PE軟管封口技術(shù)研究進展

晏祖根，劉松昀,2，黎光輝,2，吳朝武

PE軟管封口技術(shù)研究進展

晏祖根1，劉松昀1,2，黎光輝1,2，吳朝武3

（1.哈爾濱商業(yè)大學(xué) 輕工學(xué)院，哈爾濱 150028；2.浙大寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315010； 3.浙江日高智能機械股份有限公司，浙江 溫州 325000）

對目前PE薄片管材的主流熱封方法進行歸納總結(jié)，為后續(xù)的研究提供依據(jù)。綜述PE薄片作為軟管熱封的優(yōu)缺點，分析PE薄片管材的熱封和其他因素的影響，探討目前比較先進的灌裝封尾機構(gòu)的現(xiàn)狀。PE大多用于膏體的灌裝上，其密封性能除了與材料有關(guān)外，也與其密封條件有很大關(guān)系，其密封方法一般采用熱封方式。PE薄片管材熱封后的性能與熱封的三個要素（熱封時間、溫度和壓力）有關(guān)，其中最重要的是熱封溫度。目前企業(yè)用得最多的熱封方法是內(nèi)加熱，PE薄片管材采用水平封尾更加穩(wěn)定。熱封尾工藝要求達(dá)到一定的機械強度和足夠的密封性。

膏體；PE管材；軟管；熱封

隨著商品經(jīng)濟的高速發(fā)展，產(chǎn)品的包裝速度和包裝質(zhì)量尤為重要。目前，膏體的包裝形式主要有軟管包裝、軟袋包裝、玻璃瓶包裝和罐裝。雖然軟袋包裝封口方便，但其防泄露性、熱穩(wěn)定性和抗壓能力較差。雖然玻璃瓶裝使包裝的美觀性大大提升，但其受到外界壓力易碎。雖然罐裝相對以上2種包裝更加安全可靠，但其成本也會相應(yīng)提高。雖然基于薄片管材的軟管包裝的加工工藝較其他包裝方式更加復(fù)雜，但其具有更多的優(yōu)點：環(huán)保、軟管的包裝顏色多樣化、回彈性能好、一定的抗腐蝕性、使用壽命較長[1]。

PE薄片管材是日常生活中不可缺的一種熱塑性高分子材料[2—4]，其具有良好的化學(xué)性、易加工、可再融成形[5—7]、可回收利用等特點[8—11]，在食品和日用品包裝等生活領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用[12]。PE薄片管材經(jīng)常作為軟管材料的選擇之一，并且PE薄片的復(fù)合材料力學(xué)性能大大提高，還能滿足特殊環(huán)境的使 用[13—15]，同時不會輕易與PE管內(nèi)的膏體等物料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。在膏體的灌裝封尾中，軟管尾部封合的密封性、美觀性除了與軟管的材料性能有關(guān)外，還與其熱封方式[16]的選擇有很大的關(guān)系。文中將PE薄片管材作為軟管材料，對其在膏體灌裝封尾中的整個熱風(fēng)封尾的工藝流程進行分析探討，對比各種封尾方式的優(yōu)缺點，選擇出最合適的熱封方式，并討論如何對PE薄片管材的熱封性能進行合理判定，以及封尾以后的修形剪尾，分析軟管灌裝封尾對PE軟管熱封性能的影響，并提出改善方法。

1 PE薄片管材的熱封方法

PE薄片管材進行熱封后需要達(dá)到的技術(shù)要求：封尾完成后，不會產(chǎn)生泄露滲透等現(xiàn)象，封尾處不應(yīng)有劃痕；灌裝的物料不會與管材發(fā)生反應(yīng)；能通過密封性檢測，應(yīng)用于醫(yī)藥食品等行業(yè)，還需達(dá)到安全衛(wèi)生要求。PE是一種含碳原子和氫原子的有機聚合物，作為一種熱塑性材料，當(dāng)達(dá)到一定溫度時會發(fā)生融化，當(dāng)其經(jīng)過冷卻，溫度恢復(fù)正常后，能自動復(fù)原。正因為這一特性，其被廣泛用于熱封包裝領(lǐng)域。

