用于选择用于封装的膜结构的方法与流程

文档序号:13426387
用于选择用于封装的膜结构的方法与流程
本发明涉及用于选择用于封装的膜结构的方法。
背景技术
:频繁地实行封装袋和封装包的跌落测试以确保袋子在运输和使用期间如果意外跌落将不会断裂或裂开。通常,对于给定封装应用(例如,液体洗涤剂、宠物食品等),由运输要求指定临界跌落高度。针对不同封装材料实行各种测试,直到封装结构满足跌落测试要求为止。此类测试可能会耗时,因为必须在评估结果之前构造且测试所述封装,并且视需要修改封装的成分和/或构造。需要一种用于评估且选择用于封装中的膜结构以便缩短设计满足性能要求的封装所需的时间的改进的方法。技术实现要素:本发明有利地提供有助于选择满足某些性能要求且尤其是临界跌落测试要求的膜结构的方法。举例来说,基于特定袋子或包型式和所要跌落测试要求,本发明的实施例可辅助选择具有在加工方向和横向上的机械属性的膜结构以提供满足此类要求的袋子或包。此类方法的实施例可允许基于层压制件或膜的机械属性的针对性工程化改进跌落高度,所述层压制件或膜在具有给定袋子填充物的给定袋子型式中将经受住特定跌落高度。在一个方面中,一种选择用于封装中的膜结构的方法包括:通过有限元素法(FEM)分析确定封装的临界冲击方向,其中所述封装具有预定体积、预定形状和预定填充材料;基于所述临界冲击方向确定用于所述封装中的膜结构的一个或多个所要拉伸属性,其中所述一个或多个所要拉伸属性包括在加工方向上的韧性、在横向上的韧性、在加工方向上的断裂伸长率、在横向上的断裂伸长率、在加工方向上的断裂应力以及在横向上的断裂应力中的至少一个;以及基于所述一个或多个所要拉伸属性选择膜结构。在另一方面中,一种选择用于封装中的膜结构的方法包括:以指定高度对封装进行跌落测试,其中所述封装具有预定体积、预定形状和预定填充材料;在所述跌落测试期间分析所述封装的多个区上的冲击应力;基于对冲击应力的分析确定用于所述封装中的膜结构的一个或多个所要拉伸属性,其中所述一个或多个所要拉伸属性包括在加工方向上的韧性、在横向上的韧性、在加工方向上的断裂伸长率、在横向上的断裂伸长率、在加工方向上的断裂应力以及在横向上的断裂应力中的至少一个;以及基于所述一个或多个所要拉伸属性选择膜结构。这些和其它实施例更详细地描述于具体实施方式中。附图说明图1是袋子在竖直跌落冲击的不同阶段的一系列模拟图像。图2提供左表面受到竖直冲击和右表面受到水平冲击的袋子的模拟图像。图3包含展示用于结合优化实例1和比较实例1制备的层压制件的拉伸韧性的拉伸曲线。图4是平均临界跌落高度相对于用于结合优化实例1和比较实例1制备的层压制件的填充物体积的图。具体实施方式本发明的实施例有利地提供有助于选择具有适当机械属性以在形成到封装袋或封装包中之后经受住所要求的临界跌落高度的膜结构的方法。在一些实施例中,利用有限元素法(“FEM”)分析以确定例如袋子的临界冲击方向。FEM分析的结果可有利地有助于选择具有某些机械属性的膜结构以将所要性能要求(例如,跌落高度)赋予到由此膜结构构造的袋子或包。在一些实施例中,本发明的方法有助于选择最佳封装以有利地符合跌落测试要求同时最小化材料(例如膜)使用率。如本文中所使用,应理解,术语“膜结构”包含单层膜、共挤多层膜、层压制件以及通常用于形成封装的其它聚合膜。在一个方面中,本发明提供一种选择用于封装中的膜结构的方法,其包括:通过FEM分析确定封装的临界冲击方向,其中所述封装具有预定体积、预定形状和预定填充材料;基于所述临界冲击方向确定用于所述封装中的膜结构的一个或多个所要拉伸属性,其中所述一个或多个所要拉伸属性包括在加工方向上的韧性、在横向上的韧性、在加工方向上的断裂伸长率、在横向上的断裂伸长率、在加工方向上的断裂应力以及在横向上的断裂应力中的至少一个;以及基于所述一个或多个所要拉伸属性选择膜结构。在一些实施例中,确定封装的临界冲击方向包括以指定高度进行跌落测试。