دانشنامه جامع کمپرس یخ68
فصل ۶۸
دانشنامه جامع کمپرس یخ و ژلپک
روش طراحی ژلپک ضدنشتی و مقاوم در برابر سوراخشدن؛ بررسی ساختار فیلم، ضخامت، چندلایه بودن، نوع دوخت، گوشههای بسته، فشار داخلی، ضربه، سقوط، سوراخشدن و روش افزایش ایمنی بسته در حملونقل
68-1 ـ مقدمه
در یک ژلپک، ماده سردکننده هرچقدر عملکرد حرارتی مناسبی داشته باشد، اگر بستهبندی آن دچار نشتی شود، محصول عملاً کارایی خود را از دست میدهد.
نشتی میتواند در اثر موارد مختلف ایجاد شود:
– سوراخشدن فیلم؛
– پارگی؛
– ضعف گوشهها؛
– بازشدن دوخت؛
– افزایش فشار داخلی؛
– تاخوردگی مکرر؛
– ضربه و سقوط؛
– فرسودگی ناشی از انجماد و ذوب.
بنابراین طراحی ضدنشتی باید از مرحله انتخاب فیلم آغاز شود و تا آزمون نهایی محصول ادامه پیدا کند.
—
68-2 ـ تعریف ژلپک ضدنشتی
ژلپک ضدنشتی محصولی است که در شرایط تعریفشده استفاده، انجماد، حمل، ضربه و چرخههای حرارتی، ماده داخلی خود را درون بسته نگه میدارد.
«ضدنشتی» نباید به معنای مقاومت مطلق در برابر هر نوع آسیب تلقی شود؛ بلکه باید بر اساس شرایط آزمون و معیار پذیرش مشخص تعریف شود.
—
68-3 ـ مسیرهای اصلی ایجاد نشتی
نشتی معمولاً از یکی از این مسیرها ایجاد میشود:
1. بدنه فیلم؛
2. دوخت طولی؛
3. دوخت عرضی؛
4. گوشهها؛
5. محل اتصال لایهها؛
6. آسیب مکانیکی.
شناخت مسیر خرابی برای اصلاح محصول ضروری است.
—
68-4 ـ نقش فیلم
فیلم باید همزمان چند ویژگی داشته باشد:
– انعطافپذیری؛
– مقاومت کششی؛
– مقاومت پارگی؛
– مقاومت سوراخشدن؛
– مقاومت در دمای پایین؛
– قابلیت دوخت مناسب؛
– سازگاری با ماده داخلی.
هیچکدام از این ویژگیها به تنهایی کافی نیستند.
—
68-5 ـ فیلم نازک و ضخیم
افزایش ضخامت فیلم معمولاً میتواند مقاومت مکانیکی را افزایش دهد، اما ممکن است:
– قیمت را بالا ببرد؛
– وزن بستهبندی را افزایش دهد؛
– انعطافپذیری را کاهش دهد؛
– فرآیند دوخت را تغییر دهد.
بنابراین باید ضخامت به صورت آزمایشی انتخاب شود.
—
68-6 ـ فیلم تکلایه
فیلم تکلایه سادهتر و معمولاً اقتصادیتر است.
برای نمونههای عمومی میتوان گزینههای مختلف پلیاتیلنی را آزمایش کرد.
اما مناسب بودن یک فیلم باید با آزمون واقعی انجماد، ضربه و دوخت مشخص شود.
—
68-7 ـ فیلم چندلایه
فیلم چندلایه میتواند ویژگیهای مختلف را ترکیب کند.
برای مثال یک ساختار ممکن است:
– لایهای برای استحکام؛
– لایهای برای آببندی؛
– لایهای برای ایجاد خواص موردنیاز سطح
داشته باشد.
اما چندلایه بودن بهتنهایی تضمینکننده عمر بیشتر نیست.
—
68-8 ـ مقاومت در برابر سوراخشدن
در حملونقل، بسته ممکن است با:
– لبه کارتن؛
– گوشه محصول دیگر؛
– سطح زبر؛
– قطعات فلزی؛
– فشار نقطهای
تماس پیدا کند.
