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包卷式纸箱封合质量标准体系研究

来源:包装工程 日期 :2020-05-09 作者 :王虹,印雄飞,杜雄章,郭太松 杭州娃哈哈精密机械有限公司

引言

与传统0201箱型纸箱相比,包卷式纸箱制作工艺更简单,成型装箱效率更高,越来越受快消品生产企业欢迎。包卷式纸箱包装产品的工序是使用包卷式装箱机,用片状箱坯将产品裹包并喷胶封箱一次完成。封箱时无需粘贴胶带,仅需使用热熔胶粘合,大大提高了生产效率。然而若纸箱封合不良、散包,那么将会给生产或商品储运环节造成极大不便[1]。因此在生产过程中能否控制好包卷式纸箱的在线封合质量,减少废品率,已经成为企业关注的焦点。包卷式纸箱的在线封合质量主要与三方面有关,一是热熔胶的品类特性[2,3],二是包装设备的性能以及施胶量、施胶位置、封合压力、压合时间等相关参数设置,三是必须从源头上对瓦楞纸箱的质量进行控制。


传统的瓦楞纸箱的质量体系有很多检测指标,如纸板含水率、边压强度、抗压强度、耐破强度、耐折强度、瓦楞与面里纸的粘合强度等,但是缺乏可以直接表征影响封合质量的指标。本文从纸板特性指标角度进行研究,根据纸板粘合机理,通过直角粘合模拟测试以及拉力测试进行粘合效果对比,研究了瓦楞纸板的表面状态参数对包卷式纸箱封箱效果的影响,通过找到纸板吸水性渗透[4]、表面能[5]、纸纤维内结合强度[6,7]等指标的合理范围,建立包卷式纸箱的封合质量标准评价体系。从而可以指导企业对包卷式纸箱的在线封合质量进行预测评判,避免出现在线封合不良造成的损失。


试验材料和方法

本文针对上述包卷式纸箱(见图1)的在线封合质量标准体系研究,主要从纸箱的吸水渗透性、表面能、内结合强度方面开展试验测试,并用直角测试和拉力测试判断包卷式纸箱的封合质量,建立包卷式纸箱的封合质量标准评价体系,对包卷式纸箱在线封合质量进行预测。

yinxiongfei-1.jpg

图1 包卷式纸箱自动包装流程

 

2.1 试验材料

选取型号为“300 /140 /170 -B”的瓦楞纸板,即面纸为300g定量的涂布白板纸,瓦楞纸纸140g的瓦楞芯纸,里纸为170g的牛卡纸,瓦楞楞型为B瓦楞,纸板印刷面经过上光油处理,分别由四个不同厂家提供,编号依次为1号、2号、3号和4号。


2.2主要仪器设备

CA 93940手持式热熔胶抢,由诺信(中国)有限公司生产。

MS1003S/01电子天平,由梅特勒-托利多国际贸易(上海)有限公司生产。

PN-IBT内结合强度测试仪器,由杭州品享科技有限公司生产。

INSTRON万能材料试验机,由英斯特朗(上海)试验设备贸易有限公司生产。


2.3 试验方法

纸板的粘合机理主要是胶水的凝聚粘合[8],同时辅以渗透粘合和表面粘合,热熔胶的冷却凝固引起凝聚粘合,胶料渗透到纸板内表面进入纸板纤维间隙里引起渗透粘合,同时粘合面的两层纸板表面附着有热熔胶引起表面粘合。凝聚粘合能力和热熔胶本身有关,使用相同的热熔胶,则胶水凝聚粘合力相同,仅从纸板本身因素来分析对渗透粘合和表面粘合的影响,因此本试验将测试和纸板表面状态有关渗透吸水性、表面能、纸纤维内结合强度[9,10]三个指标,然后用直角粘合试验验证评估纸板的粘合强度,找到纸板表面状态最佳指标范围,最终建立影响包卷式纸箱封合质量标准体系。


3 试验结果与讨论

首先对试样进行温湿度预处理,按GB/T10739进行。


测试四个品牌的相关表面性能指标,对比纸板之间的差异,然后模拟包卷式纸箱生产线纸板粘合工序,将四种纸板粘合,对比粘合牢度,找到纸板表面状态指标对粘合牢度的影响规律。


3.3.1 试验过程

1)吸水渗透性

纸张是多孔纤维材料,纸张渗透性能够反应纸和纸板结构疏松、表面粗糙程度以及施胶效果等[11,12],本试验通过测试纸张吸水性来反映出纸张的渗透性,吸水性高表示纸板渗透性越好,从而能够间接反映纸张对胶水的渗透吸收能力[13]。吸水性指单位面积的纸和纸板在规定时间内表面吸收的水量。吸水性测试方法参照国标GB/T461.3,将四种纸板编号分别为1号、2号、3号和4号,分别裁取10cm×10cm大小的试样,每种试样测试10组样品,计算吸水性,测试结果见表1