在另一方面中,本发明提供一种选择用于封装中的膜结构的方法,其包括:在指定高度对封装进行跌落测试,其中所述封装具有预定体积、预定形状和预定填充材料;在所述跌落测试期间分析所述封装的多个区上的冲击应力;基于对冲击应力的分析确定用于所述封装中的膜结构的一个或多个所要拉伸属性,其中所述一个或多个所要拉伸属性包括在加工方向上的韧性、在横向上的韧性、在加工方向上的断裂伸长率、在横向上的断裂伸长率、在加工方向上的断裂应力以及在横向上的断裂应力中的至少一个;以及基于所述一个或多个所要拉伸属性选择膜结构。在另一方面中,一种制造用于封装中的膜结构的方法包括:在指定高度对封装进行跌落测试,其中所述封装具有预定体积、预定形状和预定填充材料;在所述跌落测试期间分析所述封装的多个区上的冲击应力;基于对冲击应力的分析确定用于所述封装中的膜结构的一个或多个所要拉伸属性,其中所述一个或多个所要拉伸属性包括在加工方向上的韧性、在横向上的韧性、在加工方向上的断裂伸长率、在横向上的断裂伸长率、在加工方向上的断裂应力以及在横向上的断裂应力中的至少一个;基于所述一个或多个所要拉伸属性选择膜结构;以及制造所述膜结构。在一些实施例中,根据ASTMD5276-98和ASTMD2463-10b执行跌落测试(程序B)。在一些实施例中,由膜结构形成的封装是袋子。在各种实施例中,用于封装中的填充材料可包括液体或多种固体。在一些实施例中,选择膜结构可包括确定膜结构内所使用的层的数目、确定膜结构的厚度、确定膜结构内的每一层的组合物和/或确定用于形成膜结构的制造条件。一般来说,本发明的方法可用于制造由广泛多种组合物形成的广泛多种膜结构。举例来说,在一些实施例中,膜结构可包括共挤膜结构,所述共挤膜结构包括具有大于50重量%的聚乙烯的至少一个膜层。在一些实施例中,膜结构可包括粘合层压的共挤膜结构,所述粘合层压的共挤膜结构包括具有大于50重量%的聚乙烯的至少一个膜层。在一些实施例中,选择膜结构进一步包括最小化膜结构的厚度同时提供一个或多个所要拉伸属性。一般来说,本发明的实施例是针对选择用于封装中的膜结构的方法和制造用于封装中的膜结构的方法。本发明的实施例可运用所属领域的技术人员已知的广泛多种封装予以实施,所述封装包含例如包、袋子(包含直立袋)、四角袋、预制袋或包、插脚袋、包装箱、带盖软托盘、带盖硬托盘和具有额外特征的袋子和封装,例如闭合拉链、闭合搭扣系统(例如,维克罗(Velcro))、开口和通过多种密封方法(例如,热封、雷射密封和超声波密封)制成的袋子。此外,可针对旨在含有广泛多种填充材料的封装实施本发明的实施例,所述广泛多种填充材料包含例如一种或多种固体、一种或多种液体、一种或多种凝胶、一种或多种气体(包含例如填充空气)及其组合(例如包封凝胶的固体材料、包封气体的固体材料等等)等等。一般来说,本发明的实施例可用于设计用以容纳、含有和/或运输食物产品、清洁供应品、洗碗洗涤剂和洗衣洗涤剂、宠物食品、饮品以及所属领域的技术人员基于本文中的教示将显而易见的其它物品的封装。常常基于某些性能标准视封装的既定使用率和运输要求而定评估封装和潜在封装。如上文所指出,频繁地对封装袋和封装包实行跌落测试以确保袋子和包如果在运输和/或使用期间意外跌落将不会断裂或裂开。对于具有跌落测试要求的给定封装应用,常常由运输要求规定临界跌落高度。虽然本申请案可能频繁地论述用于具有跌落测试要求的封装的膜结构的设计,但应理解,所述方法也可用来设计用于具有其它性能要求的封装的膜结构。其它性能要求可包含机械耐受性(无漏气和损坏)、运输期间的振动(ASTMD4916-05)、GELBO挠曲破裂测试中模拟的柔性和疲劳损坏和/或封装在搁架上的自站立能力。本发明的实施例利用FEM分析以确定封装的临界冲击方向。FEM分析是机械工程和其它学科领域的人众所周知的建模技术。FEM模拟的一个挑战是输入材料模型的质量。举例来说,可能难以准确地特性化复杂材料组合,例如用于定向PET膜的25%的断裂工程应变结合具有700%的断裂工程应变的聚乙烯膜。用于封装的膜结构通常是多材料复合物,除了常常粘结在一起的一些层之外,其在每一层中常常具有不同机械属性。