بنابراین آزمون سوراخشدن باید یکی از آزمونهای توسعه محصول باشد.
—
68-9 ـ مقاومت پارگی
تفاوت مهمی میان سوراخشدن و پارگی وجود دارد.
ممکن است یک آسیب کوچک در ابتدا فقط یک سوراخ ایجاد کند، اما هنگام کشش به یک پارگی بزرگ تبدیل شود.
بنابراین فیلم باید هم در برابر شروع آسیب و هم گسترش آن بررسی شود.
—
68-10 ـ شکل گوشهها
گوشههای تیز محل تمرکز تنش هستند.
در طراحی بسته میتوان با اصلاح هندسه گوشهها، توزیع تنش را بهتر کرد.
گوشههای گرد یا شعاعدار در بسیاری از طراحیهای انعطافپذیر میتوانند گزینهای برای بررسی باشند.
—
68-11 ـ اهمیت شعاع گوشه
فرض کنید یک بسته مستطیلی دارای گوشههای کاملاً تیز باشد.
در زمان فشار یا خم شدن، تنش در همان نقطه متمرکز میشود.
با ایجاد شعاع مناسب در گوشهها، میتوان تمرکز تنش را کاهش داد.
عدد بهینه باید با نمونهسازی مشخص شود.
—
68-12 ـ دوخت حرارتی
دوخت حرارتی باید اتصال مناسبی بین لایههای قابل دوخت ایجاد کند.
سه پارامتر اصلی عبارتاند از:
دما + زمان + فشار
اگر هرکدام نامناسب باشد، اتصال ممکن است:
– ضعیف؛
– بیش از حد ذوبشده؛
– شکننده؛
– ناپایدار
شود.
—
68-13 ـ دوخت کمقدرت
اگر انرژی دوخت کافی نباشد، لایهها به خوبی به هم متصل نمیشوند.
این نوع خرابی ممکن است در ابتدا قابل مشاهده نباشد و پس از چند چرخه انجماد و ذوب ظاهر شود.
—
68-14 ـ دوخت بیش از حد
افزایش بیش از حد دما یا زمان نیز لزوماً بهتر نیست.
حرارت زیاد ممکن است ساختار فیلم را تضعیف کند یا باعث ایجاد ناحیهای شکننده در محل دوخت شود.
بنابراین فرآیند باید با آزمون استحکام بهینه شود.
—
68-15 ـ آلودگی محل دوخت
وجود ژل، آب یا ذرات پلیمر بین سطوح دوخت میتواند کیفیت اتصال را کاهش دهد.
یکی از راهکارهای مهم در خط تولید، کنترل حرکت ماده داخل بسته و تمیز نگه داشتن منطقه دوخت است.
—
68-16 ـ عرض دوخت
عرض دوخت نیز باید مشخص باشد.
دوخت بسیار باریک ممکن است حاشیه ایمنی کمتری داشته باشد.
از طرف دیگر، افزایش بیش از حد عرض دوخت میتواند:
– مصرف فیلم را بالا ببرد؛
– ابعاد مفید بسته را کاهش دهد.
—
68-17 ـ فشار داخلی
فشار داخل ژلپک به عواملی مانند:
– میزان پرشدن؛
– فضای خالی؛
– انجماد؛
– دمای محیط؛
– شکل بسته
وابسته است.
پرکردن بیش از حد میتواند ریسک آسیب را افزایش دهد.
—
68-18 ـ انبساط آب هنگام انجماد
اگر آب موجود در ژل یا بخش آزاد آن هنگام انجماد منبسط شود، بسته باید توان تحمل این تغییر را داشته باشد.
بنابراین مقدار ماده پرشده باید با حجم واقعی کیسه و فضای آزاد هماهنگ شود.
—
68-19 ـ Headspace و ضدنشتی بودن
فضای خالی مناسب میتواند از افزایش فشار ناشی از انبساط جلوگیری کند.
