泡罩包裝用鋁箔復(fù)合膜力學(xué)性能的表征研究

文 / Simon Muller，Marius Huff，Jorg-Uwe Bippus，Sabine M.Weygand

德國卡爾斯魯厄應(yīng)用科學(xué)大學(xué)與ROMACO集團聯(lián)合進行了泡罩包裝用鋁箔復(fù)合膜力學(xué)性能的表征研究——為了表征鋁塑復(fù)合材料層合板的力學(xué)性能，雙方研發(fā)出一個拉伸成型裝置。利用該裝置，分別對兩個不同制造商的鋁箔復(fù)合膜進行了相關(guān)實驗。實驗結(jié)果表明，復(fù)合材料的成型行為與應(yīng)變率有關(guān)。此外，實驗過程中還確定了給定成型塞柱幾何形狀的成形極限，并就兩種鋁箔復(fù)合膜在拉伸成型過程中力學(xué)行為的差異進行了論證。

泡罩包裝是一種特殊的藥品包裝形式，包含兩種初始材料。第一種材料用于泡眼成型盛裝產(chǎn)品；第二種材料是密封膜，用于將產(chǎn)品封裝在成型泡眼內(nèi)，并使已包裝產(chǎn)品免受外部環(huán)境影響，從而起到保護的作用。在歐洲，泡罩包裝是儲存包裝藥片的首選包裝形式。目前，有兩類泡罩包裝形式，熱塑型泡罩包裝和冷成型泡罩包裝。熱塑型泡罩由熱塑型聚合物膜材加熱后成型。冷成型泡罩則通過對鋁箔復(fù)合膜在室溫狀態(tài)下冷壓延展成型，由于復(fù)合膜材中的鋁箔層成份，成型后的泡罩呈現(xiàn)出典型的金屬質(zhì)感外觀，如圖1所示。

圖1 冷成型泡罩樣品

圖2 鋁箔復(fù)合膜的截面放大圖

圖3 成型實驗裝置的剖面圖（圖中安裝了9組成型塞柱）

在此，鋁箔層作為包裝的阻隔層。所以，產(chǎn)品將獲得比熱塑型泡罩更好的保護，阻隔濕度、光照、氧氣和其他氣體，藥物儲存時效也更長。但是，由于冷成型復(fù)合膜的成型性稍差，這就需要比產(chǎn)品大許多的成型穴以滿足填充需求，整個泡罩板變大的同時也會造成更多包材的浪費。目前各設(shè)備廠家在開發(fā)冷成型泡罩包裝機時，會盡可能通過成型塞柱幾何形狀設(shè)計優(yōu)化，旨在成型出接近完美的泡眼穴，以減少包材的浪費。在這個過程中，設(shè)備廠家需要解決兩個問題。首先，由于設(shè)備廠家并不生產(chǎn)復(fù)合膜材，因此他們通常并不掌握膜材的成型特性。其次，僅有非常有限的關(guān)于鋁箔復(fù)合膜材的機械性能信息被出版公布。因此，進行針對成型塞柱幾何形狀優(yōu)化的設(shè)計定義仍舊具有挑戰(zhàn)性，并且可以說是泡罩包裝設(shè)備廠商的首要開發(fā)任務(wù)。

為了更直觀地測試出鋁箔復(fù)合膜的機械性能，我們開發(fā)了一個成型裝置，可用于冷壓延展成型過程的研究。通過這個裝置，我們分析了兩種在商業(yè)上具有可比性的不同廠商提供的鋁箔復(fù)合膜材。

材料和實驗裝置

在這個測試中，我們研究了來自兩個廠商的普通鋁箔復(fù)合膜，可稱為復(fù)合膜A（來自A廠商）和復(fù)合膜B（來自B廠商）。兩種膜均含有相等的多層結(jié)構(gòu)和僅有較小的厚度差異。圖2展示的是復(fù)合膜材的微結(jié)構(gòu)。