本发明的实施例有利地利用捕获封装膜结构的复杂性的逼真FEM模拟。对于用于FEM模拟的商业软件包,似乎并不存在用于模拟高度非线性正交性材料性质的任何即用材料模型,尤其是与柔性封装材料有关的模型。因此,在实行本发明的一些实施例时,可在现有商业软件的框架内开发用以模拟此性质的材料模型以用于FEM分析。举例来说,用于封装应用的膜材料,例如层压制件,在微观级是非均质的,且个别层以不同方式流动且变形。因此,此材料模型需要能够捕获此结构性质且为表示沿着两个主要正交方向——加工方向和横向的实际应力应变性质的不同流动特性做出规定。与对薄层压结构的FEM分析相关联的其它挑战包含归因于元件在高速冲击下在一个增量上过度旋转而导致数值不稳定,以及归因于由于较低质量的层压制件的不当接触约束而导致流体颗粒较深地穿透到层压结构中。再次,在一些实施例中,解决了这些挑战以开发用以模拟层压结构的性质的材料模型。数个商业软件包可用于进行FEM分析。此类软件包的非限制性实例包含可购自达索系统(DassaultSystemes)的AbaqusUnifiedFEA、可购自利弗莫尔软件技术公司(LivermoreSoftwareTechnologyCorporation)的LS-DYNA以及可购自ANSYS公司的与ANSYSMechanical耦合的ANSYSCFX或ANSYS。FEM分析软件可用于模拟根据本发明的一些实施例的性能。举例来说,可设定FEM分析软件以模拟封装的跌落测试性能。在此类实施例中,可设计封装(例如,袋子)且根据临界跌落高度在模拟跌落测试中分析其机械属性。可指定(且同样地改变)数个封装参数作为用以评估特定参数如何影响封装的性能的模拟的部分。举例来说,在由膜形成的袋子的状况下,可变化/指定的封装属性可包含膜结构的厚度、袋子的纵横比、袋子的形式、袋子的体积、袋子中的填充材料类型、膜和/或层压制件的机械属性、膜或层压制件的结构等等。一旦指定封装(和填充材料)属性,那么在跌落冲击测试的状况下,FEM分析可模拟封装从指定高度的跌落且对封装的各种机械属性和在跌落期间的各种高度进行建模。举例来说,在用于跌落冲击测试的模拟中,FEM分析可提供关于膜结构的应力-应变响应(在用于给定膜结构的加工方向和横向上)的数据、在加工方向上的韧性、在横向上的韧性、在加工方向上的断裂伸长率、在横向上的断裂伸长率、在加工方向上的断裂应力、在横向上的断裂应力以及层压制件或膜在加工方向或横向上受到的最大负载(力、应力)。FEM分析的结果可有利地准许确定经历跌落测试的封装的临界冲击方向。封装可能以封装的多个表面中的一个跌落在地面上。举例来说,典型的自立袋(SUP)可能落在其底部上、其顶部上、其平坦前表面或平坦后表面上、或其侧面上。通常,这些侧中的一个对于出现材料损坏是最关键的,且将具有其在断裂前能耐受的最低临界跌落高度。此被称作临界冲击方向,且所属领域的技术人员将理解其它类型的封装将类似地具有临界冲击方向。举例来说,FEM分析可有利地展示封装在跌落测试中撞击地面时受到最大应力(即,冲击应力)的封装的区域。受到加强的冲击应力的封装的部分可取决于数个因素因封装不同而不同,所述数个因素包含例如封装的尺寸、封装的体积、填充材料、封装中的填充材料的量、用于形成封装的膜结构等等。可通过审查由FEM分析产生的信息识别此区域,所述信息包括但不限于所模拟袋子上的应力的视觉表示、通过对在预定义方向上的最大应力的FEM分析产生的原始数据等等。在确定临界冲击方向(例如在跌落测试或相似测试的状况下的冲击应力)之后,可选择用于封装中的膜结构。举例来说,可考虑来自FEM分析的用于确定膜结构的层的数目、膜的厚度、膜结构中每一层的组合物(例如,聚合物的类型、聚合物的属性、是否包含多种聚合物等等)、是否包含通过粘合层压的多个膜、是否包含双重(两个粘接膜)/三重/四重结构、对粘合剂的所述(如果存在)以及用于形成膜结构的制造条件(例如,吹塑相对于铸造膜;是否在加工方向、横向或两个方向上定向膜;密封的类型)的信息。