日化品瓶鋁箔密封性檢測方法及其實驗研究

陳嘯，楊路超，邵琳，王礬，邱自學

（1.南通大學，江蘇 南通 226019；2.淮安生物工程高等職業學校，江蘇 淮安 223200）

日化品瓶的瓶身材料主要為高密度聚乙烯，是一種結晶度高、非極性的熱塑性樹脂，具有較高的剛性和韌性[1-2]。目前，日化品瓶的生產工藝一般分為4個步驟：首先使用灌裝機將一定量的日化品注入到潔凈的日化品瓶中；然后使用塑封機將裝有日化品的日化品瓶進行鋁箔封口；接下來對日化品瓶進行貼標；最后對成品的日化品瓶進行鋁箔密封性檢測。在日化品瓶鋁箔包裝封合的過程中，由于各種因素的影響，可能會產生漏封、壓穿，或因材料本身存在的裂縫、微孔而形成內外連通的小孔，這些都會對包裝內的物品產生不利影響[3]。日化品瓶鋁箔包裝的密封性漏氣缺陷是一種有時難以直接用人眼觀察到的質量缺陷，會使包裝內的物品保質效果大大降低，特別是在食品、醫藥和日化等包裝領域，密封性將直接影響產品的質量，甚至可能因為包裝內產品變質影響使用者的健康[4]。

近年來，行業內對鋁箔包裝產品的密封性檢測嘗試和采取了多種方法。美國SST 公司等[5]通過將待檢測的鋁箔包裝產品放入真空的水環境中一段時間，由于包裝內外存在壓力差的原因，如果該鋁箔包裝產品漏氣，則會產生連續性的氣泡，但是當泄漏面積較小時，產生連續氣泡的現象不明顯，會產生較高的誤判率。王華天等[6]根據差壓式空氣泄漏的檢測原理研發了一款密封性檢測設備，將放有待檢測鋁箔包裝產品的密封室中充入高壓氣體，包裝外的高壓氣體使產品產生擠壓變形，通過觀察包裝的變形量來判斷產品的密封性，但當泄漏面積較小時，產品的變形量較小，肉眼難以觀察到包裝的變形量，會產生較高的誤判率。這些對鋁箔密封性檢測的方法及設備，主要是通過肉眼觀察由于泄漏導致外部環境的變化情況或包裝的變形量等參數，其檢測精度較低。

為了提高日化品瓶鋁箔密封性檢測精準度，文中提出一種日化品瓶鋁箔密封性檢測方法，根據此檢測方法設計一種操作簡單的日化品瓶鋁箔密封性測試實驗平臺。通過對鋁箔密封后的日化品瓶瓶身施加一定壓力使瓶身產生一定的變形，建立一種空氣泄漏模型，將施壓過程中采集到的日化品瓶產生的反作用力值代入泄漏模型得到日化品瓶的泄漏面積大小，根據泄漏面積值判定其密封性。

1 實驗

1.1 測試樣品準備

實際生產過程中，在日化品瓶鋁箔密封的過程中，由于設備故障等問題會產生少量的密封性較差的產品。如圖1 所示，根據日化品瓶的鋁箔密封情況將其分為4 類：鋁箔封合完好、鋁箔氣孔、鋁箔漏封、鋁箔封合缺陷。a 類與c 類各選2 件作為參照組，b類與d 類各選1 件作為實驗組。

圖1 日化品瓶鋁箔密封性分類Fig.1 Classification of sealability of aluminum foil for daily chemical bottle

1.2 日化品瓶鋁箔密封性測試實驗臺原理與組成

日化品瓶鋁箔密封性測試方法是利用圓柱形的壓頭按照預定的控制指令對日化品瓶瓶身進行擠壓，使日化品瓶瓶身產生一定的變形，在壓頭對日化品瓶瓶身擠壓的過程中采集獲取日化品瓶的反作用力值。根據日化品瓶產生的反作用力，基于建立的空氣泄漏模型，根據泄漏面積大小來判定日化品瓶鋁箔密封性。根據該測試方法設計了日化品瓶密封性測試實驗平臺，主要涉及控制驅動與數據實時采集，其主要組成見圖2。

圖2 日化品瓶鋁箔密封性測試實驗平臺Fig.2 Experimental platform for detecting the sealability of aluminum foil for daily chemical bottle

實驗中，通過觸摸屏的人機界面對實驗過程中的擠壓速度與擠壓行程參數進行設定。為了增加測試準確度以及實現多速度條件下的測試，實驗平臺采用步進電動機驅動滾珠絲桿的形式。為了增加壓頭與日化品瓶的接觸面積，實驗平臺的壓頭采用空心鋼管。通過力傳感器獲取日化品瓶產生的反作用力值，在測試過程中為了避免由于電機啟動時的加速過程對傳感器造成沖擊破壞，壓力傳感器安裝在壓頭安裝板的右邊。由上位機對壓力數據進行采集，并得到在擠壓過程中日化品瓶所產生的反作用力。實驗臺上安裝3 個光電傳感器來定位日化品瓶托盤的初始位置和2 個極限位置。

