我国人均乳制品消费量呈增长趋势，但人均水平与世界平均水平相比仍较低。目前，保鲜奶、超高温灭菌消毒奶等产品的比重不断增加，适合不同消费群体、不同消费水平的新产品不断开发。同时注重包装技术的开发，争取在包装技术上显示出中国乃至东方乳品消费的特色，这样才能缩短与乳品发达国家的差距。
纸—塑—铝复合包装材料目前在液态奶保鲜包装上得到广泛的应用，具有代表性的就是利乐砖和利乐枕。在前期调研过程中发现，实际储运过程中利乐销售包装件的破包率较高。导致破包的因素很多，其中一个重要的原因就是热封强度的影响。
对液态乳制品复合纸包装材料及结构进行热封力学性能测试分析十分必要，本文采用包装试验方法，由此找出此种材料及包装结构热封的薄弱环节。
一、实验部分
1.试验材料。针对纸—塑—铝复合材料特殊使用场合，结合现有的试验条件，材料选取内蒙古伊利乳业和蒙牛乳业的利乐砖、利乐枕的复合包装材料。
利乐包的纸包装材料通常分为六层：PE/纸板/PE/铝箔/PE/PE，总厚度为320μm，最内层的PE塑料厚度为30～35μm，在材质成份中，长纤维优质纸浆、铝和塑料的含量分别约为75％、5％和20％。
图表：复合材料分层示意图
图表来源：公开资料整理
试验前对材料的相关数据测试结果为：
◆250ml利乐砖（TetraBrick），材料厚度0.8mm，其中盒壁纸板厚度350μm，铝箔层至盒内壁厚度100μm，底平面尺寸60mm×110mm、盒厚40mm，材料定量288g/m2。
◆485ml利乐枕（TetraBag），材料厚度为0.5mm，灌装后尺寸190mm×120mm、袋厚30mm，材料定量166g/m2。
◆242ml利乐枕（TetraBag），材料厚度为0.5mm，灌装后尺寸155mm×105mm、袋厚20mm，材料定量166g/m2。
2.试验仪器及方法。有的包装作业要求快速热封，因此对这种复合包装材料所选用热封涂料应有更高的要求。在普通环境条件下，它必须是具有热塑性和不粘连性。在加温加压的条件下，它又必须变成有强烈的胶粘性，即使在热封区、冷却区前仍然保持牢固。根据GB/T15171-1994软包装件密封性能试验方法进行测试。本文根据拉伸试验法进行热封强度的试验。
二、热封强度测试结果与讨论
利乐砖与利乐枕不同部位热封方法不同，顶部和底部均采用对接的方法，两侧材料内层呈人字形对接，即一侧材料内层与另一侧材料内层对封。而背部采用搭接的方法，一侧材料内层搭接在另一侧材料外层上方进行封接。且在背部纵向热封前，机器将塑料密封带加入到纸筒内部搭接的纵缝上，纵向热封器将密封带与搭接的纵缝粘接。
图表：利乐砖与利乐枕背部封接方法示意图
图表来源：公开资料整理
1.利乐砖热封强度。对利乐砖顶部、底部和背部热封位置都进行了热封强度测试，测试结果如图3所示。从图3中可以看出，背部热封强度曲线几乎呈线性变化，在最大应力达到123N、应变达到2.7mm时曲线中断，这是由于背部属于搭接热封方式，热封强度很高，在进行材料热封位置拉伸的过程中，随着匀速拉伸应力也不断增大，材料本身被拉断，而热封位置并未发生明显性状改变，这与热封方法有密切关系。
参考观研天下发布《2018年中国液态奶复合纸包装材料市场分析报告-行业深度调研与投资前景研究》
图表：利乐砖热封强度应力—应变曲线
图表来源：公开资料整理
