包装容器性能测试

第4章包装容器性能测试包装容器是在流通过程中贮存与保护商品的重要形式，如玻璃包装容器、塑料包装容器、金属包装容器和软包装容器等，它们对商品的安全运输发挥着积极作用。本章主要介绍玻璃包装容器、塑料包装容器、金属包装容器、钙塑瓦楞箱和软包装袋的性能测试。4.1一般包装用玻璃容器性能测试采用玻璃容器包装食品、药品、饮料及酒类以及其它易腐蚀物品，与塑料、马口铁以及复合材料制成的包装容器相比，具有化学性能稳定好、阻隔性高、透明美观、硬度高、不易污染、长期使用材质变化小等优点。但是，玻璃容器质量较大，耐冲击性差，容易破损。由于玻璃包装容器的抗压强度高，而抗拉强度较低，因此，破损多是由于受拉所引起的。玻璃包装容器的破损通常是由玻璃表面上的裂痕开始破裂，这种裂痕称为破坏起点。图4-1是玻璃包装容器破损示意图，图4-1（a）属于内压破裂，图4-1（b）属于外部冲击破裂，图4-1（c）属于跌落冲击破裂，图4-1（d）属于热冲击破裂，图4-1（e）和图4-1（f）属于水冲击破裂。通过观察破裂断面的形态，可推断破坏原因和破坏起点。图4-1玻璃容器破裂示意图由于包装的不同要求，对玻璃瓶罐的要求也不完全相同。对于酒瓶，除了要求耐久性、强度和瓶盖的密封性以外，还要求色彩美观，透明有光泽，能够防止紫外线使内装物发生质量变化。对于饮料瓶和啤酒瓶等，除要求有足够的耐内压强度外，由于要回收再用，还要求洗瓶时要有耐热冲击性能。因此，对一般包装用玻璃容器的性能测试很重要。本节主要介绍一般包装用玻璃容器的强度与热稳定性、化学稳定性、密封性能测试，以及容量、壁厚、垂直轴偏差等参数的检测。4.1.1外观缺陷检测玻璃容器的强度与外观缺陷关系很大，外观缺陷会降低其强度，很容易造成容器破损，在灌装生产线上易引起生产故障，影响包装过程和质量。而且，细小的外观缺陷也影响消费者的购买欲望。玻璃瓶罐的外观缺陷大约有100种以上，如口部变形、瓶口内径差、表面粗糙、壁厚不均匀、凹凸不平、气泡、伤痕、螺纹台阶缺口及圈数不对等。这些缺陷主要是由于供料机、制瓶机和模具等操作使用不当所造成的。对玻璃瓶罐外观缺陷的检测，比较简单的方法是采用目测或通过简单的量具进行抽样检查。例如，用卡规或环规测量瓶颈，用环规测量瓶外圆，用样规测量瓶外形，用塞规测量瓶132口等。这种检查方法对检验人员的视力要求较高，工作量很大，同时也不能保证所有商品的质量。随着生产速度和质量要求的逐步提高，以及消费者对产品安全性的强烈要求，必须发展自动检测技术。目前，欧美等发达国家已研制出多种类型的自动检验机，广泛应用于玻璃瓶罐缺陷的检测与分析。采用自动检验机检测玻璃瓶罐缺陷，属于全部检查，而不是抽样检查，这也是控制包装质量的一种有效方法。例如，上海优汉实业发展有限公司研制的“玻璃瓶曲线在线高速自动检测系统”将机器视觉技术应用于玻璃瓶缺陷检测，实现了瓶身缺陷的高速自动检测功能。该系统在传送带上设置暗室（或遮光帘），传送带导轨穿过暗室，暗室中导轨两侧设置两个检测工位，每个工位各设置三个摄像头，保证瓶身的各个角度都在成像范围内，每个摄像头只能获取瓶身60°~90°的图像，排除玻璃瓶边缘对检测结果的影响。检测系统利用白色的高频荧光灯光源，对透明玻璃瓶进行背光照明，为保证图像不互相影响，两个工位的位置错开一段距离。玻璃瓶被依次输送到传送带上。当玻璃瓶进入到第一工位的摄像头视野时，系统进行软触发，即利用视野中图像信息发生变化作为采集的触发信号，三个摄像头同时采集图像并传送到计算机终端，经过玻璃瓶缺陷检测软件运算分析后把检测结果发给下一个工位，当玻璃瓶继续传输到第二个工位时经历同样的检测过程，检测完毕后根据两个工位的检测结果发信号给控制卡，控制卡将缺陷瓶剔除信号发送给缺陷瓶剔除装置，决定玻璃瓶的“通过”或“剔除”，并对玻璃瓶计数。该系统可以对不同形状的玻璃瓶进行检测。