اما فضای خالی بیش از حد نیز ممکن است باعث جابهجایی شدید ماده و ایجاد فشارهای موضعی شود.
پس باید نقطه بهینه آزمایش شود.
—
68-20 ـ شکل تخت و ضدنشتی
بستههای تخت معمولاً سطح تماس زیادی دارند.
اما چون سطح فیلم زیاد است، در برابر:
– تاخوردگی؛
– کشش؛
– سوراخشدن؛
– فشار گوشهای
باید بهدقت آزمایش شوند.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
68-21 ـ بستههای چندسلولی
یکی از روشهای قابل بررسی برای افزایش ایمنی، تقسیم حجم داخلی به چند سلول است.
در این ساختار، آسیب یک بخش لزوماً باعث تخلیه کامل ماده نمیشود.
اما تولید آن پیچیدهتر و هزینه فیلم و دوخت بیشتر است.
—
68-22 ـ مقایسه تکسلولی و چندسلولی
ویژگی| تکسلولی| چندسلولی
تولید| سادهتر| پیچیدهتر
هزینه| کمتر| بیشتر
کنترل نشتی| نیازمند کنترل بالا| امکان محدودکردن تخلیه
انعطاف| بالا| وابسته به طراحی
دوخت| کمتر| بیشتر
تعمیر/بازیابی| دشوار| وابسته به ساختار
انتخاب باید براساس کاربرد واقعی انجام شود.
—
68-23 ـ نقش پلیآکریلات در نشتی
پلیآکریلات متورمشده میتواند آب را در ساختار خود نگه دارد.
اما اگر نسبت آب به پلیمر بیش از ظرفیت نگهداری باشد، آب آزاد افزایش مییابد.
آب آزاد میتواند حرکت داخلی و در صورت آسیب بسته، خروج مایع را آسانتر کند.
—
68-24 ـ کاهش آب آزاد
یکی از راهکارهای مهم برای افزایش پایداری داخلی، تعیین دقیق نسبت آب به پلیمر است.
فرمول:
[
R=\frac{M_w}{M_p}
]
را میتوان در چند سطح آزمایش کرد و مقدار آب آزاد را مقایسه نمود.
—
68-25 ـ ویسکوزیته و نشتی
ژل خیلی روان ممکن است در صورت ایجاد سوراخ، سریعتر خارج شود.
ژل بسیار سفت نیز ممکن است:
– پرکردن را دشوار کند؛
– هوا را در خود حبس کند؛
– فشارهای موضعی ایجاد کند.
بنابراین باید بین قابلیت تولید و پایداری تعادل ایجاد شود.
—
68-26 ـ وجود حباب هوا
حبابهای بزرگ داخل بسته میتوانند:
– شکل بسته را تغییر دهند؛
– سطح تماس حرارتی را کاهش دهند؛
– هنگام فشار، تغییر شکل موضعی ایجاد کنند.
کنترل هوا در مرحله پرکردن میتواند به پایداری بسته کمک کند.
—
68-27 ـ آزمون نشتی اولیه
پس از تولید، همه نمونهها باید حداقل تحت یک بررسی اولیه قرار گیرند.
روش ساده:
1. بررسی ظاهری؛
2. وزنکشی؛
3. فشار ملایم کنترلشده؛
4. بررسی محل دوخت.
نمونه معیوب نباید وارد مرحله انجماد شود.
—
68-28 ـ آزمون نشتی پس از انجماد
برخی نقصها فقط پس از انجماد ظاهر میشوند.
بنابراین نمونه باید:
انجماد → بازرسی → ذوب → بازرسی
شود.
این چرخه باید چند بار تکرار شود.
—
68-29 ـ آزمون سقوط
برای حملونقل میتوان آزمون سقوط تعریف کرد.
پارامترهای قابل ثبت:
– ارتفاع سقوط؛
– وضعیت بسته؛
– دمای بسته؛
– تعداد سقوط؛
– سطح برخورد؛
– وجود یا عدم وجود نشتی.