从图中可以看出在底部和顶部热封强度拉伸试验中，初期应变随应力增加也不断增大，底部热封最大应力达到23.349N、应变达到3.603mm时出现峰值，此时材料热封位置发生断裂分离，之后继续匀速拉伸，曲线出现拐点，但并没有中断，而是随应变不断增加应力呈平缓下降趋势，直到热封材料完全从封口处分离开，最终应变达到19.5mm。顶部热封最大应力达到18.268N、应变达到4.260mm时出现峰值和拐点，最终应变达到20.4mm，应力归零。以上曲线表明，当达到峰值后材料封口处断裂但并没完全分离，这是因为材料内层封接层均有塑料PE，当拉伸到最大值时，两侧封接材料基本分离，但由于PE属热塑性材料，此部分材料仍具有粘合力。随着继续拉伸，应力缓慢下降而应变不断增加，直到最终塑料断裂分离。当外界压力消除后，塑料PE层特别是热封处留有残余内应力，该内应力有可能使热封处断裂强度降低。
2.利乐枕热封强度。利乐枕背部热封强度曲线变 达到93.265N、应变达到4.742mm时曲线中断，原因与化与利乐砖背部热封强度曲线趋势一致，在最大应力利乐砖背部热封强度变化相同。
图表：利乐砖热封强度测试数据对比
图表来源：公开资料整理
上表对利乐砖顶部、底部和背部的热封强度测试数据进行了对比。从表中可以看出底部和顶部的断裂伸长率均远远高于背部，但并非说明背部热封强度不够，因为背部测试值均为材料本身断裂的测试值。液体食品无菌包装用纸基复合材料国家标准中，对纸—塑—铝复合材料的热封性能并无明确要求，但试验已经表明，利乐砖材料的热封性能基本符合要求，达到应用标准。在利乐枕底部和顶部热封强度拉伸试验中，初期应变随应力增加也不断增大。底部热封强度拉伸最大应力达到23.020N、应变达到1.647mm时出现峰值，此时材料热封位置发生断裂分离，之后继续匀速拉伸，曲线出现拐点，但并没有中断，而是随应变不断增加应力呈平缓下降趋势，直到热封材料完全从封口处分离开。顶部热封强度拉伸最大应力达到22.861N、应变达到1.780mm时出现峰值和拐点。同样，利乐枕的拉伸应力达到峰值后材料封口处断裂但并没完全分离，原因与利乐砖相同。
下表对利乐枕顶部、底部和背部的热封强度测试数据进行了对比，显然底部和顶部的断裂伸长率均远远高于背部，但并非说明背部热封强度不够，因为背部测试值均为材料本身断裂的测试值。
图表：利乐枕热封强度测试数据对比
图表来源：公开资料整理
同样，在国家标准中对纸—塑—铝复合材料的热封性能并无明确要求，但试验已经表明，利乐枕的材料的热封性能基本符合实践要求，达到应用标准。
3.利乐砖与利乐枕热封强度对比。利乐砖与利乐枕背部承受最大力均远比底部和顶部承受的最大力要大，砖与枕相比又更强些，说明背部热封强度均能够承受较大外力，背部热封位置均不会是破裂的薄弱环节。砖与枕的底部和顶部承受最大力基本变化不大，但由于砖具有固定容器结构，相对于枕来说受到外力时热封位置可以得到一定保护。利乐枕顶部与底部热封位置在受到外力时，相应承受的力应更大些，所以一定程度上利乐枕顶部和底部热封位置相对较薄弱。图中还表明，相对于背部，砖与枕的顶部和底部断裂拉伸强度较小，但拉伸断裂伸长率较高，说明虽然复合材料中纸板和铝箔发生断裂，但热封后的内层PE粘合强度要高于复合材料本身内层PE的拉伸强度。
图表：利乐砖与利乐枕热封强度对比图
图表来源：公开资料整理
利乐砖在最大力时的变形均比利乐枕大，说明利乐砖复合材料在承受外力后的塑性要比利乐枕好些，这样能够保证利乐砖材料受到外力时能发生较大变形，能减少容器发生破裂的情况。
三、结论
热封强度的试验表明：利乐材料顶部和底部热封强度测试中，当拉伸到最大值时，两侧封接材料基本分离，但由于内层封接层PE属热塑性材料，封接点仍具有粘合力，随着继续拉伸，塑料才断裂分离。利乐材料背部由于热封方式的不同，热封强度大于材料本身的抗拉强度，热封效果好。热封时，当外力消除后热封处仍留有残余内应力，该内应力有可能使热封处断裂强度降低。
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