在一些情况下,当可灵活地选择封装的尺寸或形状(或其它封装参数)时,可选择修改封装的尺寸且再次进行FEM分析以查看所述修改是否改变封装的冲击应力。在一些实施例中,可选择膜结构以便最小化膜结构的厚度(或用于制造膜的聚合物的量)同时提供一个或多个所要拉伸属性。在一些实施例中,一旦选择了膜结构,那么可构造且测试封装样本。虽然可能要基于对实际封装的测试来要求对膜结构的修改,但本发明的一些实施例的一个益处在于通过缩减需要构造、测试和/或修改的封装原型的数目来缩减选择膜结构所需的时间量以便达成所要性能。现将在以下实例中详细地描述本发明的一些实施例。实例实例1在此实例中,FEM分析用于模拟不具有密封接缝且填充有水的袋子如何在受到冲击后变形且损坏。图1展示袋子在竖直跌落冲击的不同阶段的一系列模拟图像。图像中从蓝色到红色的颜色指示层压制件中的增加的应变。所模拟的竖直跌落冲击中展示的重要特征是袋子的中心下部部分中的层压制件的伸长,其与所述区域中增加的应力集中相关联且因破裂导致层压制件的最终损坏。此表示此袋子的临界冲击方向。FEM分析模拟中所选择的临界冲击方向针对填充体积可起到重要作用。举例来说,预测竖直跌落的袋子会断裂,而预期在平坦的较大侧面上受到冲击的袋子不会裂开。图2中的FEM分析模拟说明此比较,其中袋子在左边受到竖直冲击且在右边受到水平冲击。袋子在此模拟中是理想化的且无密封接缝。受到竖直冲击的袋子会断裂,而在较大侧上受到水平冲击的袋子不会。优化实例1和比较实例1如实例1中的FEM分析中所展示,就用于选为样品封装以用于实例的枕头袋的跌落高度性能来说,竖直跌落在底部密封部分上是最关键的。考虑到图1中对跌落的FEM模拟中所观测到的袋子变形,使用具有不同CD和加工方向(MD)拉伸属性的层压制件实行一组实验,所述袋子变形在很大程度上出现在层压制件的横向(CD)上,所述层压制件在竖直形式填充密封机器上形成到袋子或包中。选择两个层压制件用于跌落测试。表1中提供两个层压制件的详细膜结构和组合物。双轴定向聚丙烯和双轴定向PET层是可购自多种来源的标准材料。ADCOTETM675A和675C是可购自陶氏化学公司(TheDowChemicalCompany)的溶剂型聚氨基甲酸酯粘合剂系统。DOWLEXTMNG5056G是具有0.919g/cm3的密度和1g/10min的熔融指数(I2)的LLDPE树脂,其可购自陶氏化学公司。ELITETM5401GS是具有0.916g/cm3的密度和1g/10min的熔融指数(I2)的经增强聚乙烯树脂,其可购自陶氏化学公司。DOWTMLDPE310E是具有0.9235g/cm3的密度和0.75g/10min的熔融指数(I2)的LDPE树脂,其可购自陶氏化学公司。表1:层压制件和样品层压制件的膜结构在拉伸测试中特性化两个层压制件,其中在表2中报告结果。选择这两个不同层压制件用于跌落测试,因为其具有相对的在加工方向(MD)和横向(CD)上的拉伸强度和断裂伸长率性质。图3提供两个所选择层压制品件的完整拉伸曲线。表2:层压制件的拉伸特性化层压制件形成到BoschVFFS生产线的枕头袋中。袋子高度在机器上设定为300mm,且宽度保持155mm不变。用于BoschVFFS生产线上和稍后用于形成手动密封(针对顶部和底部密封)的密封条件对于层压制件比较实例1是150℃、0.3s和5.4巴,且对于优化实例1是140℃、0.2s和5.4巴。选择不同密封条件以便在比较机器密封和实验室密封机上的手动密封时获得等效密封强度,且最大化每一层压制件的密封性能(强度和气密性)。用于侧向密封的密封温度在VFFS上保持185℃不变。原始袋子被切割开,移除顶部密封,将其填充有规定量的水且被重新密封,这得到具有1.8mm标准偏差的273.7mm的新高度。0.7、0.9和1.05L体积的水填充在袋子中且进行跌落测试。使用阶梯法根据ASTMD5276-98和ASTMD2463-10b(程序B)执行跌落测试。