王虹 印雄飞 杜雄章 郭太松 （杭州娃哈哈精密机械有限公司 ）
摘要：目的根据纸板粘合机理,从纸板特性指标角度进行研究,建立包卷式纸箱封合质量标准评价体系,实现通过纸板表面性能相关指标测试,即可评判预测包卷式纸箱在线封合质量的目的。方法通过设计不同试样进行直角粘合模拟测试及拉力测试,研究瓦楞纸板的表面性能参数对包卷式纸箱封箱效果的影响,找到纸板表面吸水渗透性、表面张力、纸纤维内结合强度等指标的合理范围,建立包卷式纸箱封合质量标准评价体系。结果根据试验结果预测,纸板印刷面吸水量低于1g/m~2,表面张力低于38mN/m,内结合强度低于100 J/m~2的纸板,包卷式纸箱粘合封箱强度较低。结论可以通过增加测试纸板表面吸水渗透性、表面张力、纸纤维内结合强度等指标,建立包卷式纸箱的封合质量标准评价体系,对包卷式纸箱在线封合质量进行预测。
关键词：包卷式纸箱 渗透性 表面张力 内结合强度 直角测试 拉力测试
1 引言
与传统0201箱型纸箱相比，包卷式纸箱制作工艺更简单，成型装箱效率更高，越来越受快消品生产企业欢迎。包卷式纸箱包装产品的工序是使用包卷式装箱机，用片状箱坯将产品裹包并喷胶封箱一次完成。封箱时无需粘贴胶带，仅需使用热熔胶粘合，大大提高了生产效率。然而若纸箱封合不良、散包，那么将会给生产或商品储运环节造成极大不便[1]。因此在生产过程中能否控制好包卷式纸箱的在线封合质量，减少废品率，已经成为企业关注的焦点。包卷式纸箱的在线封合质量主要与三方面有关，一是热熔胶的品类特性[2,3]，二是包装设备的性能以及施胶量、施胶位置、封合压力、压合时间等相关参数设置，三是必须从源头上对瓦楞纸箱的质量进行控制。
传统的瓦楞纸箱的质量体系有很多检测指标，如纸板含水率、边压强度、抗压强度、耐破强度、耐折强度、瓦楞与面里纸的粘合强度等，但是缺乏可以直接表征影响封合质量的指标。本文从纸板特性指标角度进行研究，根据纸板粘合机理，通过直角粘合模拟测试以及拉力测试进行粘合效果对比，研究了瓦楞纸板的表面状态参数对包卷式纸箱封箱效果的影响，通过找到纸板吸水性渗透[4]、表面能[5]、纸纤维内结合强度[6,7]等指标的合理范围，建立包卷式纸箱的封合质量标准评价体系。从而可以指导企业对包卷式纸箱的在线封合质量进行预测评判，避免出现在线封合不良造成的损失。
2 试验材料和方法
本文针对上述包卷式纸箱（见图1）的在线封合质量标准体系研究，主要从纸箱的吸水渗透性、表面能、内结合强度方面开展试验测试，并用直角测试和拉力测试判断包卷式纸箱的封合质量，建立包卷式纸箱的封合质量标准评价体系，对包卷式纸箱在线封合质量进行预测。
图1 包卷式纸箱自动包装流程
2.1 试验材料
选取型号为“300 /140 /170 -B”的瓦楞纸板，即面纸为300g定量的涂布白板纸，瓦楞纸纸140g的瓦楞芯纸，里纸为170g的牛卡纸，瓦楞楞型为B瓦楞，纸板印刷面经过上光油处理，分别由四个不同厂家提供，编号依次为1号、2号、3号和4号。
2.2主要仪器设备
CA 93940手持式热熔胶抢，由诺信(中国)有限公司生产。
MS1003S/01电子天平，由梅特勒-托利多国际贸易（上海）有限公司生产。
PN-IBT内结合强度测试仪器，由杭州品享科技有限公司生产。
INSTRON万能材料试验机，由英斯特朗（上海）试验设备贸易有限公司生产。
2.3 试验方法