當(dāng)前對PE薄片管材進行加熱封尾的幾種常見方法有電熱、高頻加熱、高壓加熱、超聲波加熱等。PE薄片管材的熱封原理：通過加熱使封口部位變成黏稠的狀態(tài)，然后借助夾緊封合機構(gòu)使2層薄膜融合，經(jīng)過冷卻后成為整體，并且熱封后的產(chǎn)品能夠保持包裝的完整性。不同的管材有不同的熱封方法，針對相同的管材有著不同的厚度和長度采用不同的熱封方法，幾種常用的熱封方法如下。

1.1 高頻熱封法

高頻熱封法對熱封的材料有一定的要求，只有極性材料或是含有極性基團的材料才可以用此種方法[17]。高頻熱封的使用頻率一般控制在50～80 MHz，瞬時溫度可達(dá)到400 ℃，高頻加熱后，對其施加一定的壓力可使其產(chǎn)生高強度的封合。這種封尾方 式和其他封尾方式的區(qū)別在于它的熔化和成型同時完成。

1.2 脈沖熱封法

脈沖熱封法的工作原理是先將薄膜包裝材料進行加壓熱熔，然后讓其冷卻一段時間釋放壓力。脈沖熱封也存在缺點，例如鎳鉻合金受熱膨脹時會使得熱封的質(zhì)量不佳[18]。脈沖熱封主要用于食品、醫(yī)藥、糧食等塑料薄膜的封口機上，加熱時間一般為1 s。

1.3 紅外線輻射熱封法

紅外線輻射熱封法是一種比較常見的方法，此方法大多用在PVC和PE材料薄膜的熱封上，工作原理是電流通過用特殊材料制成的加熱管（碳化硅黏土棒等）加熱絲時，紅外線會通過加熱管輻射出來，然后被物體吸收，物體吸收紅外線后其內(nèi)部的分子就會產(chǎn)生相互碰撞，產(chǎn)生大量的熱能，輻射的波長為3 μm時，大多數(shù)塑料吸收的能量達(dá)到最大，熱封效果也最好。因為紅外輻射管的熱慣性小、熱效率高，故可以用于高密度、高能量、高強度加熱。其提高了加熱質(zhì)量，縮短了加熱時間，并且減少了對環(huán)境的污染。紅外線熱封法一般應(yīng)用在薄膜拉伸焊接和塑料薄膜去毛刺的場景下。

1.4 超聲波熱封法

超聲波熱封機最主要的部分由換能器、變幅桿、熱封頭組成[19]。當(dāng)超聲波通過焊頭對需要熱封的材料表面進行工作，會產(chǎn)生高頻震動，這種高頻的震動通過焊件把能量傳遞到焊區(qū)，使2個需要封口的塑料薄膜迅速熔化，并通過對其施加一定的壓力使其融為一體，然后停止超聲波的輸送，繼續(xù)施加壓力，使其凝固成型[20]。超聲波熱風(fēng)焊接的時間一般控制在1 s以內(nèi)，這樣得到的焊接強度效果和本體相差無幾，封口比較美觀，并且對封裝的產(chǎn)品不會產(chǎn)生傷害[21]。通過超聲波熱封的包裝物的縫隙更窄，所需的熱封材料也更少，被企業(yè)廣泛采用[22]。臺灣學(xué)者Liu等[23—26]對此進行了系列研究，對比其他熱封方法，通過超聲波熱封法熱封的良品率更高，這說明了超聲波熱封技術(shù)在薄片管材和薄片管材的復(fù)合材料上具有很好的應(yīng)用前景。高強度的超聲波熱封可以將泄露降到最小，能夠有效預(yù)防污染，較少浪費，降低不合格率。超聲波熱封法的密封可靠，包裝的內(nèi)容物不會被加熱。其缺點在于焊接后的質(zhì)量檢測較為困難。超聲波熱封采用的頻率一般在20～40 kHz，可用于厚度小于50 μm的復(fù)合薄膜，大幅度地削減了整個生產(chǎn)鏈的成本。