表1 吸水性测试结果

Table 1 Water absorption test results

纸板名称

吸水量(g/㎡)

正面(印刷面)

反面(里纸面)

1

0. 19

7.40

2

2.35

2.03

3

1.37

2.77

4

0.27

5.45


2)表面能测试

在两相界面上,存在一种张力,指向使表面收缩的方向并与表面相切,这种力叫表面张力(N/m),液体扩散表面积增加,增加单位表面积时体系自由能的增量叫做表面能(J/㎡),对于液-固界面来说,它反应这液体在固体表面扩散的能力,若液体容易在固体表面铺展,出现润湿现象,则说明表面能较高,若液体在固体表面收缩成水珠状,则说明表面能较低[14]。表面能可以通过达因笔测试来体现,熔融状态的热熔胶涂覆在纸板表面,形成液-固界面,用达因笔测试纸板表面张力,判断热熔胶在纸板表面是否容易扩散增大接触面积。


选择一种型号的达因笔样品纸板表面(印刷面)画一条长度约3厘米的直线,如果在2秒内缩测试笔润湿了基材表面,则基材表面张力比所选达因笔的值要大或正好,那么须要选一更大值的测试笔进行第二次测试,如此类推,直到测试结果在2秒内改缩成水珠(球状),则这次测试之前一次的值就被视为基材的表面张力测得四种试样的表面张力如表2


表2 表面张力测试结果

Table 2 Surface tension test results

纸板名称

表面张力(mN/m

正面(印刷面)

反面(里纸面)

1

34

42

2

38

42

3

40

42

4

36

42


3)内结合强度测试

内结合强度主要用于测试纸和纸板之纸层间结合强度,即纸张表面纤维间结合强度,它反映的是纸和纸板抵抗层间分离的能力[15,16]。内结合强度测试方法参照国标GB/T 26203 《纸和纸板 内结合强度的测定(Scott)》,测试结果如表3


表3 内结合强度测试结果

Table 3 Internal bond test

纸板名称

内结合强度(J·m-2

正面(印刷面)

反面(里纸面)

1

84.26

88.67

2

121.33

90.36

3

134.12

93.14

4

103.28

87.35


3.3.2 直角测试

直角测试用来模拟包卷式纸箱的在线粘合工艺。首先裁剪待测试样为10cm×10cm方形大小,其中一边垂直裁5cm开口,用热熔胶枪将热熔胶充分熔融,温度设定为165℃,将熔融的胶水以相同的胶量涂布在每片试样上,将试样扭曲内外搭接粘合,压合3秒,放置在室温静置5分钟后揭开试样粘合处比较材破效果,测试结果见图2

yinxiongfei-2.jpg

图2 粘合性能测试结果

Fig 2. Test results for adhesion

一般情况认为材破明显即粘合效果较好,②和③有明显材破现象,①和④没有材破现象胶水全部转移到里纸面,初步判定②和③粘合效果较好,①和④粘合效果较差。进一步通过测试粘合后的拉力,对比四种试样的粘合强度。


3.3.3 拉力测试

分别裁切待测试样为长15cm×宽3cm的样条,将样条在距离一端3cm处进行直接折叠,即短边为3mL型试样,两条为一组,每种试样共5组,用热熔胶枪将热熔胶充分熔融,温度设定为165℃,将两个样条的短边进行粘合,涂以相同的胶量,粘合面分别是其中一个样条的印刷面和另一个样条的里纸面,压合3秒,放置在室温静置5分钟后,用万能材料试验机夹持试样两端进行垂直于粘合面的拉伸测试,拉伸速度设置为50mm/min,直至将粘合面拉开,记录拉力值,求每组试样的平均值,测试结果见表4,拉力值越高即粘合强度越大。


表4 拉力测试

Table 4 Tension test

纸板名称

拉力(N

1

38.29

2

95.83

3

99.28

4

64.82

 

3.3.4 试验结果与讨论

根据以上测试结果,四种纸板正面(印刷面)参数指标差异较大,反面(里纸面)参数指标差别并不大,因此主要对比正面(印刷面)参数指标与粘合效果的关系,将以上测试结果统计为表5


表5 测试结果汇总表

Table 5 Summary of test results

试样编号

正面(印刷面)

吸水量

(g/㎡)

表面能

(mN/m)

内结合强度

J·m-2

直角粘合

材破率(%)

拉力

(N)

1

0. 19

34

84.26

0

38.29

2

2.35

38

121.33

100

95.83

3

1.37

40

134.12

100

99.28

4

0.27

36

103.28

0

64.82


由表5可以看出,2号和3号试样拉力值最大,粘合效果较好,1号拉力值最低,4号次之,拉力结果与直角测试结果相同的,拉力测试将粘合强度进行量化。根据表5测试结果,得到以下结论:


