). 31. Х. Цзян, Р.
Браун Нин и Х.-Дж.
Су, полимер, 50 (16), 4056 (2009). 32. Х. Цзян, Р. Браунинг, Дж. Уиткомб, М. Ито, М. Шимаус, Т. Чанг и Х.Дж. Сью, Trbol. Lett., 37 (2), 159 (2010). Брайан А. Хэр, (1) Хунг-Джу Сью, (1)
Лян Ин, (2)
Паноскинякис (2)(1. )
Кафедра машиностроения, Центр полимерных технологий, Техасский университет A&M, Техасский университетский центр 77843-3123(2. )
Kraft Foods Global