1.5 熱空氣熱封法

熱空氣熱封法的原理是通過加熱裝置產(chǎn)生熱氣，然后將熱氣吹到塑料薄膜的表面，將其熱熔再熱封，這種方法的適應(yīng)性較強[27]，主要用于單層管和多層管。為了把材料加熱的溫度保持恒定，僅達(dá)到融化變形，一般會在加熱軟管的外部添加冷卻保護套，控制溫度在一定的范圍。PE管材內(nèi)部加熱，外部冷卻，軟管壓封過程中不會與壓封機構(gòu)產(chǎn)生黏結(jié)。熱空氣熱封法的主要部件有加熱頭、熱噴頭（見圖1，浙江日高公司RGNF-80B軟管灌裝封尾機熱噴頭）、冷卻保護套、出風(fēng)管。其主要原理是加熱頭對空氣進行加熱產(chǎn)生熱風(fēng)，熱風(fēng)流傳到熱風(fēng)頭，通過熱風(fēng)頭出風(fēng)口排出熱風(fēng)，將軟管內(nèi)壁加熱至熔化，然后通過封尾機構(gòu)對其進行夾緊封尾，其主要特征是利用熱風(fēng)使軟管內(nèi)壁熔化，從而壓合成型[28]。目前熱空氣熱封法在熱封軟管時用得最多的是2種 方法。

圖1 熱噴頭

1）軟管直接與熱噴頭接觸進行固定。這種方法的優(yōu)點在于加熱效率高，熱空氣吹向管內(nèi)壁的同時，熱噴頭本身還與其接觸傳遞熱量，固定速度快。其也有一定的缺點，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，使用成本也比較高，由于熱噴頭直接與管壁接觸，長時間工作后熱噴頭會產(chǎn)生黏結(jié)，軟管有時甚至?xí)粺梗瑢?dǎo)致加熱效率降低，需要隔一段時間進行人工清理。

2）熱噴頭與管內(nèi)壁有一定的間隙，冷卻套直接與管外壁接觸。這種方式的優(yōu)點在于不會產(chǎn)生黏結(jié)，缺點是加熱效率比較低。

目前市場上用得較多的是第1種方法，在軟管座上加1個真空吸附裝置，使軟管在向下回位時受到向下的拉力，便于回位，從一定程度上解決了因加熱時間過長而產(chǎn)生的黏結(jié)問題。熱空氣熱封法適用于全塑軟管、全塑復(fù)合管和鋁塑復(fù)合管，可為產(chǎn)品提供平面或條紋封口。改變熱噴頭的形狀可以改變軟管的封尾形狀。另外，熱噴頭不宜加工成360°的出風(fēng)口形狀，因為這樣會將軟管內(nèi)壁一圈進行加熱，在進行壓封時，會在邊角處產(chǎn)生溢膠等現(xiàn)象，導(dǎo)致密封性能降低，并且影響美觀。解決方法是減少出風(fēng)口圈數(shù)（見圖2，浙江日高公司RGNF-80B軟管灌裝封尾機改良熱噴頭）。這種改良設(shè)計的優(yōu)點是在加壓密封時2個邊角不會被加熱，這樣就不會產(chǎn)生邊料溢出的現(xiàn)象，保證了產(chǎn)品的密封性和美觀性。

圖2 改良后的熱噴頭

2 PE軟管封尾技術(shù)

2.1 封尾技術(shù)

對封尾機的封尾一般有2個要求：封尾達(dá)到一定的機械強度，以及要達(dá)到足夠的密封性。如何在不影響食品和用品質(zhì)量的前提下，盡量使產(chǎn)品的包裝封口更加美觀、可靠是一個關(guān)鍵性問題[29—31]。目前應(yīng)用較為廣泛的是擠出型軟管，在市場上占據(jù)較大的份額，擠出型軟管沒有邊縫，外觀上比較精美[32]。軟管封尾大致可以分為以下步驟：對管尾進行加熱→對管尾進行夾壓密封→生產(chǎn)日期的壓印→尾部多余物料的剪尾、修形[33]。通過更換封尾機上的專用部件，可以在同臺機器上實現(xiàn)不同材料的封尾，以及實現(xiàn)不同的封尾形式[34—35]。