1.3 日化品瓶鋁箔密封性檢測工作過程

日化品瓶鋁箔密封性檢測的工作過程見圖3，主要包含以下5 個步驟。

1）將被測試件放置于日化品瓶鋁箔密封性檢測裝置的日化品瓶托盤上；通過觸摸屏原點復位按鈕，將日化品瓶托盤復位，如圖3a 所示，此時壓力傳感器示數為0。

2）通過實驗平臺上觸摸屏的人機界面設定實驗參數，啟動日化品瓶鋁箔密封性檢測實驗程序；設定上位機軟件采集參數，通過壓力傳感器進行數據采集。如圖3b 所示，利用壓力傳感器示數值判斷接觸零點，通過上位機對實驗數據進行采集。

3）如圖3c 所示，啟動日化品瓶鋁箔密封性檢測實驗程序，日化品瓶托盤按照預設的參數移動使日化品瓶受到壓頭的一定擠壓并產生一定的變形。

4）如圖3d 所示，日化品瓶完成擠壓過程后，日化品瓶托盤返回原點。

5）如圖3e 所示，當日化品瓶鋁箔密封性檢測實驗過程完成后，日化品瓶脫離實驗裝置的壓頭表面回到原點位置，此時力傳感器示數回0。

圖3 日化品瓶鋁箔密封性檢測工作過程Fig.3 Process of detecting the sealability of aluminum foil for daily chemical bottle

步驟1—2 主要用于對日化品瓶鋁箔密封性檢測實驗裝置的初始定位以及參數設定，完成這2 個步驟后，若對同一被測試件進行多次測試，只需要重復步驟3—5 即可。

2 方法

2.1 瓶內空氣泄漏判據建立

鋁箔密封的日化品瓶在受到外力擠壓時，由于氣體具有可壓縮性，瓶內的氣體會產生壓縮[7-8]。在計算流體力學中，一般把氣體流動過程看作理想氣體的可逆、絕熱過程，遵循理想氣體的狀態方程和泊松方程[9-10]。

理想氣體的狀態方程只有在高溫、低壓下才能近似應用[11-12]，當瓶內溫度較低時將導致很大誤差，因此，在理想氣體狀態方程中引進一個氣體的壓縮因子Z，以減少與實際氣體的差別[13]，氣體的狀態方程為：

式中：p為瓶內壓力，MPa；V為氣體的體積，m3；n為氣體的摩爾數，mol；R為氣體常數；T為氣體溫度，K。假定Z在所研究的日化品瓶瓶內氣體變化范圍內為常數。

密封性差的日化品瓶在受到擠壓時氣體泄漏的過程見圖4。圖4 中點1 為瓶外環境，點2 為泄漏點，點3 為瓶內氣體的瞬時環境。在擠壓過程中壓頭對日化品瓶的瞬時有效接觸面積為Si。

圖4 日化品瓶鋁箔密封氣體泄漏示意圖Fig.4 Schematic diagram for air leakage of aluminum foil of daily chemical bottle

假設條件：日化品瓶瓶內氣體為絕熱流動，在泄漏點處為等溫流動；模型為一維流動模型。

為了描述擠壓過程中瓶內氣體變化過程，對瓶身進行受力分析：

式中：iF壓為壓力傳感器是在對壓力檢測的瞬時值，N；iF塑為日化品瓶材料產生的壓力，N；F彈為彈簧的壓力，N；K為彈簧的彈性系數，N/m；x為彈簧壓縮的長度，m；ip總為日化品瓶在壓頭上產生的瞬時總壓強，MPa；ip液為日化品瓶中液體在壓頭上產生的瞬時壓強，MPa；ip氣為日化品瓶中氣體在壓頭上產生的瞬時壓強，MPa。

式中：Δpbi為圖4 在采集點i時的鋁箔泄漏點2處內外壓強差，MPa；ΔVbi為的日化品瓶瓶內氣體在采集點i時單位時間的泄漏量，m3；biρ為待檢測的日化品瓶內空氣在采集點i時的密度，kg/m3；S漏為鋁箔泄漏點的泄漏面積，m2。

結合式（11）與式（12）得到的鋁箔泄漏點的泄漏面積S漏，其方程為：

在實驗過程中，實驗的外部環境保持不變，日化品瓶的內部溫度保持不變。根據Boyle's Law，在定量定溫下，理想氣體的體積與壓力成反比[14-15]，方程為：

式中：pai為對照組a 類日化品瓶在采集點i時的瓶內氣體壓強，MPa；Vai為對照組a 類日化品瓶在采集點i時的瓶內氣體容積，m3；ΔFai為傳感器檢測對照組a 類與c 類日化品瓶在采集點i時的壓力差值，N；Fai壓為對照組a 類日化品瓶在采集點i時的壓力傳感器檢測出的壓力值，N；Fci壓為對照組c 類日化品瓶在采集點i時的壓力傳感器檢測出的壓力值，N；1p為空氣壓強，MPa。對式（13）中變量進行轉換求解，得到方程為：

