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探析粉料污染包装封口的发生机理与改善方式
范珺
济南兰光机电技术有限公司
在包装过程中,由于粉体物料下料过程中对气流的扰动以及气流对粉料颗粒的卷吸作用,造成下料口附近悬浮颗粒增多,加之包装材料自身的静电作用易吸附粉料颗粒,从而形成粉料颗粒对包装封口的污染,这是粉料包装封口不牢的主要原因之一.对此,采用缩短下料口与包装底部的距离、增加除尘装置以及更换防静电包装材料等手段以改善上述问题,最终可借助热封试验及热封强度试验验证其改善作用.
近年来,粉体物料越来越多的出现在固体饮料、调味料、奶粉、添加剂等行业中.同样持续增多的,还有工作人员日常接收的粉体包装封口强度的检测业务量,以及用户对于粉体包装为何经常出现封口不牢的疑问.包装封口不牢往往有多重原因,但粉体包装出现这一问题更多的源于充填过程中粉料对封口部位的污染.要想避免粉料的污染,就要知道粉料在包装过程中的运动轨迹.
1 粉料下落的运动轨迹分析
粉体物料一般质轻、干燥,因而易随气流飞扬扩散.在利用包装机充填粉料时,粉体物料颗粒以积聚流的形态自由下落进入包装袋,搅动原本相对静止的空气向上流动.随着粉料下落加速,附近的气流被裹入粉料颗粒中,粉料流外层的颗粒发生内旋,逐渐脱离粉料流,悬浮于空气中.由于在下料口位置,粉体物料下落的初速度相对较小,因此更多的颗粒被气流带离粉体流,悬浮在下料口四周.
与此同时,持续下落的粉料颗粒与已沉降颗粒、悬浮颗粒、包装壁面相互撞击,亦导致部分颗粒悬浮于空气中.这些悬浮颗粒被向上的气流沿袋壁携带至包装口,造成了包装上封口部位四周的大量粉料颗粒聚集,为后续粉料对封口的污染制造了先决条件.
2 包装材料的静电影响
如今,高分子聚合物薄膜已经广泛应用于粉体物料的包装上,而静电则是影响这类包装材料生产、包装的重要因素.静电起电,是指因物体的接触分离、静电感应、介质极化和带电微粒的附着等原因使物体正负电荷失去平衡或电荷分布不均的现象.当两种高聚物薄膜相互接触时,接触表面上就会发生电荷的交换,当电荷达到平衡,在接触界面就会形成偶电层,即两种材料分别带有等量的正电荷和负电荷.当接触后又分离时,比如将高聚物薄膜从膜卷上剥离,会引起正负电荷分离而使两物体分别带电.
除剥离起电外,由于大多数高聚物薄膜材料的分子为极性分子,易吸引空气中漂浮的带正电荷或负电荷的粒子,整体电荷过剩,因而包装材料带电.此外,包装材料在包装机传送带运输及包装过程中不可避免的会发生摩擦,虽然摩擦并不是静电起电的必要条件,但会增强静电起电效应.
综合上述原因,悬浮于包装袋口和下料口的粉料颗粒就会被包装材料的静电吸引,吸附于包装材料的封口部位,致使封口无法完全封合,由此造成封口不牢.
3 改善方式
3.1 优化下料口到包装底部的距离
根据上述分析,包装封口部位的悬浮粉料颗粒来源于两个方面,一是下料口位置被气流卷吸而出的颗粒,二是下落过程中及已沉降的颗粒被上行气流携卷而来.由此,可以适当缩短下料口与包装底部的距离,如此既减小了粉体物料下降的速度和动能,也减小了袋内气体的流速,故而减少了下料口被气流卷吸而出的颗粒量以及被上行气流携带来的沉降颗粒量,因而封口部位的悬浮颗粒量有所减少.
3.2 增加封口部位的除尘装置
目前,专门针对粉料填充的包装设备多种多样,这类设备大多配备具有回收功能的除尘装置,有的除尘装置还具备静电消除功能,用以消除包装材料自身所带的静电,从而减少充填环节的粉料悬浮量.
