제4장 Heat seal 조작의 기본 - 6(재료의 용융 특성 측정과 하한 온도의 결정)

[YDfamily]

4.3.2 용착면 온도 데이터로부터 열변성점을 확정하는 방법

Step상의 가열에 대한 용착면 온도의 변화의 모습의 모델을 도4.7에 나타내었다.

용착면 온도의 응답은도는

으로 표현하는 것이 가능하다. 이 4.1식을 도식화 하면 도4.9와 같이 된다.

도4.9 Step 응답의 경시변화와 미분 연산결과

4.1식의 1차 미분 수치는 (+)치로 0에 접근한다. 2차 미분치는 (-)치로, 이것도 0에 근접한다. 모두 미분 연산 결과에는 변곡점이 불가하다.

도4.10 용착면 온도의 step 응답의 미분 연찬 처리 모델

변곡점을 가진 용착면 온도를 미분 연산 처리하여 변곡점을 확정하는 방법을 도4.10에 나타내었다. 도4.10(a)는 용착면 온도의 변곡점 부근을 모델화 한 것이다. 변곡점 P1, P2, P3로 하면 1차 미분 연산의 결과, -P1의 사이는 경사에 대응한 일정치 (1)로 된다. P1-P2 사이는 변화가 없기 때문에 0으로 된다. P2-P3 사이는 일청치 (2)로 된다. P3-은 (3)으로 된다. 일정치 (1)~(3) 중에는 열변성이 크기도 포함되기 때문에 열변성의 크기의 비교가 가능하다.

하지만 공급되는 열량이 DSC와 같이 정량화는 불가하기 때문에 연산 결과로부터 변성량은 결정되지 않는다. 가열 온도의 경사가 변하면 1차 미분치는 변화한다. 1차 미분 결과를 새롭게 미분하면 변곡점을 (+)와 (-)로 표시 가능하기 때문에 가열 온도의 경사의 영향을 배제하여 정각으로 변환 가능하기 때문에 변곡점의 온도는 알고 있는 “점”으로 변환 가능하다.

채취한 용착면 온도 데이터의 미분 연산을 행하는 데에는 채취한 데이터 간의 차분(差分)을 보는 근사(近似) 미분을 행한다. 이 방법을 도4.11에 나타내었다. Δt는 차분 구간의 설정치, ΔT는 차분 설정 구간에 대한 용착면 온도의 차분치이다. Δt의 1단위는 연산 적용 영역의 용착면 온도가 0.5~1℃의 변화가 포함되도록 선택한다. Δt는 용착면 온도를 디지털화 하는 때의 샘플링 시간의 선택에서 결정하는 것이 가능하다. 데이터를 PC에 입력으로 표 계산용의 S/W를 이용하면 이 처리는 용이하다. PE의 변곡점 해석한 예를 도4.12에 나타내었다. 이 예로는 Δt를 0.04s로 하여 차분 연산을 하였다. 118℃에 2차 미분의 변곡점을 얻는 것이 가능하였다. 110~150℃의 HS 강도를 조사한 결과, peel seal이 116~123℃, 125~140℃에서는 접착면이 박리되지 않고 늘어남이 발생하였다. 145℃를 넘기면 edge의 파손이 발생하였다.

열특성의 연산 처리는 시간을 기준으로 행하고 있기 때문에, 얻어진 열변성 데이터는 시간이 파라미터로 되고 있다. 시간과 용착면 온도의 변화는 대응하고 있는 X선을 용착면 온도로 치환하여 Y축을 미분치로 치환하면 용착면 온도를 파리미터로 한 데이터로 치환 가능하다. 용착면 온도의 변화는 step상의 가열에 대한 응답이므로, 1차 지연 응답으로 되기 때문에 용착면 온도의 눈금은 직선적이지 않게 된다.

도4.11 용착면 온도 데이터의 차분연산(근사 미분) 처리 모델

도4.12 용착면 온도 측정법에 의한 열특성 해석 사례

4.3.3 변곡점이 나타내는 케이스

변곡점의 발생은 heat sealant가 10㎛이상인 PE나 CPP와 같은 고분자의 결정성이 높은 경우는 현저히 나타난다. 결정성이 낮은 고분자나 모재 필름의 두께에 대하여 heat sealant가 매우 얇은 경우, co-polymer, 생분해성 플라스틱과 같은 다른 물질의 혼합량이 많은 경우에는 현저한 열번성이 검출되지 않거나, HS의 발현과 일치하지 않는 것도 볼 수 있다. 이러한 경우에도 용착면을 파라미터로 한 HS 샘플의 인장 시험과 병용으로 HS 조건 해석으로의 적용이 가능하다.

4.3.4 열변성과 HS 강도의 관계

도4.13에는 시판의 레토르트 파우치에 적용한 해석예를 나타내었다. 이 데이터의 X축은 용착면 온도에 변환이다. 도에는 변곡점 부근의 HS 샘플의 인장 시험 데이터와 DSC 데이터를 병기하였다. HS 강도의 시작 부(peel seal)는 2℃마다의 데이터를 채취하여 peel seal의 모습을 구체적으로 조사하였다. DSC의 데이터는 그래프의 스케일에 맞도록 수치를 변경하여 패턴화 하였다. 이 예는 HS 강도는 140℃에서 발현하여 154℃에서 peel seal이 종료되고 있다. HS 강도의 그래프는 147~148℃에 변곡점이 있다. 이것은 147℃ 부근에 접착의 발현이 개시하는 2번때 heat sealant가 혼재되어 있다고 하는 추정이 가능하다. HS강도 패턴으로부터 2가지의 HS 강도 패턴을 역산하면 첫번째는 140/147℃ 부근의 온도 범위에서 최대치가 약 28N/15mm의 peel seal을 발현하고 있다. 2번째는 145℃부근/154℃의 온도 레인지에서는 최대치가 약 22N/15mm의 peel seal이 발현하고 있다. 열변성 데이터의 152℃ 부근에 2번쨰의 변곡점이 관찰된다. 인장 시험에서는 2가지의 접착 상태의 총합을 계측하고 있다. 첫번째의 peel seal 온도폭은 약 7℃, 2번째는 9℃의 peel seal대를 갖고 있다. 총합한 peel seal폭은 14℃로 되어 있다(혼합에 의한 peel seal의 확대방법의 해설은 9.2.1에 있다). DSC의 분석 결과로부터 용융온도(Tm)은 peel seal의 도달 발현 온도보다 16℃ 정도 높은 170℃로 되어 있다. 용융온도(Tm)을 주목하여 HS 온도를 설정하면 가열온도는 꽤 높아진다. 이들의 결과로부터 적정한 HS 해석에 용착면 온도 측정법의 열변성 분석법이 유의미한 것을 알 수 있다. 이들의 고찰에서 얻어진 가열 온도는 적정 가열범위로 반영하는 것이 가능하다.

도4.13 용착면 온도 측정법에 의한 열특성 분석과 해석 실례