11号试样粘合强度最低,主要由渗透性(吸水量)、表面能和内结合强度引起,1号吸水量和表面能较低,说明胶水在其表面不易渗透吸附和扩散,因此直角测试没有材破现象,印刷面胶水完全被剥离转移到里纸面,根据纸板粘合机理,1号试样的情况胶水的渗透粘合和表面粘合都降低,因此拉力测试较低。同时1号试样内结合强度也较低,层间结合力差,印刷面涂布层容易被剥离,也导致粘合强度降低。


24号试样粘合强度次之,原因与1号试样相同,4号吸水量、表面能和内结合强度略高与1号,因此拉力测试结果也略高与1号。


32号和3号试样粘合强度测试结果接近,两个试样的渗透性、表面能和内结合强度都较高,胶水容易渗透吸附在起表面,渗透粘合和表面粘合都增强,因此拉力测试值较高。

4)根据表5测试结果进行预测,纸板印刷面吸水量低于1g/㎡,表面能低于38mN/m,内结合强度低于100J·m-2的纸板,粘合封箱强度较低。


直角测试及拉力测试结果和纸板渗透吸水性、表面能、纸纤维内结合强度等指标直接相关,企业可以根据产品的包装要求和运输距离、堆垛高度等实际情况,制定出封合后的纸箱材破标准,从而根据纸箱工艺的实际情况,同时考虑经济性等相关因素,制定出纸板渗透吸水性、表面能、纸纤维内结合强度等指标的合理范围,建立包卷式纸箱的封合质量企业标准。


4 结语

为有效指导纸箱企业对上述工艺参数进行质量控制,将纸板渗透吸水性、表面能、纸纤维内结合强度等指标加入现有的瓦楞纸箱质量标准体系中,建立起包卷式纸箱的封合质量标准评价体系,从而可以从源头上对包卷式纸箱在线封合质量进行控制,减少企业在线生产的废品率以及仓储、运输过程的脱胶问题的发生,从而大大降低生产成本,提高企业效益。

  

参考文献:

[1] 林淑佳. 封箱质量线上检测及监控方法的探讨[J]. 啤酒科技,2015,(04):52-54.

LIN Shu-jia. Discussion on the Method of Online Detection and Monitoring of Box Quality [J].
Beer Science and Technology. 2015, (04):52-54.

[2] 陈琛,宋利君,邓玉明等.乙烯-醋酸乙烯树脂和聚烯烃热熔胶点喷封箱的应用研究[J].包装与食品机械,2017,(5):33-36.

CHEN Chen, SONG Li-jun, DENG Yu-ming. Study on the Application of Ethylene-Vinyl Acetate Resin and Polyolefin Hot Melting Glue Point Injection Box [J]. Packaging and Food Machinery. 2017, (5):33-36.

[3] 陈晓彬.喷胶点喷技术在纸箱包装机中的应用[J. 京燕啤酒,20142):51-53

CHEN Xiao-bin. Application of Glue Point Spray Technology in Carton Packing Machine [J], Yan Jing Pi Jiu, 2014(2):51-53.

[4] 马晓博,李克宏,王东,崔晓彬.影响纸张吸水性的主要因素[J].纸和造纸,2013,32(12):8-10. 

MA Xiao-bo, LI Ke-hong, WANG Dong, CUI Xiao-lin. Main Factors Affecting Paper Water Absorption. Paper and Paper Making [J]. 2013, 32(12):8-10.

[5] 王晖,顾帼华.固体的表面能及其亲水/疏水性[J].化学通报(印刷版),2009,72(12):1091-1096.

WANG Hui, GU Guo-hua. Surface Free Energy of Solid Matter and its Hydrophilic/Hydrophobic Nature [J]. Chemistry. 2009, 72(12):1091-1096.

[6] 胡绍进,陈嘉川,杨桂花等.造纸助剂的开发与发展[J].华东纸业,2012,43(2):49-54,72.

HU Shao-jin, CHEN Jia-chuan, YANG Gui-hua. Exploration and Development of Papermaking Additive [J]. Shanghai Paper Making. 2012,43(2):49-54,72.

[7] 卢晓林,陈少平,陈孝行等.造纸助剂HPAMSTX-N21在再生瓦楞纸浆中的应用[C].//中国化学会第十二届全国应用化学年会论文集.2011:26-29.

LU Xiao-lin, CHEN Shao-ping, CHEN Xiao-xing. Application of Papermaking Assistant HPAMSTX-N21 in Recycled Corrugated Pulp [C]. Chinese Journal of Applied Chemistry. 2011:26-29.

[8] 康启来.瓦楞纸板粘合强度的控制[J].印刷世界

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