若粉料充填包装设备无除尘功能,亦可以单独增设除尘装置.例如,冯彬彬等人在粉料充填包装设备上设置了粉体除尘罩.该设计通过除尘罩内部抽气形成负压,收集悬浮粉料颗粒,以避免粉料污染包装封口.随着除尘罩罩口风速的逐渐增大,大量的悬浮颗粒被捕获,但同时亦有可能使包装袋内部的气流及由其带动的颗粒流动更加紊乱,甚至带起已沉降的颗粒,故风速的控制是粉体除尘罩技术应用的关键.
3.3 采用防静电包装材料
防静电包装材料就是利用各种方法减少或消除在搬运和使用中产生摩擦电荷的包装材料,通常材料的电阻越低,防静电性能越好.纵览防静电包装材料的研制发展史,耗散静电和屏蔽静电是两个主要方向.从在包装材料中填充碳粉、TiO2等能赋予材料导电性能的基料,到具有静电屏蔽层的复合高阻隔包装材料,成熟的防静电包装逐渐向着多元化、功能化方向发展.
当这类包装材料实际应用于粉料包装时,尤需注意包装材料的常规性能和阻隔性能,这关系到包装系统对外力的抵御能力以及对内容物的保质作用.对于食品粉料包装,还需加强包装材料对内容物的迁移情况的监测,避免降低内容物的卫生品质.
4 封口热封质量的试验验证
确定改善措施后,为验证其效果和封口质量,仍需进一步开展试验验证.热封参数关系到封口质量,对于薄膜生产企业、包装机械加工企业以及终端食品企业的包装相关产品有着重要意义,故封口热封质量的试验验证在一定意义上也是对热封参数的科学性验证.在试验设计上,可以先沿用原热封参数进行封口试验,再利用拉力机测试其封口强度,同时观察封口处断裂情况,据此综合评价封口质量,具体方法如下.
试验仪器：i-Thermotek 2400热封与热粘性能测试仪,济南兰光机电技术有限公司.
试验方法及结果分析：若采用更换包装材料的改进方式,首先选择仪器的热封试验模式,根据原热封参数设置仪器的热封温度、热封压力和热封时间等参数.将新选择的包装材料置于上、下热封头之间,启动试验,完成封口的热封.同样对原包装材料进行相同试验,以作对比.将热封后的试样封口两端固定在热封强度测试区域的两环形夹具的外圈,将仪器调至热封强度试验模式,启动试验.两环形夹具异向转动,使试样从封口处断裂,仪器自动记录断裂时的最大力值,即热封强度.
对于测试结果,一方面可以比较采用原热封参数封口新旧不同的包装材料的热封强度差异,以此来评价新包材的适宜性.一般情况下,强度越大意味着封口质量越佳.另一方面,观察热封试验后和热封强度试验后试样的外观情况.热封试验后,若新包装材料热封边出现压穿、褶皱、灼化等现象,这就意味着热封温度过大、热封时间过长或压力过大,需要重新调整热封参数.
热封强度试验后,若新包装材料热封边的内侧根部断裂,反映了热封环节热封温度、压力设置过大导致的封口边缘内层薄膜被压制过薄,局部抗拉强度较弱,当外力作用时,此处易先出现断裂,对于此情况亦需调整热封参数.若新包装材料热封边的破裂处位于热封边内侧内层,且可明显观察到热封层与其他层发生脱层,这意味着新包装材料的层间复合强度较为薄弱,需重新更换包装材料.
若采用粉料充填优化方式和除尘装置,则需从最终包装产品上取封口处试样,测试其热封强度.除了比较与原充填包装方式下包装封口的热封强度数据外,还可以从封口断裂处粉料的残留情况来评价改良方式的作用情况.
5 结语
在包装过程中,由于粉体物料下料过程中对气流的扰动以及气流对粉料颗粒的卷吸作用,造成下料口附近悬浮颗粒的增多.加之包装材料自身的静电作用易吸附粉料颗粒,从而形成了粉料颗粒对包装封口的污染,这是粉料包装封口不牢的主要原因之一.对此,采用缩短下料口与包装底部的距离、增加除尘装置以及更换防静电包装材料等手段以改善上述问题,最终可借助热封试验及热封强度试验验证其改善作用.
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