Heat sealability of paperboard and factors affecting sealablity

Abstract

Heat sealing of polymer coated paperboards requires a heat source, pressure and dwell time. The seal is formed when temperature and pressure are applied to the seal area, after which the seal is allowed to cool down for the seal to be formed. Some of the popular heat sealing methods include hot air sealing and hot bar sealing, which differ from one another as temperature and pressure are applied simultaneously to the sealed materials in hot bar sealing, but in hot air sealing, temperature is applied first and pressure is applied afterwards. Hot air and hot bar sealing methods were used in the study. Adhesion describes the state where two dissimilar bodies are in close contact, which is crucial variable in sealability. Adhesion is affected by wetting of the surfaces, which can be inspected by droplets and their contact angles to measure surface free energy of the surface. The surface energy describes the excess intermolecular forces that are present on a substrate that can be divided into polar and dispersive components. Various types of peel tests are used to measure the adhesion of a seal. Hand peel test is the quickest one to execute and was used to evaluate the seals of the study. Hand peel test estimates the fibre tear of the sealed area after the seal has cooled from the heating. This study focuses on finding differences in sealing parameters between different polymer coated paperboards and identifying the reasons for the differences. There were three PE-coated paperboards in the study, two of which had an additional mineral coating and one was uncoated from the other side. Heat sealing results indicate that polymer-polymer seals and polymer-coating seals have different sealing temperatures between the samples. Sample 1 and sample 2 were the mineral coated samples, and sample 1 had higher sealing temperatures in all cases. Surface energy measurements found out that one reason for sealability differences was that the mineral coating of sample 2 has much higher surface energy and especially higher polar component than the sample 1’s coating. Coatings were compared and it was found out that the coatings use different latexes in mineral coatings, which can explain the surface energy differences. There were also different distributions of carbon bonds in the coatings, which can also have an effect on the surface energies. Polymers of the samples were studied to be LDPE. From nuclear magnetic resonance spectroscopy test, NMR, it was determined that both polymers have polyethylene branches of butyl groups in them, but sample 2 had higher amounts of branched pentyl and ethyl groups than sample 1. These differences between the LDPE’s is significant and can be estimated to have a difference in the sealability of the samples.

Polymeeripäällystettyjen kartonkien kuumasaumautuvuus tapahtuu, kun prosessissa on mukana lämpölähde, paine ja pitoaika. Sauma muodostuu, kun saumattavalle alueelle johdetaan lämpöä sekä painetta, minkä jälkeen sauman annetaan jäähtyä sauman muodostumista varten. Kuumailmasaumaus ja kuumapalasaumaus ovat yleisiä kuumasaumausmenetelmiä, joita käytettiin tämän tutkimuksen tekemisessä. Nämä menetelmät pystytään erottamaan toisistaan tutkimalla miten menetelmät johtavat lämpöä ja painetta saumausalueelle. Lämpö johdetaan yhtä aikaa paineen kanssa kuumapalasaumauksessa, jossa kuumennettu pala asetetaan saumattavalle alueelle. Kuumailmasaumauksessa lämpö johdetaan ensin erikseen saumattavalle alueelle, ja lämmityksen jälkeen paine johdetaan alueelle.

Adheesiolla kuvataan tilaa, jossa kaksi toisistaan erilaista pintaa on lähikontaktissa toistensa kanssa. Adheesio on erittäin tärkeä osa saumautuvuutta. Vettyminen on adheesioon vaikuttava tekijä, jota tutkitaan nestemäisillä pisaroilla laskemalla pintaenergia pisaroiden ja pintojen välisistä kontaktikulmista. Pintaenergia, millä kuvataan saumattavien pintojen atomien välisiä energioita, jaetaan polaariseen ja dispersiiviseen osaan.

Monia repäisykokeita on kehitetty adheesion mittaamista varten. Käsirepäisykoe on nopein repäisykoe ja tutkimuksessa käytetty adheesion mittausmenetelmä. Käsirepäisykokeessa näytteen annetaan jäähtyä kuumasaumauksesta, ja kuiturepeämän määrä saumausalueella arvioidaan kun näyte on revitty.

Tutkimuksessa selvitettiin erilaisten polymeeripäällysteisten kartonkien kuumasaumautuvuuksien eroja. Tutkimuksessa oli kolme polymeeripäällysteistä kartonkia, joista kahdella oli myös mineraalipäällyste toisella pinnalla ja kolmas oli toiselta puolelta päällystämätön. Kuumasaumautuvuustuloksien tuloksista tiedetään, että polymeeri-polymeerisaumojen ja polymeeri-päällystesaumojen saumauslämpötiloissa on eroavaisuuksia. Mineraalipäällysteiset kartongit nimettiin näyte 1:ksi ja näyte 2:ksi. Näistä näyte 1:llä oli aina korkeammat saumauslämpötilat.

Pintaenergiamittauksissa selvisi, että näyte 2:lla oli korkeampi pintaenergia mineraalipäällysteessä kuin näyte 1:llä, mikä on mahdollisesti yksi syy näyte 1:n korkeammille saumauslämpötiloille. Erityisesti polaarisen komponentin osuus oli suurempi näyte 2:lla. Lisäksi näytteiden päällysteissä oli käytetty eri latekseja, joilla voidaan mahdollisesti selittää eriarvoiset pintaenergiat. Erilaisten hiilisidosten suhteellisissa määrissä oli myös eroavaisuuksia, joista voidaan myös saada syy eri suuruisille pintaenergioille.

Kartonkien polymeerit määritettiin LDPE-polymeereiksi. Tarkempi tutkimus näytteiden polymeereistä selvitti, että polymeerit koostuvat polyetyleeneistä, joissa on haaroittuneena butyyliryhmiä. Lisäksi näyte 2:ssa on enemmän haarautuneita pentyyli- ja etyyliryhmiä kuin näyte 1:ssä. Nämä eroavaisuudet ovat huomattavia ja näillä voidaan arvioida olevan vaikutusta kuumasaumautuvuuksien tuloksiin.