纸板的粘合机理主要是胶水的凝聚粘合[8]，同时辅以渗透粘合和表面粘合，热熔胶的冷却凝固引起凝聚粘合，胶料渗透到纸板内表面进入纸板纤维间隙里引起渗透粘合，同时粘合面的两层纸板表面附着有热熔胶引起表面粘合。凝聚粘合能力和热熔胶本身有关，使用相同的热熔胶，则胶水凝聚粘合力相同，仅从纸板本身因素来分析对渗透粘合和表面粘合的影响，因此本试验将测试和纸板表面状态有关渗透吸水性、表面能、纸纤维内结合强度[9,10]三个指标，然后用直角粘合试验验证评估纸板的粘合强度，找到纸板表面状态最佳指标范围，最终建立影响包卷式纸箱封合质量标准体系。
3 试验结果与讨论
首先对试样进行温湿度预处理，按GB/T10739进行。
测试四个品牌的相关表面性能指标，对比纸板之间的差异，然后模拟包卷式纸箱生产线纸板粘合工序，将四种纸板粘合，对比粘合牢度，找到纸板表面状态指标对粘合牢度的影响规律。
3.3.1 试验过程
（1）吸水渗透性
纸张是多孔纤维材料，纸张渗透性能够反应纸和纸板结构疏松、表面粗糙程度以及施胶效果等[11,12]，本试验通过测试纸张吸水性来反映出纸张的渗透性，吸水性高表示纸板渗透性越好，从而能够间接反映纸张对胶水的渗透吸收能力[13]。吸水性指单位面积的纸和纸板在规定时间内表面吸收的水量。吸水性测试方法参照国标GB/T461.3，将四种纸板编号分别为1号、2号、3号和4号，分别裁取10cm×10cm大小的试样，每种试样测试10组样品，计算吸水性，测试结果见表1。
表1 吸水性测试结果
Table 1 Water absorption test results
（2）表面能测试
在两相界面上，存在一种张力，指向使表面收缩的方向并与表面相切，这种力叫表面张力（N/m），液体扩散表面积增加，增加单位表面积时体系自由能的增量叫做表面能（J/㎡），对于液-固界面来说，它反应这液体在固体表面扩散的能力，若液体容易在固体表面铺展，出现润湿现象，则说明表面能较高，若液体在固体表面收缩成水珠状，则说明表面能较低[14]。表面能可以通过达因笔测试来体现，熔融状态的热熔胶涂覆在纸板表面，形成液-固界面，用达因笔测试纸板表面张力，判断热熔胶在纸板表面是否容易扩散增大接触面积。
选择一种型号的达因笔样品纸板表面（印刷面）画一条长度约3厘米的直线，如果在2秒内缩测试笔润湿了基材表面，则基材表面张力比所选达因笔的值要大或正好，那么须要选一更大值的测试笔进行第二次测试，如此类推，直到测试结果在2秒内改缩成水珠(球状)，则这次测试之前一次的值就被视为基材的表面张力。测得四种试样的表面张力如表2。
表2 表面张力测试结果
Table 2 Surface tension test results
（3）内结合强度测试
内结合强度主要用于测试纸和纸板之纸层间结合强度，即纸张表面纤维间结合强度，它反映的是纸和纸板抵抗层间分离的能力[15,16]。内结合强度测试方法参照国标GB/T 26203 《纸和纸板 内结合强度的测定(Scott)》，测试结果如表3。
表3 内结合强度测试结果
Table 3 Internal bond test
3.3.2 直角测试
直角测试用来模拟包卷式纸箱的在线粘合工艺。首先裁剪待测试样为10cm×10cm方形大小，其中一边垂直裁5cm开口，用热熔胶枪将热熔胶充分熔融，温度设定为165℃，将熔融的胶水以相同的胶量涂布在每片试样上，将试样扭曲内外搭接粘合，压合3秒，放置在室温静置5分钟后揭开试样粘合处比较材破效果，测试结果见图2。
图2 粘合性能测试结果
Fig 2. Test results for adhesion