مقادیر باید بر اساس کاربرد واقعی تعیین شوند.
—
68-30 ـ آزمون فشار مکانیکی
بسته را میتوان تحت فشار کنترلشده قرار داد.
در این آزمون موارد زیر بررسی میشوند:
– تغییر شکل؛
– پارگی؛
– بازشدن دوخت؛
– نشتی.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
68-31 ـ آزمون سوراخ کنترلشده
برای مقایسه فیلمها میتوان یک آسیب کنترلشده ایجاد کرد و رفتار آنها را بررسی نمود.
هدف، تعیین میزان مقاومت فیلم در برابر گسترش آسیب است، نه شبیهسازی تصادفی تمام شرایط حمل.
—
68-32 ـ آزمون خمشدن
ژلپکهای انعطافپذیر در زمان استفاده بارها خم میشوند.
بنابراین نمونهها میتوانند تحت تعداد مشخصی حرکت خمشی قرار گیرند.
پس از آن:
– نشتی؛
– ترک؛
– سفیدشدگی فیلم؛
– ضعف دوخت
بررسی شود.
—
68-33 ـ آزمون چرخهای ترکیبی
آزمون واقعبینانهتر میتواند ترکیبی باشد:
انجماد → ذوب → سقوط → انجماد → خمشدن → ذوب → فشار
این روش کمک میکند اثر تجمعی عوامل مختلف بررسی شود.
—
68-34 ـ مقاومت فیلم در دمای پایین
برخی مواد پلیمری در دمای پایین سختتر یا شکنندهتر میشوند.
بنابراین آزمون مکانیکی در دمای اتاق به تنهایی برای ژلپک کافی نیست.
آزمون باید در دمای واقعی کاربرد نیز انجام شود.
—
68-35 ـ محل قرارگیری سنسور دما
برای آزمون دوام حرارتی، بهتر است دمای مرکز ماده یا نقطه تعریفشده اندازهگیری شود.
دمای سطح ممکن است سریعتر تغییر کند و نماینده کل بسته نباشد.
—
68-36 ـ بررسی عملکرد حرارتی پس از آسیب مکانیکی
یک ژلپک ممکن است از نظر ظاهری سالم باشد، اما شکل آن تغییر کرده باشد.
پس از آزمون مکانیکی باید عملکرد حرارتی نیز بررسی شود.
مثلاً:
[
Q_0=1000,kJ
]
و پس از آزمون:
[
Q_1=970,kJ
]
باشد، حفظ ظرفیت:
[
97%
]
خواهد بود.
—
68-37 ـ ارتباط نشتی و ظرفیت سرمایشی
کاهش جرم ماده میتواند مستقیماً ظرفیت سرمایشی را کاهش دهد.
اگر مقدار آب مؤثر کاهش یابد:
[
Q=mC_p\Delta T
]
نیز تغییر خواهد کرد.
بنابراین وزنکشی یکی از سادهترین شاخصهای کنترل عملکرد است.
—
68-38 ـ تست وزن قبل و بعد
برای هر نمونه ثبت شود:
وضعیت| جرم
قبل از آزمون| 1000 g
پس از 10 چرخه| 998 g
پس از 25 چرخه| 995 g
پس از 50 چرخه| 991 g
کاهش جرم باید بررسی و علت آن مشخص شود.
—
68-39 ـ تشخیص نشتی از طریق وزن
گاهی نشتی بسیار کم است و با چشم دیده نمیشود.
اگر وزن به صورت تدریجی کاهش یابد، میتوان آن را به عنوان یک علامت هشدار بررسی کرد.
البته دقت ترازو و شرایط آزمایش باید ثابت باشد.
—
68-40 ـ کنترل کیفیت در خط تولید
در تولید انبوه، کنترل ضدنشتی باید در چند مرحله انجام شود:
مواد اولیه → شکلدهی فیلم → پرکردن → دوخت → بازرسی → آزمون نمونهای
این روش بهتر از آن است که فقط محصول نهایی بررسی شود.
