제8장 HS 기능의 확인과 향상 방법 - 15(용착층의 발포 원인과 대책)

[YDfamily]

8.6 용착층의 발포 원인과 대책

8.6.1 서언

플라스틱 필름이나 시트를 사용한 포장재료에서는 투과 성분의 차단성이나 강성의 조절 때문에 여러 종의 필름을 접합시키는 라미네이션이 행해진다. Ny 등의 친수성 재료에서 수분에 의한 휘발성 성분을 층 내에 보유하는 것도 있고 HS에 의해 고온 하에 뜨거워지면 기화하여 용착층에서 발포가 일어난다. 용착층에서의 발포는 투명한 필름이나 시트에서는 HS면의 미관을 손상시키는 것만이 아니라 HS성에도 영향을 끼치고 있다. 종래에는 표면 층에 인쇄 층이나 금속박을 넣거나, 테프론 시트 등을 사용하여 그물망의 프레스 처리를 하여 눈에 보이지 않도록 처리를 취하고 있었다.

본항에서는 포함된 휘발 성분의 발포(기화)는, 그 휘발 성분의 증기압에 의존하는 점에 착안하여, 적용 가열 온도에 상당하는 압착압의 조절을 실시하는 것에 의해 발포를 제어하는 방법을 제시한다.

8.6.2 HS면의 발포 메커니즘 해석

압착압과 발포 현상에 대해서는 6.4에 대략 설명하였는데, 포장 재료 내에 함유하여 있는 휘발 성분의 거동은 2가지로 크게 나뉠 수 있고, 종이와 같은 섬유상의 경우는 발포의 구속성은 작고, 플라스틱 필름에 의한 pores(기공)성이 작은 경우에는 층 내에서 팽창하여 발포한다. 전자는 기화성 성분이 계 외로 나올 때에 기화열을 빼앗기 때문에 기화가 완료할 때까지 용착면 온도는 압착압에 상당하는 온도에 구속된다. 종이 재료가 적용되어 있는 우유팩이 대표적이다. 수분의 경우, 1 mol(18g)이 기화 하면 (22.4 * 103/18) ≒ 1,250으로 되어, 포장 재료가 보존 중에 대기로부터 미량분이라도 흡수하면 발포하여 HS면이 백탁하여 외관이 나빠지게 되는 것뿐 아니라, HS의 강도가 약해진다.

8.6.3 실험결과와 고찰

(1) 실험에 사용한 재료: PET(12) / Ny(15) / CPP(60)

(2) 실험 방법의 개요: 미리 용착면 온도를 파라미터로 하여 0.2MPa로 압착 가열하여, JIS법의 인장시험을 행하고 HS강도 데이터(점선)을 채취하였다. 이것을 도8.26에 나타내었다.

도8.26 용착면의 발포에 의한 HS 강도의 영향

이 결과로부터 peel seal과 tear seal의 경계 온도는 155도를 얻었다. 경계 온도를 근거로 하여, 가열 온도 145, 150, 155, 160℃를 선택하여 도8.27에 나타낸 압착 장치(MTMS 프레스 반자동형)를 이용하여 가열 온도를 파라미터로 하여 압착압을 0.1~0.7MPa로 변화시킨 HS을 행하여 발포 상태를 관찰하여 평가한다. 시험 장치에는 gap 조정대를 설치하였는데, 고 압착압으로 용융시킨 heat sealant가 유출되었고, sealant가 파괴되는 것을 조절하였다. 레토르트 포장에 기대되는 HS 강도는 23N/15mm 이상으로 되어 있기 때문에, HS 강도의 목표를 이것과 전부 합쳐 도8.26(점선)에서 보면 가열 온도는 145℃ 이상이 된다. 145℃의 가열에서는 압착압은 0.3MPa 이상이 필요하다. 압착압을 파라미터로 하여 접착면의 발포 상태를 눈으로 평가한 결과한 일람을 표8.5에 나타내었다. 145~155℃의 발포 상태와 발포가 제어된 상태를 사진8.3에 나타냈다. 발포 제어의 가압 실험에서는 150℃도 이상이 되면 보다 높은 압착압이 필요하게 되었다.

이 샘플은 155℃ 이상에 되면 heat sealant는 액상화 하기 때문에 점성이 저하되어 발포의 형성이 용이하게 되고, 정밀한 압력 유지가 요구된다. 압착면의 압력의 불균일을 보완하기 위해서 보다 높은 압착압을 필요하는 것이 생각된다.

도8.27 압착압의 제어가 가능한 HS 시험장치(반자동 가열 프레스)

표8.5 압착압을 파라미터로 한 발포 제의 평가 일람

가열온도(℃)	조작 압착압(MPa)
	0.20	0.23	0.30	0.37	0.43	0.50	0.57	0.63
145	X	△	○	○	○	○	○	○
150			X	X	△	○	○	○
155			X	X	△	△	○	○
160				X	x	△	△	○
압착압(수증기압)에 상당하는 온도	134	136	143	150	154	158	163	167

○: 발포의 시인 없음, △: 시인 가능, X: 백탁

사진 8.3 용착면의 발포 상태와 발포를 제어한 상태