復(fù)合膜由外向內(nèi)分別是聚酰胺（PA）層、鋁箔層、聚氯乙烯（PVC）層以及其中的黏膠層和基層。

為在材料科學(xué)實驗室內(nèi)進行用于表征膜材的冷壓延展成型特性研究，我們開發(fā)了專用的裝置，如圖3所示。

該裝置根據(jù)商業(yè)化的泡罩包裝機的成型單元設(shè)計而成，并安裝在我們的通用測試設(shè)備上（型號Inspekt 200，制造商Hegewald& Peschke）。該裝置對比泡罩包裝機的優(yōu)點是可直接進行壓力和位移的測量。另外，冷壓延展成型可在無任何導(dǎo)向柱的條件下進行，并且僅需要一個軸對稱的沖壓單元即可用于該實驗。成型塞柱的幾何形狀在圖4到圖7中均有展示。因為對于尺寸形狀的描述較為復(fù)雜且受限于篇幅，在此不進行細節(jié)的贅述。由于采用聚四氟乙烯（PTFE）材質(zhì)的成型塞柱具備自潤滑性，常用在冷成型泡罩包裝機上。

圖4 復(fù)合膜A的測試曲線

圖5 復(fù)合膜B的測試曲線

圖6 成形速度為v=1 mm/min的測試曲線

圖7 給定成型塞柱幾何形狀的箔的成形極限

該實驗在室溫下進行。為了將摩擦阻力最小化，實驗中特別去除了導(dǎo)向側(cè)柱。泡眼的成型通過成型塞柱下壓運動形成，在此過程中，成型塞柱采取勻速和固定位移距離運動。測試用膜材樣品通過專用夾具固定在成型位置，膜材中PA層面朝上與成型塞柱相對。反應(yīng)壓力F和位移距離u通過測試裝置測量獲得。

結(jié)果和討論

在第一組實驗中，鋁箔復(fù)合膜成型泡眼深度u=6 mm，該測試采用勻速的v在1 mm/min，10 mm/min，100 mm/min和500 mm/min的速度下進行。其結(jié)果顯示為壓力-位移曲線，圖4為復(fù)合膜A測試曲線，圖5為復(fù)合膜B測試曲線。曲線輪廓顯示成形過程開始時力呈二次方增長。坡度增加到約2.5 mm的位置形成深度。在這里，拐點出現(xiàn)，曲線的斜率隨著空腔深度的增加而減小。在6 mm的繪圖深度處，曲線的坡度趨于零。從曲線圖表分析可以得知，鋁箔復(fù)合膜的成形行為取決于成形速度，而不是應(yīng)變率。成形過程越快，達到相同空腔深度所需的力就越大。

圖4、圖5表明兩種復(fù)合膜的機械性能存在差異。為了比較不同制造商的復(fù)合膜，我們在圖6中繪制了成形速度為v=1 mm/min的力-位移曲線。在起始時，兩種材料的成形行為是相同的。

從4 mm的繪圖深度來看，復(fù)合膜B的曲線與復(fù)合膜A的曲線相比有所增加。最大深度處的載荷顯示出了明顯的差異。對于不同的成形速度，材料的行為相似。

在第二組實驗中，鋁箔復(fù)合膜被成形到一個u=7 mm的空腔深度，以研究給定成型塞柱幾何形狀的箔的成形極限，結(jié)果如圖7所示。

兩種材料在大約6.7 mm的成形深度處失效。值得注意的是，這一值會受到某種程度的擴散。對破裂的進一步觀察表明，PA層首先斷裂。隨后，鋁層出現(xiàn)破裂。PVC層承受整個成型塞柱運動。

展望

在未來的研究中，我們將使用拉伸成形裝置來測試一個更普遍的成型極限，可以預(yù)測任何沖壓幾何形狀的層壓箔的破裂。這里，首選的標準是成型極限圖。為此，我們將使用圓網(wǎng)格分析來測量不同空腔表面的主塑性應(yīng)變，利用成形極限圖準則對成型塞柱的幾何尺寸進行無限元模擬優(yōu)化。