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
—
68-41 ـ انتخاب فرمول مناسب برای بسته ضدنشتی
فرمول داخلی باید علاوه بر ظرفیت سرمایشی، ویژگیهای زیر را داشته باشد:
– آب آزاد کم؛
– ژل یکنواخت؛
– عدم جدایش شدید؛
– قابلیت پرکردن؛
– سازگاری با فیلم.
گاهی فرمولی که از نظر ظرفیت سرمایشی بهتر است، از نظر تولید و نشتی مناسبتر نیست.
—
68-42 ـ مقایسه سه فرمول
مثلاً:
فرمول| ظرفیت سرمایشی| آب آزاد| قابلیت تولید| نشتی
A| بالا| زیاد| متوسط| بیشتر
B| متوسط| کم| خوب| کم
C| متوسط| بسیار کم| دشوار| کم
در چنین مقایسهای انتخاب نهایی باید بر اساس مجموعه معیارها انجام شود.
—
68-43 ـ طراحی بسته مقاوم برای حملونقل
برای حملونقل، مجموعه زیر قابل بررسی است:
فیلم مقاوم + دوخت مناسب + فضای خالی کنترلشده + ژل پایدار + کارتن محافظ
نباید انتظار داشت فیلم به تنهایی تمام ضربات حمل را تحمل کند.
—
68-44 ـ بستهبندی ثانویه
قرار دادن ژلپک در کارتن یا بسته ثانویه میتواند تماس مستقیم آن با اشیای تیز را کاهش دهد.
این موضوع بهخصوص برای محصولات انعطافپذیر اهمیت دارد.
—
68-45 ـ محافظت در برابر لبههای تیز
درون جعبه بهتر است نقاطی که میتوانند به فیلم آسیب بزنند شناسایی شوند.
مثلاً:
– منگنه؛
– لبه مقوا؛
– بست؛
– قطعات فلزی؛
– گوشه سخت محصولات.
رفع این نقاط ممکن است بدون تغییر فرمول، دوام بسته را افزایش دهد.
—
68-46 ـ طراحی آزمایش مقایسهای
برای انتخاب فیلم میتوان چنین ماتریسی ساخت:
نمونه| فیلم| ضخامت| فرمول| چرخه| نتیجه
A1| فیلم A| کم| F1| 50| ثبت
A2| فیلم A| متوسط| F1| 50| ثبت
B1| فیلم B| کم| F1| 50| ثبت
B2| فیلم B| متوسط| F1| 50| ثبت
با این روش اثر فیلم و ضخامت از یکدیگر جدا میشود.
—
68-47 ـ روش توسعه محصول ضدنشتی
پیشنهاد میشود توسعه در پنج مرحله انجام شود:
مرحله اول: انتخاب فیلم.
مرحله دوم: بهینهسازی دوخت.
مرحله سوم: اصلاح فرمول داخلی.
مرحله چهارم: آزمون انجماد و ذوب.
مرحله پنجم: آزمون حملونقل و ضربه.
این ترتیب از تغییر همزمان تعداد زیادی متغیر جلوگیری میکند.
—
68-48 ـ معیارهای پیشنهادی پذیرش
برای هر محصول باید معیار داخلی تعیین شود؛ برای مثال:
– بدون نشتی قابل مشاهده؛
– بدون بازشدن دوخت؛
– عدم پارگی؛
– حفظ جرم در محدوده تعیینشده؛
– حفظ ظرفیت سرمایشی در محدوده تعیینشده؛
– حفظ ابعاد قابل قبول.
اعداد نهایی باید با توجه به کاربرد و نتایج آزمون تعیین شوند.
—
68-49 ـ چکلیست نهایی ژلپک ضدنشتی
☐ نوع فیلم مشخص شده است.
☐ ضخامت فیلم مشخص شده است.
☐ ساختار تکلایه یا چندلایه انتخاب شده است.
☐ شکل گوشهها بررسی شده است.