軟管封尾的強度與自身的材料有很大的關(guān)系，還與熱封的3個關(guān)鍵因素有關(guān)[36—37]，分別是熱封的時間、壓力、溫度，任何1個條件的改變都能影響到熱封強度。熱封的時間過短會使熱封不均勻，容易產(chǎn)生開孔，脫膠等現(xiàn)象。熱封時間過長則會使熱封處產(chǎn)生黏結(jié)、拉絲等不美觀的現(xiàn)象；熱封壓力過小會使得密封不嚴(yán)密，過大則會產(chǎn)生黏結(jié)；熱封溫度過低會導(dǎo)致軟管沒有熔化，熱封不完整。熱封溫度過高會使得軟管與壓力機產(chǎn)生黏結(jié)，甚至?xí)a(chǎn)生外層燒穿現(xiàn)象，影響機器的正常運行。趙漫漫等[38]對PE薄膜熱封工藝參數(shù)進行研究發(fā)現(xiàn)，熱封溫度、時間和壓力是完成封尾的3個不可或缺的條件。PE的熔化臨界點為105 ℃，當(dāng)達(dá)到PE管材熱封的起始溫度（115 ℃）后，熱封壓力和熱封時間對強度的影響會逐漸變小。熱封溫度是熱封的3個重要因素里對熱封強度影響最大的。PE薄膜有效的熱封時間應(yīng)當(dāng)在0.5 s左右，熱封壓力一般控制在0.1～0.3 MPa，有效的熱封溫度應(yīng)控制在115～160 ℃。在這3種條件下完成密封的PE軟管能擁有較好的密封性能和美觀性。

2.2 封尾機構(gòu)

目前熱封時機構(gòu)的運動形式分為2種：管座升起，加熱機構(gòu)不動，管座帶動管材升起到達(dá)加熱部位進行熱封，如諾頓公司生產(chǎn)的NM602機型（見圖3）；管座不動，加熱機構(gòu)向下到達(dá)管材進行加熱，如IWK公司生產(chǎn)的TFS10系列灌裝封尾機（見圖4）。目前常用的是第1種形式，這種形式更加安全可靠，效率更好，加熱封尾機構(gòu)固定能在一定程度上減少安全狀況的發(fā)生。

圖3 諾頓NM602熱封機構(gòu)

圖4 IWK TFS10熱封機構(gòu)

目前大多數(shù)封尾機的封尾工作采用的是雙排齒形鏈條進行傳動，然后通過回復(fù)彈簧帶動封尾工位進行水平移動完成封尾工作，并且回復(fù)彈簧可以進行壓力調(diào)節(jié)，這種裝置通過調(diào)節(jié)壓力可以應(yīng)對不同厚度的薄膜管材的封尾。出于安全考慮，還應(yīng)設(shè)置保護系統(tǒng)，在少料或者機器故障時應(yīng)當(dāng)及時報警，并且自動停止運行[39]。

目前國外比較先進的是IWK公司生產(chǎn)的FP系列軟管灌裝封尾機（見圖5），產(chǎn)品的接觸件能實現(xiàn)整體替換，既可以對金屬管進行折疊封尾，又可以對塑料管或復(fù)合軟管進行熱空氣封尾，從金屬管系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到塑料或者復(fù)合軟管系統(tǒng)，不需要通過工具進行復(fù)雜的拆裝。利用離合器的嚙合或脫落即可改變封尾形式，無需更換封尾裝置，實現(xiàn)了一機多用，極大減少了換型時間。該機型配備了更高效率的加熱器和更節(jié)能的預(yù)加熱系統(tǒng)（無需水冷）。諾頓生產(chǎn)的NM1702型灌裝封尾機具備熱空氣封尾或者金屬折疊封口裝置，適用于全塑料管、鋁塑復(fù)合管、鋁合管等軟管，封尾系統(tǒng)配備了多種方式的封尾：勺型封尾、熱空氣封尾、高頻封尾等。