在玻璃瓶类型更换时，首先对这种玻璃瓶定标，即输入标准尺寸、调节好摄像头位置及镜头的聚焦光圈，同时设定瓶身的缺陷的最小尺寸（2~9mm）及其它参数即完成定标工作，其主要技术指标包括：①尺寸检测，瓶身、瓶肩、瓶口的外观检测②对检测的缺陷瓶进行统计，可以保存和显示统计数据③合格瓶的误检率≤5％，不合格瓶的漏检率≤5％④在线监测速度≥150瓶/分钟4.1.2内应力测试玻璃包装容器内应力检测的常用试验方法有偏光法和瓷漆法。4.1.2.1偏光法偏光法是把试样瓶放入两个偏振片的中间，通过观察视场的亮度变化来确定试样瓶的应力等级。如果试样瓶中存在应力，偏振光就发生旋转，视场亮度也发生变化。通过对比这一亮度与分为若干等级的标准变形亮度，就可得到试样瓶的应力等级。试验仪器是偏光应力仪，如WZY-250型偏光应力仪、LZY-150型玻璃制品应力检测仪。偏光法通常分为比较法和直测法两种。LZY-150型玻璃制品应力检测仪利用偏振光干涉原理检查玻璃容器的内应力，备有灵敏色片，并应用1／4波片补偿方法，可以根据偏振场中的干涉色序定性、定量的确定玻璃瓶的内应力值。这种仪器的主要技术参数为：①仪器示值：1nm②测量精度(双折射程差值)：4nm③偏振场直径：150mm④检偏振片旋转角度：360°⑤光场的光亮度：≥800勒克司(lux)⑥起、检偏镜间最大距离：340mm（1）比较法133比较法使用偏光应力仪，在偏振光视场内使试样瓶与一套标准光程差片进行比较。试样瓶应未经过其它试验，预先在一定温、湿度条件的实验室内放置30分钟以上，且不能用手直接接触，试验时应戴手套。按照国家标准GB4545“玻璃瓶罐内应力检验方法”进行试验。①无色瓶罐的检验方法a.把全波片置于偏光应力仪的光路中，调整仪器的零点。b.将试样瓶放入视场，检验试样瓶上呈现最高色序点。c.将标准光程差片靠近试样瓶的观察区放入视场，但不要与试样瓶的光路重叠。一套标准光程差片不少于6片，每片所产生的光程差为21.8～23.8nm。d.依次叠加标准光程差片，与试样瓶最高色序点的颜色比较。当该色序大于N片标准光程差片叠加的色序，而小于N+1片标准光程差片叠加的色序时，则该处的应力按N+1片标准光程差片计算，按表4-1所列关系折算成试样瓶的应力等级。表4-1标准光程差片数与应力等级的关系应力等级1234567标准光程差片数N≤11N≤22N≤33N≤44N≤55N≤6用直测法测定②有色瓶罐的检验方法a.卸下全波片，用偏光应力仪直接观察试样瓶，选定最暗区作为参考区。b.置入全波片，依次把标准光程差片叠加于参考区，并与试样瓶呈现最高色序点的颜色相比较，直到两者的颜色接近为止。c.转动试样瓶，找出最高色序点。d.继续叠加标准光程差片，并与最高色序点的颜色相比较，按表4-1所列关系折算成试样瓶的应力等级。（2）直测法直接法使用偏光应力仪直接进行应力测定。按照国家标准GB4545“玻璃瓶罐内应力检验方法”进行试验。①无色瓶罐的检验方法a.调整偏光应力仪零点，使之呈现暗视场。b.把试样瓶放入视场，从口部观察底部，这时视场中会出现暗十字。若试样瓶应力小，则这个暗十字会模糊不清。c.旋转检偏镜，使暗十字分离成两个沿相反方向向试样瓶跟部移动的圆弧。随着暗区的外移，在圆弧凹侧便出现蓝灰色，在凸侧出现褐色。如果要测定某选定点的应力值，旋转检偏镜，使得在该点上的蓝灰色刚好被褐色取代为止。d.绕轴线旋转试样瓶，观察所选的点是否为最大应力点。如果不是，则继续旋转检偏镜，使得最大应力点处的蓝色刚好被褐色取代为止。记录检偏镜的旋转角度，按表4-2所列关系折算成试样瓶的应力等级。e.如果要测定瓶壁，则使试样瓶绕轴线与偏振平面成45°，这时瓶壁上会出现亮暗不同的区域，旋转检偏镜直至瓶壁上的暗区聚合，刚好完全取代亮区为止。记录检偏镜的旋转角度，按表4-2所列关系折算成试样瓶的应力等级。