☐ عرض دوخت تعیین شده است.
☐ دمای دوخت کنترل شده است.
☐ زمان دوخت کنترل شده است.
☐ فشار دوخت کنترل شده است.
☐ آلودگی محل دوخت کنترل شده است.
☐ Headspace مشخص شده است.
☐ نسبت آب به پلیمر مشخص شده است.
☐ آب آزاد بررسی شده است.
☐ آزمون فشار انجام شده است.
☐ آزمون سقوط انجام شده است.
☐ آزمون سوراخشدن انجام شده است.
☐ آزمون انجماد و ذوب انجام شده است.
☐ وزن قبل و بعد ثبت شده است.
☐ عملکرد سرمایشی بررسی شده است.
☐ آزمون ترکیبی انجام شده است.
☐ معیار پایان عمر مشخص شده است.
—
68-50 ـ جمعبندی فصل
طراحی ژلپک ضدنشتی یک مسئله چندعاملی است. افزایش ضخامت فیلم به تنهایی تضمینکننده محصول بهتر نیست و استفاده از فیلم چندلایه نیز به تنهایی کافی نیست.
یک طراحی مناسب باید همزمان این عوامل را بررسی کند:
فیلم + ضخامت + دوخت + هندسه + Headspace + فرمول ژل + آب آزاد + فشار داخلی + شرایط انجماد + حملونقل
در یک ژلپک پلیآکریلاتی، کنترل آب آزاد اهمیت ویژهای دارد. اگر مقدار آب از ظرفیت مؤثر نگهداری ژل بیشتر باشد، احتمال جابهجایی مایع افزایش مییابد.
از طرف دیگر، کاهش بیش از حد آب نیز میتواند ظرفیت سرمایشی و ویژگیهای انتقال حرارت محصول را تغییر دهد. بنابراین هدف، پیدا کردن نقطه تعادل میان ظرفیت سرمایشی، پایداری ژل، قابلیت تولید و ایمنی بسته است.
برای تولید صنعتی، پیشنهاد میشود ابتدا سه تا چند گزینه فیلم و چند تنظیم دوخت آزمایش شوند. سپس نمونهها تحت آزمونهای:
نشتی، فشار، سقوط، سوراخشدن، خمشدن، انجماد و ذوب
قرار گیرند.
در مرحله بعد، عملکرد حرارتی نمونههای باقیمانده با نمونه اولیه مقایسه شود.
یک شاخص ساده برای بررسی حفظ ظرفیت سرمایشی عبارت است از:
[
Retention=
\frac{Q_n}{Q_0}\times100
]
و تغییر جرم نیز میتواند با رابطه:
[
%\Delta M=
\frac{M_n-M_0}{M_0}\times100
]
محاسبه شود.
در نهایت، «ژلپک ضدنشتی» باید بر اساس شرایط مشخص آزمون تعریف شود، نه بر اساس یک ادعای مطلق. محصولی که برای حملونقل عمومی طراحی شده ممکن است به مشخصات متفاوتی از محصولی نیاز داشته باشد که برای استفاده صنعتی، جعبههای عایق یا چرخههای انجماد و ذوب متعدد تولید میشود.
بنابراین بهترین مسیر توسعه عبارت است از:
انتخاب فیلم → بهینهسازی دوخت → تعیین فرمول → کنترل آب آزاد → کنترل Headspace → آزمون انجماد → آزمون مکانیکی → آزمون نشتی → آزمون حرارتی → آزمون حملونقل → تعیین معیار پذیرش
جهت پیام به گردآورنده: ۰۹۳۸۸۴۰۶۷۱۶
پیشنهاد موضوع فصل ۶۹
روش طراحی ژلپک با حداقل وزن فیلم و بیشترین دوام؛ بررسی نسبت سطح به حجم، ضخامت فیلم، شکل کیسه، تعداد دوختها، کاهش نقاط ضعف، کاهش مصرف پلاستیک و محاسبه قیمت تمامشده بستهبندی در تولید انبوه
۰ دیدگاه