제8장 HS 기능의 확인과 향상 방법 - 1

[YDfamily]

제8장 HS 기능의 확인과 향상방법

가열만 하여 접착이 가능하기 때문에 HS는 플라스틱의 범용적인 이용을 지원하는 중요한 기법으로 보급되었다. 당초에는 기계적인 결합의 수요였는데, 현재에는 미생물의 침입이나 가스의 누설의 방어 기능이 요구되고 있다.

여기서는 HS을 구성하는 다음의 기능 요소의 검토를 행한다.

(1) Peel seal의 박리 에너지의 활용방법

(2) Heat sealant의 두께와 HS 강도

(3) HS 강도와 lamination 강도의 상호 관계

(4) HS의 HACCP 달성법

(5) Easy peel의 발현 검증과 이용

(6) 용착층의 발표의 원인 구명과 대책

(7) Peel seal의 활용

8.1 Peel seal의 박리 에너지의 활용방법

8.1.1 머리말

HS가 적용되고 있는 제품을 보면 10mm 정도의 HS fin을 갖고 있다(사진 8.1). 하지만 대부분의 HS는 edge에서 끊어지는 tear seal의 가열이 행해지고 있다. 도1.5에 나타나 있는 플라스틱의 필름이나 시트와 같은 면의 굴곡 강성이 작은 구조에서는 인장 응력은 면에 분포되지 않고, HS선 상에 집중된다. 폭의 넓은 HS fin 은 파괴력에 직접적으로는 무엇인가 관여하고 있지 않다. Impulse seal이나 hot wire(열 용단) seal의 기능에서 설명한(도3.14) 것처럼 tear seal의 응집 접착에서는 1mm 정도의 seal 폭에서 접착이 완성되고 있다는 것을 알 수 있다.

Tear seal에서는 edge 끊어짐의 근본원인인 폴리옥이 생성되고 있다(도7.1)

HS의 부적합의 해소에는 폴리옥의 생성 억제가 불가결하다.

HS 조작에서는 계면 접착인 peel seal은 “불완전 접착” 으로서 전통적으로 경원 시 되고 있다. 본항에서는 peel seal(계면 접착)의 기능성의 검증을 행한다.

8.1.2 HS의 접착면의 파단 에너지

재료의 강도를 평가하는 방법으로서 인장 시험법이 예전부터 사용되고 있다. 이 방법은 파단의 일어난 때의 인장강도를 주된 평가 지표로 하고 있다. 플라스틱의 HS의 평가에도 이 방법에 “준하여” 사용되고 있다. 인장 시험법은 강성이 큰 재료의 파단면이나 접착면에 인장 응력이 균일하게 걸리는 경우의 평가를 주로 하고 있다. 하지만 플라스틱 시트와 같이 부드럽고, 얇은 재료의 강성은 작다. 그러므로 열 용착면 전체에 균일하게 인장응력은 걸리지 않고, 용착의 edge의 HS선에 응력이 집중된다. 인장응력에 의해 HS선에는 tear 또는 peel이 생긴다. 이 모습은 도1.4에 나타내었다. 종래의 인장 시험법에는 계측치의 최대치를 써서 용착 강도의 평가를 하고 있기 때문에(도3.17 참조), peel seal보다 tear seal이 인장강도가 높다. 하지만 tear seal의 가열 영역의 포장 파우치의 HS 선에는 포장 제품의 제조 공정 중이나 물류 중에서 발생하는 충격이나 하중으로 핀홀과 찢어짐이 발생하는 것은 식품포장, 의약품 포장이나 고도의 산소 차단을 요구하는 정밀 기계 부품의 포장에 있어서는 과제로 되고 있다.

8.1.3 박리 에너지론의 구축

플라스틱은 길이가 수십 ㎛의 실상의 고분자가 결합한 상태로 되어 있다. 서로 마주한 heat sealant가 가열에 의해 연화, 반 용해한 상태로 가업 되면 마주한 heat sealant는 쌍방에 수 ㎛ 정도의 “파고 들어 감”이 일어난다.

이 상태에서 생각시키면 파고 들어 간 부분에 마찰 접착(계면 접착)이 일어나 peel seal의 열접착이 성립된다. 다른 쪽으로 융점(Tm) 이상으로 가열시켜 완전한 용융 상태로 마주한 heat sealant는 “혼합” 상태로 되고, 냉각시키면 실상의 고분자는 결합한다. 2가지의 접착 상태의 모식도를 도2.1에 나타내고 있다.

전자의 열접착 상태는 계면 접착으로 되고, heat sealant의 파단은 일어나지 않는다. 후자는 양면의 heat sealant는 일체화 하여 접착 계면은 존재하지 않게 된다. 용착면에 응력이 작용하면 각 분자에는 불균일 하게 응력이 걸려 부분 파단을 일으키고, 눈사태처럼 HS선 부근부터 찢어진다고 추정 가능하다. 15mm 폭의 인장 강도치의 비교에서는

 (Peel seal의 강도) ≤ (Tear seal의 강도)                             (8.1)

로 된다.

일반적으로 에너지는 운동 에너지와 potential 에너지의 총계로 표현하기 때문에, HS의 용착면이 가진 potential 에너지를 (접착력 * 면적)으로 치환하여 생각할 수 있다. 낙하 등에 의해 발생하는 에너지는 접착면의 접착 상태에 관계가 없기 때문에, 접착면이 가진 접착성의 평가를 (접착력 * 면적)의 수치로 착안하여, 시간의 계수를 제외하고 검토하였다. 작은 연신이나 박리를 수반하는 파단현상에서는,

단위 폭 당의 파단의 에너지 [St]는 다음 식으로 표현이 가능하다.

(8.2)

St: 파단 에너지 (J)

F(L): 각 인장거리점의 인장강도 (N)

Δl: 에너지 연산의 설정 단위 거리 (m)

    (임의로 설정)

Lt: 파단의 발생 시의 인장 거리 (m)

K: 박리 에너지의 연산 거리의 단위 길이당 변환계수

W: 샘플의 폭 (m)

실제로는 인장시험의 응답의 시작은 예리하기 때문에 이 시험에서는 오로지 강도 F(L)만 착안하고 있다. 파단이 일어나지 않는 peel seal에서는 인장 강도는 상승 후 용착 폭의 박리의 사이는 거의 일정하게 된다. 동일식을 사용하여 적분 범위를 L=0부터 박리 폭의 Ln까지의 적분을 행한다. 이 계산을 박리 에너지를 Sp로 정의하면 다음식으로 표현 가능하다.

(8.3)

Sp: 박리 에너지 (J)

Ln: 박리 폭 (m)

여기서 정의한 St와 Sp의 관계를 도8.1에 나타내었다.

도8.1 Peel seal과 tear seal의 인장 패턴 모델과 박리 에너지의 설명