將式（18）、（19）、（20）代入式（13）中，得到在鋁箔泄漏點的泄漏面積展開式：

所得到的S漏值為日化品鋁箔泄漏面積，此值大于零時，表示日化品瓶鋁箔密封出現氣體泄漏。

2.2 信號采集與處理

通過實驗的方法研究日化品瓶鋁箔密封性。在日化品瓶鋁箔密封性檢測過程中，通過壓力傳感器檢測壓力值，并由上位機對壓力值進行采集。

壓力傳感器為壓電型，最大量程為300 N；采用標準計量器具活塞式壓力計YU-60T 進行校準；校準環境的溫度為22 ℃、相對濕度為47%；壓力傳感器非線性度為0.15%。

實驗中，對每件測試件進行日化品瓶鋁箔密封性測試時，實驗重復3 次取平均值。如圖5 所示，上位機從坐標零點開始對壓力數據采集的頻率為20 Hz，每個壓力測量值為日化品瓶的瞬間值。

圖5 上位機數據采集界面Fig.5 PC data acquisition interface

3 結果

3.1 不同擠壓速度時日化品瓶擠壓過程實驗

從式（21）可知，擠壓速度與擠壓行程對日化品瓶的反作用力有影響。分別在不同擠壓速度下，對日化品瓶進行鋁箔密封性檢測實驗。

根據日化品瓶的鋁箔密封情況，實驗分別取2 個a 類日化品瓶、1 個b 類日化品瓶、2 個c 類日化品瓶和1 個d 類日化品瓶進行對照實驗。對日化品瓶擠壓完成后，由上位機得到日化品瓶在被擠壓過程中的反作用力。為增加實驗結果的精確度，3 次測量取平均值，通過非線性最小二乘法對離散數據進行擬合，得到的結果見圖6—9。

對比圖6—9 可知，a 類和c 類的日化品瓶在4個實驗條件下所得到的實驗結果基本保持一致。擠壓速度的改變對a 類和c 類的日化品瓶產生的最大作用力的影響較小。

圖6 擠壓速度為1 mm/s 時的實驗數據Fig.6 Experimental data at the extrusion speed 1 mm/s

圖7 擠壓速度為2 mm/s 的實驗數據Fig.7 Experimental data at the extrusion speed 2 mm/s

圖8 擠壓速度為3 mm/s 時的實驗數據Fig.8 Experimental data at the extrusion speed 3 mm/s

圖9 擠壓速度為4 mm/s 時的實驗數據Fig.9 Experimental data at the extrusion speed 4 mm/s

在擠壓速度不變的情況下，隨著擠壓行程逐漸增加，日化品瓶產生的最大反作用力逐漸增加。由于日化品瓶檢測實驗裝置在對日化品瓶擠壓過程中，日化品瓶會產生相應的變形，瓶內的氣體產生泄漏，從而使不同密封性的日化品瓶產生的最大反作用力不同。

在擠壓行程不變的情況下，隨著擠壓速度逐漸增加，密封性差的日化品瓶產生的最大反作用力發生變化，具體表現為當擠壓速度變大時，其行程-最大反作用力曲線斜率變大。在擠壓行程不變的情況下，擠壓速度的變化會導致密封性差的日化品瓶產生的最大反作用力發生改變。

3.2 實驗數據分析

為了驗證測試方法的可靠性以及數學模型的準確性，對實驗中b 類和d 類的測試件的實驗結果做數據分析。實驗中b 類測試件是由最大橫截面為2.00 mm2的圓錐尖柱將密封性完好的日化品瓶的鋁箔扎通，得到實際泄漏面積為2.00 mm2的b 類測試件，實驗中d類測試件是由最大橫截面為3.50 mm2的圓錐尖柱將密封性完好的日化品瓶部分鋁箔與瓶口分離，得到實際泄漏面積為3.50 mm2的d 類測試件的。在擠壓速度分別為1、2、3、4 mm/s 的條件下對測試件做不同行程的擠壓實驗，將采集到的日化品瓶的反作用力值代入數學模型中，把測得的泄漏面積與實際值比較來驗證測試方法的可靠性以及數學模型的準確性，對比數據見表1 和表2。

表1 b 類測得泄漏面積值與實際泄露面積值對比Tab.1 Comparison between the measured leakage area value and the actual leakage area value of type b

表2 d 類測得泄漏面積值與實際泄露面積值對比Tab.2 Comparison between the measured leakage area value and the actual leakage area value of type d

由2 表中對比實驗數據可知，將實驗得到的數據代入數學模型后得到的泄漏面積數值與實際數值基本一致，b 類實驗的最大誤差為4.50%，d 類實驗的最大誤差為3.14%。由此可見，提出測試方法和數學模型具有可靠性和準確性。

4 結語

針對日化品生產過程中的鋁箔密封性檢測工序，提出了一種日化品瓶鋁箔密封性檢測方法。在此檢測方法基礎上，設計研制開發了一套日化品瓶鋁箔密封性檢測實驗平臺，并在該實驗平臺上進行一系列的鋁箔密封性檢測實驗。將實驗數據代入建立的空氣泄漏模型，得到的測量值與實際值對比來驗證該模型的準確性。理論和實驗對比分析結果表明，文中提出的日化品瓶鋁箔密封性檢測方法具有操作簡單、檢測精確等優點。