제6장 Heat seal의 종래법의 합리적인 검토 - 5 (유출열에 의한 HS면에 발생하는 온도 분포)

[YDfamily]

6.8 유출열에 의한 HS면에 발생하는 온도분포

HS의 가열에는 가열체의 표면온도와 용착면 온도가 중요한 인자이다. 표면 온도가 동일하여도 용착 온도면의 도달 온도가 재료의 열용랭(두께)와 전도성의 상위에 의해 동일하지 않다.

그 요인은

① 라미네이션 소재 표증부 재질의 열전도율이 내층보다 작다.

② 내층부에 열전도성이 좋은 금속박이 합지되어 있다.

③ 두꺼운 테프론 시트로 가열체가 커버되어 있다.

이들의 요인에 의해 침투 열류와 유출 열류가 발생하기 때문에, 균일 온도면으로 가열하여도 HS면의 seal 부위의 온도 분포가 발생한다. 가열면의 놓는 방법을 바꾼 샘플 A와 B의 5점의 용착면 온도의 모습을 도6.12(a)에 나타내었다. 용착면 온도는 유출 열량에 대응하여 최고 도달 온도가 변한다. 30㎛ 이하의 필름에서는 전도 유출의 영향은 없고, 용착면 온도는 표면 온도에 접근한다. 도6.12(b)에는 peel seal을 한 샘플 A와 B의 인장 시험한 때의 패턴을 나타내었다. A는 양단으로부터 열 유출이 있기 때문에 이격 거리의 가운데 점에 대칭한 패턴을 나타낸다. B의 시작은 A와 같으나 인장 강도는 종단까지 상승하여 끝난다. 도6.13은 도6.12(a)의 샘플 B의 열류를 모식화 하여 표현하였다. HS면의 선단은 열유출이 없기 때문에 가열 온도에 가까운 온도까지 상승한다. 한편 파우치 측은 자유로운 열유출이 일어나기 때문에 재료의 면에 따라 열류가 발생한다. 알루미늄박을 라미네이트 한 필름의 경우 그 현상이 현저히 나타난다.

도6.12 HS면의 부위별 용착면 온도와 인장 강도의 분포

도6.13 유출열에 의한 HS면의 온도 분포의 발생 설명도

6.9 롤렛(roulette: 미세한 요철 모양의 가공) 마무리의 공과

사진6.2에 나타난 것처럼 HS면에 롤렛 마무리가 적용되어 있는데, 유의성을 보여주는 근거는 예측되지 않는다. 부적합 원인을 열거하면 다음과 같다.

사진6.2 롤렛 마무리의 포장 제품

(1) 가열 압착이 평탄하지 않기 때문에 가열 전열 효과가 열화

(2) 미세한 요철에 집중 응력이 걸려 핀홀 생성으로 이어지고 있다.

(3) 표층재를 돌파해 버린 곳이 있다.

(4) 요철의 압착이므로 접착면이 spot이 있어 본래의 HS 강도가 나오지 않음

(5) 불균일 면의 평준화 조작으로서 이용되고 있음

롤렛 마무리가 핀홀의 발생원으로 된 해석 사례를 도6.14에 나타내었다.

이 예는 합장점의 부근에서 핀홀 발생이 많이 발생한 예이다. HS의 적정성을 조사하기 위해 HS 전후의 각부의 수치를 측정하였다. 필름 1매의 두께는 78㎛이다. 이 경우 문제가 되는 것은 2매가 겹친 [a]가 0.159mm. 4매가 겹친 [d]가 0.330mm이기 때문에, 0.171mm의 단차가 있다. 이 단차를 무너뜨리지 않으면 [a]부의 접착은 성립하지 않는다. 1번 하중을 받는 곳은 [c]부이다. [c]부는 0.335-0.370=-0.035mm의 압축이 행해지고 있다. 총계 80㎛의 heat sealant는 약 절반이 압착면으로부터 압출된다. [c]부는 0.335mm까지 압축되어도 [a], [b]의 압착은 불충분하다. 이것을 보충하기 위해서는 가열 온도를 상당히 높일 필요가 있고, [c]부는 sealant가 유출하여 알루미늄박만으로 되어 롤렛의 엠보싱이 알루미늄 박을 파손하여 핀홀을 만들고 있다.

포장재료 사양: PET 14 / PE 15 / Al 9 / PE 40; 78㎛ (a) 두께의 계측점                                                 (b) 롤렛의 엠보싱 추돌

(c)  각부의 수치의 측정결과                                                                                                                             (단위: mm)

측정 위치	a	b	c	d	e(a)	f(a)
시험 샘플의 두께	0.159	0.210	0.370	0.330	0.159	0.210
HS 후	0.154	0.213	0.335	0.373	0.182	0.241
압착차	-0.005	+0.003	-0.035	+0.043	+0.023	+0.031

(d-a) = 0.330-0.159 = 0.171mm 단차

c의 전후 0.370-0.335 = 0.035 mm

도6.14 롤렛 마무리의 부적합 해석 (각부의 수치 변화)

6.10 압착면의 거칠기로 HS 강도가 변화한다.

도6.15에 압착면이 평활한 금속면과 0.1mm로 짠 테프론으로 가열한 HS 샘플의 인장시험 결과를 나타내었다. 압착면의 거칠기로 반응하여 HS 강도의 시작이 20NT(sealant; 3.5mm)에서 약 6℃, 50NT(sealant; 6.4㎛)에서는 약 4℃의 규칙성이 있는 이동이 나타나고 있다. 평활면의 압착에서는 발현한 접착자가 전면으로 이동하여 peel seal 결합을 일으키고 있는데, 0.1mm의 편목(偏目)의 돌기부분의 압착이 유효하게 되어 약 절반의 “솎아 냄” 접착으로 되고 있다.

테프론 커버의 접착은 그래프로부터 보면 peel seal으로 되고 있는데, 가열 온도로부터 보면 tear seal의 영역으로 되고 있다. 충격적인 인열력에는 edge가 끊어지는 것을 일으키는 것이 관찰되고 있기 때문에 tear seal의 솎음 접착이 있다. 이 특징은 목적을 바꾸면 easy peel 등으로의 재미 있는 이용법을 생각할 수 있다.

도6.15 압착면의 평활도의 HS 강도로의 영향