ASTMD5276-98描述如何对袋子进行跌落测试且ASTMD2463-10b(程序B)提供统计工具,所述统计工具复位平均临界跌落高度和其相应标准偏差。图4展示随用于优化实例1和比较实例1的填充体积变化的临界跌落高度,且添加线性回归趋势线。形成到袋子中的两个不同层压制件展示不同临界跌落高度。在跌落测试中提供较高临界跌落高度(优化实例1)的层压制件是具有在层压制件的CD方向上的较高韧性和断裂伸长率的层压制件。虽然可能需要另外实验来验证这些初始测试,但来自实例1(其展示断裂CD应变或韧性的重要性)的FEM分析似乎导致选择实际上实现较高临界跌落高度的层压制件。优化实例2和3以及比较实例2和3根据表3准备优化实例2和3以及比较实例2和3。层压制件包含运用200mm的模具在吹制膜生产线上制成的3层共挤聚乙烯膜。表3:优化实例2和3以及比较实例2和3双轴定向聚酰胺和双轴定向PET层是可购自多种来源的标准材料。MORFREETM698和C79是可购自陶氏化学公司的无溶剂聚氨基甲酸酯粘合剂系统。DOWLEXTMNG5056G是具有0.919g/cm3的密度和1g/10min的熔融指数(I2)的LLDPE树脂,其可购自陶氏化学公司。AFFINITYTMPF1140G是具有0.896g/cm3的密度和1.6g/10min的熔融指数(I2)的塑性体聚乙烯共聚物树脂,其可购自陶氏化学公司。ELITETM5960G是具有0.960g/cm3的密度和0.85g/10min的熔融指数(I2)的经增强聚乙烯树脂,其可购自陶氏化学公司。ATTANETMSL4100G是具有0.912g/cm3的密度和1g/10min的熔融指数(I2)的超低密度聚乙烯树脂,其可购自陶氏化学公司。DOWTMLDPE310E是具有0.9235g/cm3的密度和0.75g/10min的熔融指数(I2)的LDPE树脂,其可购自陶氏化学公司。测量关于基底膜的拉伸属性且表4中展示结果。表5展示3层共挤聚乙烯膜的拉伸属性。表4:基底膜的拉伸属性,OPET(12μm)和OPA(13.5μm)OPET(12μm)OPA(13.5μm)断裂应力MD(MPa)138.0159.9断裂应变MD(%)25.722.8韧性MD(MJ/m^3)26.121.2断裂应力CD(MPa)149.3103.07断裂应变CD(%)26.323.2韧性CD(MJ/m^3)31.620.6表5:用于表3中的实例中的3层共挤聚乙烯膜的拉伸属性优化实例2比较实例2优化实例3比较实例3断裂应力MD(MPa)30.3628.027.829.4断裂应变MD(%)463.4390.8492.7407.6韧性MD(MJ/m^3)58.994.0367.355.1断裂应力CD(MPa)28.616.527.523.8断裂应变CD(%)639.398.3641.4656.4韧性CD(MJ/m^3)69.215.867.860.4共挤聚乙烯膜在400mm宽的中试线层压机(pilotlinelaminator)上被粘合层压到如表3中所指示的基底膜。层压制件在连续的竖直形式填充密封生产线上固化且形成到枕头袋中。袋子填充有1.2L的水且具有高度为270mm且宽度为150mm的尺寸。使用阶梯法根据ASTMD5276-98和ASTMD2463-10b(程序B)执行跌落测试。表6中概述临界跌落高度的数据相对于竖直跌落的体积。表6:用于表3中的优化实例2和3以及比较实例2和3的临界跌落高度临界跌落高度(cm)优化实例2290比较实例250优化实例3116比较实例342优化实例2和比较实例2包含相同OPA基底膜。基于来自实例1的针对枕头袋的模拟,优化实例2的CD拉伸属性经优化以提供相较于比较实例2明显较高的临界跌落高度。类似地,优化实例3和比较实例3含有相同OPET基底膜。基于来自实例1的针对枕头袋的模拟,优化实例3的CD拉伸属性经优化以提供相较于比较实例3较高的临界跌落高度。当前第1页1 2 3 
再多了解一些
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