一般情况认为材破明显即粘合效果较好，②和③有明显材破现象，①和④没有材破现象胶水全部转移到里纸面，初步判定②和③粘合效果较好，①和④粘合效果较差。进一步通过测试粘合后的拉力，对比四种试样的粘合强度。
3.3.3 拉力测试
分别裁切待测试样为长15cm×宽3cm的样条，将样条在距离一端3cm处进行直接折叠，即短边为3m的L型试样，两条为一组，每种试样共5组，用热熔胶枪将热熔胶充分熔融，温度设定为165℃，将两个样条的短边进行粘合，涂以相同的胶量，粘合面分别是其中一个样条的印刷面和另一个样条的里纸面，压合3秒，放置在室温静置5分钟后，用万能材料试验机夹持试样两端进行垂直于粘合面的拉伸测试，拉伸速度设置为50mm/min，直至将粘合面拉开，记录拉力值，求每组试样的平均值，测试结果见表4，拉力值越高即粘合强度越大。
表4 拉力测试
Table 4 Tension test
3.3.4 试验结果与讨论
根据以上测试结果，四种纸板正面（印刷面）参数指标差异较大，反面（里纸面）参数指标差别并不大，因此主要对比正面（印刷面）参数指标与粘合效果的关系，将以上测试结果统计为表5。
表5 测试结果汇总表
Table 5 Summary of test results
由表5可以看出，2号和3号试样拉力值最大，粘合效果较好，1号拉力值最低，4号次之，拉力结果与直角测试结果相同的，拉力测试将粘合强度进行量化。根据表5测试结果，得到以下结论：
（1）1号试样粘合强度最低，主要由渗透性（吸水量）、表面能和内结合强度引起，1号吸水量和表面能较低，说明胶水在其表面不易渗透吸附和扩散，因此直角测试没有材破现象，印刷面胶水完全被剥离转移到里纸面，根据纸板粘合机理，1号试样的情况胶水的渗透粘合和表面粘合都降低，因此拉力测试较低。同时1号试样内结合强度也较低，层间结合力差，印刷面涂布层容易被剥离，也导致粘合强度降低。
（2）4号试样粘合强度次之，原因与1号试样相同，4号吸水量、表面能和内结合强度略高与1号，因此拉力测试结果也略高与1号。
（3）2号和3号试样粘合强度测试结果接近，两个试样的渗透性、表面能和内结合强度都较高，胶水容易渗透吸附在起表面，渗透粘合和表面粘合都增强，因此拉力测试值较高。
（4）根据表5测试结果进行预测，纸板印刷面吸水量低于1g/㎡，表面能低于38mN/m，内结合强度低于100J·m-2的纸板，粘合封箱强度较低。
直角测试及拉力测试结果和纸板渗透吸水性、表面能、纸纤维内结合强度等指标直接相关，企业可以根据产品的包装要求和运输距离、堆垛高度等实际情况，制定出封合后的纸箱材破标准，从而根据纸箱工艺的实际情况，同时考虑经济性等相关因素，制定出纸板渗透吸水性、表面能、纸纤维内结合强度等指标的合理范围，建立包卷式纸箱的封合质量企业标准。
4 结语
为有效指导纸箱企业对上述工艺参数进行质量控制，将纸板渗透吸水性、表面能、纸纤维内结合强度等指标加入现有的瓦楞纸箱质量标准体系中，建立起包卷式纸箱的封合质量标准评价体系，从而可以从源头上对包卷式纸箱在线封合质量进行控制，减少企业在线生产的废品率以及仓储、运输过程的脱胶问题的发生，从而大大降低生产成本，提高企业效益。
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文章发表于《包装工程》2019年
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