제6장 Heat seal의 종래법의 합리적인 검토 - 2(HS의 압착압과 용착면 온도의 관계)

[YDfamily]

6.3 HS의 압착압과 용착면 온도의 관계

Heat jaw 방식의 가열을 관찰해 보면, 전열은 피가열재와의 접촉에 의해 행해진다. HS의 완성은 수 ㎛의 전열 gap에도 영향을 받기 때문에 접촉 상태에 의해 HS의 완성에 변화가 생긴다(8.2 참조).

하지만 너무 강한 압착압은 5.1.2에서 논한 것과 같이 heat sealant층이 용출하기 때문에 피해야 한다.

포장재료의 미세한 “구김(시와)”을 제거하여 용착면을 확실히 접촉시키는 적정 가압 조건의 측정이 기대되고 있다. 압착압의 기능을 도 6.2에 도해하였다.

샘플에 걸리는 압착압[MPa](heat jaw의 작동 공기압은 아님)을 샘플의 양면의 접촉이 시작하는 미세 압착압인 0.05MPa부터 0.30MPa까지 변화시켜 용착면의 온도 응답을 계측하였다. 그 결과를 도6.3에 나타내었다. 압착압이 낮은 영역(P1, P2)에서는 용착면 온도의 응답이 명확하게 늦어서, 열전도가 불완전 하다는 것을 알 수 있다. 압착압이 0.08MPa이 되면 응답은 매우 빨라진다. 간단히 압착압을 증가시켜도 응답의 변화는 보이지 않는다. 이 결과로부터 압착압이 0.08MPa 부근 이상에서 열전달 상태가 거의 일정하게 되는 것을 알 수 있다. 0.30MPa의 응답 결과를 주의 깊게 관찰하면 용융 온도 이상의 온도영역(130℃ 부근)에서 응답이 빠르게 되는 이상을 나타내고 있다. 높은 압착압에서 액상화 한 용융측의 유동이 일어나고 있는 것이 관찰되고, 높은 압착압 조작에 유의가 필요하다는 것을 시사하고 있다. Heat sealant의 용출을 제어하기 위해서는 0.1~0.2MPa에 적정 가압을 한다.

도6.3 압착압을 파라미터로 한 용착면 온도 응답

6.4 휘발성분을 함유한 HS의 용착면 온도의 거동 측정과 고찰

HS의 용착면에는 피포장품의 액 등이 부착되거나 사용한 포장 재료의 용착면이 갖고 있는 미중합 물질이나 외기로부터 흡수된 수분 등의 휘발성 물질이 존재하면 가열에 의해 휘발이 일어나기 때문에 용착면 온도는 휘발 성분이 외부로 배출될 때까지 증기압 온도에서 남는다. 층 내에 잔류한 경우 HS면에 발포가 남는다. 휘발 성분 거동의 추정을 도6.4에 나타내었다.

(a) 통기성 재료의 경우                                           (b) 비통기성 재료의 경우 도6.4 HS면의 휘발 성분의 거동 모델

휘발성분의 HS에 미치는 영향에 대해서 함수(含水)한 종이를 사용하여 압착압과 압착면 온도의 관계를 조사하였다. 샘플로서 복사지를 습한 타월로 감싸 함수시켰다(각 테스트 시편은 동일 함수량으로 하였는데 정량화는 하지 않음). 압착압은 걸린 응력을 시험편의 수압 면적으로 나눠서 구했다. 이 측정 결과를 도6.5에 나타내었다. 함수한 샘플의 용착면 온도의 응답은 시작은 빠른데, 가열온도로의 도달 시간은 함수 하지 않은 샘플의 응답과 비교하여 명확하게 느리다. 용착면 구속온도는 압착압에 의해 달라진다는 것을 확실히 알 수 있다. 그래프 중에 압력치는 구속 온도의 수증기압이다. 구속 온도와 증기압의 관계를 맞춰 보면 증기압과 압착압이 거의 일치하고 있다는 것으로부터 구속 온도와 압착압의 관계가 유의하게 된다. 이 시험의 경우 샘플은 종이로 섬유상이기 때문에, 내부의 수분은 가열에 의해 외부로 비등 배출한 것을 온도 상승으로부터 알 수 있다.

도6.5 함수지의 압착압을 파라미터로 한 용착면 온도 응답

우유팩 용기 재료의 함수분이 용착면 온도에 미치는 영향을 3 레벨의 가열 온도로 조사한 실시예를 도6.6에 나타내었다. 용착 온도와 기화의 구속 온도가 일치하여 있는 케이스로 목표 온도는 기화 온도보다도 위에 있고, 기화의 시간의 영향이 HS의 압착압과 시간으로 강하게 영향을 주고 있다.

도6.6 우유용 종이 용기재의 함수분의 HS에의 영향(실측 예)

라미네이트 필름의 내측 층에 휘발 성분이 존재하는 경우는 기화한 가스체는 발포체로서 층 내에 남는다. 라미네이트 층에 나일론을 사용한 레토르트 파우치 재료의 발포 예를 사진 6.1에 나타내었다. 145℃에서는 peel seal 상태이고, 외관은 투명하다. 접촉 상태는 계면 박리이다. 150℃ 가열은 외관으로부터도 발포 상태가 확인 가능하고, 박리는 tear seal 상태에서 있고 발포에 의해 용착면에 기포의 구분이 가능하다.

휘발성분을 함유한 계에서는 휘발온도, 가열온도, 용착온도, 압착압의 4가지의 관계에 주목할 필요가 있다. 발포의 제어 방법에 대해서는 8.6에서 설명한다.

사진6.1 HS면의 발포