圖5 德國IWK FP型灌裝封尾機

產(chǎn)品的包裝在一定程度上影響著產(chǎn)品銷量[40]。各種各樣的軟管尾部形狀在市面上層出不窮，在熱風(fēng)封尾的機型中，通過改變熱封部分的熱風(fēng)頭出風(fēng)口形狀（見圖6—8，IWK FP系列灌裝封尾機異型封尾），然后更換剪尾機構(gòu)的剪刀形狀，即可使軟管的尾部呈現(xiàn)不同的形狀。

3 PE軟管切尾技術(shù)

3.1 切尾技術(shù)

當(dāng)軟管封尾完成后，工位旋轉(zhuǎn)至切尾工位，進入裁切模組（見圖9），完成尾部多余物料的裁切。通過更換裁切模組的形狀，可以使軟管尾部的形狀裁切成設(shè)計好的模樣。多余的物料裁切以后，目前比較先進的收集技術(shù)是通過真空吸離（圖10），將切尾后的碎料吸離至廢料箱內(nèi)進行統(tǒng)一處理，避免了廢料卷入機器內(nèi)，影響機器的正常運行。此種方式適用于任何碎屑廢料。

3.2 切尾機構(gòu)

軟管切尾機構(gòu)（見圖11）最主要的部件為2個切刀、切刀座和1個剪尾廢料回收裝置。工作原理是通過凸輪帶動切尾擺臂使切尾連桿擺動，然后通過切尾拔插帶動2個切刀座上的切刀在直線導(dǎo)軌上向中心平行移動完成切尾，2個切刀應(yīng)當(dāng)保持水平。此種水平切尾方法相比之前采用的弧形擺動切尾更加穩(wěn)定，不會因為軟管受到上下的作用力而被提升，從而影響軟管的封尾質(zhì)量，并且使軟管尾部修整得更加美觀。

圖6 圓弧尾封

圖7 波浪型尾封

圖8 梯級尾封

圖9 IWK FP系列裁切模組

圖10 碎片吸離

圖11 切尾裝置

4 結(jié)語

分析了PE薄片管材的性能，總結(jié)了PE薄片管材作為膏體軟管密封的優(yōu)點。列舉了軟管的5種熱封方法，分析了各種熱封方法的應(yīng)用場景，綜述了PE軟管的熱空氣封尾工藝流程，并討論了軟管熱封尾的工作原理，分別分析了PE軟管的內(nèi)熱、封尾和切尾加工工藝，討論了薄片管材的熱封性能與熱封三要素（時間、溫度、壓力）之間的關(guān)系，以及封尾后的修形剪尾工藝。

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Research Progress of PE Hose Sealing Technology

YAN Zu-gen1, LIU Song-yun1,2, LI Guang-hui1,2, WU Chao-wu3

(1.School of Light Engineering, Harbin University of Commerce, Harbin 150028, China; 2.Ningbo Tech University, Ningbo 315010, China; 3.Zhejiang Rigao Machinery Co., Ltd., Wenzhou 325000, China)

The work aims to summarize the several main heat sealing methods for PE thin sheet pipe to further provide the basis for the subsequent study. The advantages and disadvantages of PE thin sheets as hose heat sealing materials were summarized, the heating sealing of PE thin sheet pipe and effects of other factors were analyzed and the status of current advanced filling and sealing mechanism was discussed. PE was mostly used for paste filling, with sealing performance not only related to the material, but also in a great relationship with the sealing conditions. The sealing method was usually heat sealing. The performance of PE thin sheet pipe after heat sealing was related to the three heat sealing elements (heat sealing time, temperature and pressure) and the most important factor was heat sealing temperature. At present, the most popular heat sealing method adopted by enterprises is internal heating. PE thin sheet pipe is more stable when sealed horizontally. The heat sealing technology can realize certain mechanical strength and enough tightness.

paste; PE pipe; hose; heat sealing

TB486

A

1001-3563(2022)01-0035-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.01.005

2021-08-04

國家重點研發(fā)計劃（2016YFD0400301）

晏祖根（1973—），男，博士，哈爾濱商業(yè)大學(xué)教授、碩導(dǎo)，主要研究方向為包裝技術(shù)和裝備智能化。