제7장 Peel seal과 tear seal의 식별 방법 - 2 (Tear seal의 검출법의 검토 / 각도법의 제안)

[YDfamily]

7.2.2 Tear seal의 검출법의 검토 / 각도법의 제안

종래의 HS의 시험법은 HS선에 직각으로 인장력을 주어 시험편의 폭(15~25.4mm)에 균일한 하중을 거는 것을 엄밀하게 규정하고 있다. 도7.1에 설명한 것과 같은 방법으로 30~50㎛의 미소 부위의 peel, tear를 검지 불가하다.

HS의 핀홀과 찢어짐의 발생원인은 표5.1에 나타난 것과 같이 핀홀의 발생은 물결상, tuck, 응력의 3요소가 복합적으로 관계하여 있고, HS선의 단위 길이당 힘의 관계가

   재료의 내력(耐力) < 집중 응력

의 조건이 되면 파손이 발생한다.

핀홀, 찢어짐의 발생의 방어 방책으로서는 적어도 3요소 중의 1가지 요소의 억제가 불가결하다. 본항에서는 용착면 온도를 파라미터로 한 과 가열로 발생하는 물결상의 HS선의 검출법에 착안하였다. 핀홀이나 찢어짐의 발생은 수십 ㎛의 미세한 부위에 외부 응력이 집중 부하되어 발생하고 있는 견지로부터 실험실에서 동일한 시뮬레이션을 행하는 방법을 검토하였다. 종래의 HS선(0°)에 30~45°의 각도를 붙인 가열 센서를 만들고, HS선에 예각으로 응력을 거는 것에 의해 HS선의 미세 부위에 응력을 집중하여 가하는 인장 시험법을 고안하였다. 각도는 45° 이상의 편이 보다 검출 감도가 높아지는데, 시험 샘플의 제작에 가열 불균일이 없는 특별히 긴 heat bar가 필요하게 되기 때문에 실용성을 고려하여 45°를 선정하였다. 이 샘플의 제작법은 11장에 나타나 있다. 본시험법을 도7.2에 나타내었다. 필자는 본 시험법을 각도법으로 이름 붙였다.

도7.2 Tear seal의 검지법의 모델

각도법에서는 시험 jaw간의 거리는 도 7.2(b)에 나타난 데로 30mm 이하로 하고, 인장시험 결과에 미치는 포장재료의 연신의 영향을 극소화 하도록 하였다. 논거는 도11.4에 나타나 있다. Peel seal의 샘플을 각도법에 의해 인장시험을 행하면, 점에서부터 선의 박리가 일어난다. 인장 응력으로 삼각형으로 박리되기 때문에 인장 강도는 직선적으로 상승하여 15mm 폭의 인장에 도달한 이후는 일정한 peel 강도가 나타난다. 일정하게 된 인장 강도는 동일 샘플의 JIS법의 15mm 폭의 시험 결과와 일치한다.

다른 방향으로 tear seal 샘플에서는 HS선상에 폴리옥이나 tear seal 상태가 존재하기 때문에 찢어짐 또는 복합재의 경우에는 de-lamination이 일어난다. 많은 경우는 파단이 일어나거나, 직사각형 상으로 de-lamination 박리를 일으켜 인장강도는 저하한다.

7.2.3 각도법의 측정사례

[4.2]에 제시한 MTMS kit를 사용하여 2~10℃ 간격으로 가열 샘플을 제작하였다. 각도법의 각도는 45°를 선택하였다. 압착압은 약 0.2MPa를 적용하였다. 샘플은 시판되어 있는 레토르트 파우치를 사용하였다. 측정 데이터는 PC에 보존하였다. 도7.3에 집계한 데이터를 나타내었다. 150℃ 샘플의 JIS법의 인장시험 결과는 최대치를 넘어서면 박리되면서 40N 부근에 점차 가까워졌다. 각도법은 인장 거리에 대응하여 점으로부터 삼각형 상으로 박리되면서 15mm폭으로 되면 40N으로 점차 가까워졌다. 이 때의 인장 강도는 JIS법의 결과에 근접하였다.

도7.3 각도법의 실제 데이터

158℃ 샘플은 JIS법에서는 박리되는 것이 없고 상승하여 재료가 늘어나는 패턴을 나타내었다. 동일 가열 온도의 각도법의 시험에서는 인장의 도중에 찢어짐이 발생하였고, JIS법과 크게 달랐다. 이 샘플에서는 150℃ peel seal과 tear seal의 경계 온도로 판정 가능하다. Peel seal 조건의 147℃의 결과를 병기하였는데, 당연하게도 박리가 진행된 정상치에서는 양쪽의 인장강도는 근접하여 있다.

도7.4에 이 샘플의 열특성과 4.3.1에서 정산한 데이터와 공히 JIS법과 각도법의 인장강도의 계측 데이터를 plot 하였다. 각도법의 데이터는 찢어짐이 발생한 때의 인장 치를 plot하였다.

각도법의 인장시험에서는 가열이 154℃를 넘으면 인장강도가 현저히 저하하여 확실히 다르다는 것을 나타내고 있다. 각도법에 있어서 인장강도가 낮은 영역에서는 핀홀, 찢어짐이 용이하게 발생하는 것을 나타내고 있다.

도7.4의 각도법의 데이터에서는 온도가 170℃에 다다르면 찢어짐이 발생하는 인장강도가 높아지고 있다. 공통 시험 샘플은 heat sealant가 70㎛로 매우 두껍고, 고온 영역에서 heat sealant의 돌출이 HS선에 균일하게 나타난 것으로 추정된다.

도7.4 각도법을 적용한 peel seal과 tear seal의 식별 측정예(레토르트 파우치)

7.2.4 각도법에서 얻을 수 있는 정보

(1) 인장시험의 응력선을 직각으로부터 서서히 변경한 각도법 시험에서는 peel seal의 상한 온도를 경계로 하여 찢어짐 응력에 큰 변화를 나타내었다. 이 방법은 tear seal의 검출법으로 유효한 것임을 알 수 있다.

(2) 종래는 상태적으로 tear seal의 가열이 적용되고 있는데, 각도법의 실험결과를 참고로 하게 되면 시장에서 더러 발생하고 있는 파대의 원인을 규명 가능하다.

(3) 각도법의 지견을 참고하여 대표적인 부적합인 파대의 발생 프로세스를 추정하면 표7.2에 나타난 것과 같이 부적합의 순환 프로세스가 성립되어(악순환) 있는 것이 추정된다. 가열의 적정화의 실시가 유일한 개선 수단으로 된다.

표7.2 HS의 부적합 발생의 악순환 

각도법은 이 부적합의 순환 프로세스의 원인요소인 과 가열과 고압착의 유무의 검지의 개선에 기여 가능하다고 생각된다. 몇몇의 해석 결과를 종합한 고찰은 9.1에도 언급한다.