134表4-2应力等级与检偏镜旋转角度的关系应力等级旋转角度/°应力等级旋转角度/°10.0～7.4637.5～44.927.5～14.9745.0～52.4315.0～22.4852.5～59.5422.5～29.5960.0～67.4530.0～37.41067.5～74.9②有色瓶罐的检验方法检验步骤与无色瓶罐相同。当没有明显的蓝色和褐色以及玻璃的透过率较低时，较难确定检偏镜的旋转终点，深色试样瓶尤为严重，这时可采用平均法来确定准确的旋转终点，即以暗区取代亮区的旋转角度与再使亮区刚好重新出现的总旋转角度之和的平均值表示。（3）真实应力折算由偏光法测得的表观应力数与试样瓶的真实应力数存在着差异，这主要是由于试样瓶通光处厚度的影响。对于钠钙硅玻璃瓶罐，真实应力数的计算方法为4.06RATTt=（4-1）式中—真实应力数，级；RTAT—表观应力数，级；t—试样瓶被测部位通光处的总厚度，mm。4.1.2.2瓷漆法也可采用瓷漆法对玻璃瓶的内应力进行检测。瓷漆法是在玻璃包装容器的外表面涂上一层特殊的瓷漆，然后给容器施加外力，使得容器存在拉应力的部位的瓷漆产生裂纹，再根据这些裂纹的方向、大小判断应力状态。4.1.3强度性能测试本小节主要介绍玻璃包装容器的耐内压强度、垂直载荷强度、耐冲击强度等检测项目。（1）耐内压强度测试①耐内压强度。它是衡量玻璃瓶罐强度的一个综合指标，对啤酒瓶、充气（碳酸气体）饮料瓶的要求更高。目前，国际上对充气瓶的要求是1.6MPa。我国国家标准对充气瓶的要求是1.2MPa，一般玻璃瓶为0.7MPa。圆形玻璃瓶的耐内压强度主要由玻璃强度、瓶身直径、壁厚而决定，其最大耐压强度为[]max2PDδσ=（4-2）式中—玻璃瓶的最大耐内压强度，MPa；maxPD─瓶身内直径，mm；δ—瓶壁厚度，mm；135[]σ─玻璃瓶的许用强度，[]σ=63.7MPa。由内压力引起的最大应力，一般发生在玻璃瓶的下半部内表面和中央外表面。然而，在这些位置很少产生伤痕，故很少从这些位置发生玻璃瓶破坏。②测试方法。玻璃瓶罐的耐内压强度试验原理是，对夹持在夹板中的试样瓶均匀施加压缩载荷，直到预定载荷值或发生破裂为止。试验仪器是玻璃瓶罐内压力试验机，如图4-2所示，它主要由气-液压装置、夹持装置、压力显示部件、安全框等组成。图4-2内压强度试验原理图1-夹板；2-水；3-衬垫；4-压力管；5-压力计；6-气缸；7-电机；8-启动按钮；9-定时器；10-压力指示灯按照国家标准GB4546“玻璃瓶罐内压力试验方法”进行试验。具体测试方法是，首先将试样瓶在一定温、湿度条件的实验室内放置30分钟以上，然后将试样瓶内充满冷水（应没有气泡），悬挂在内压力试验机的夹具上，压紧密封装置，加盖防护罩，开动加压装置，通过水对压力的传递来产生对试样瓶的内压。进行合格试验时，先要按规定提高内压，在此内压力下保持片刻（如1分钟），然后再降低压力，根据试样瓶数以及破损瓶数来判断产品的合格率。如果压力保持时间小于1分钟，应注意换算压力和保持时间之间的关系，可参考表4-3所列关系。破坏性试验是以一定的速度增大压缩载荷，直到试样瓶被破坏时为止，记录试样瓶破损时的压缩载荷。表4-3压力和保持时间之间的关系保持时间1分钟30秒20秒10秒5秒3秒2秒压力系数1.001.041.071.121.181.231.27（2）垂直载荷强度测试①垂直载荷强度。由于玻璃瓶罐成型条件以及形状的不同，在压盖或受其它压力时，瓶的肩部或底部会产生拉应力。如果拉应力超过极限强度，会导致玻璃瓶罐破裂。当玻璃瓶罐开盖或堆码时，都要承受垂直载荷作用。普通瓶的垂直载荷强度在堆码时高达400～50000N，在开盖时是1000～2000N。玻璃瓶的垂直载荷强度随着瓶肩形状的变化而改变，溜肩比平肩强度高，瓶肩弧线的曲率半径越大，垂直载荷强度也越高，如图4-3所示，图4-3（a）所示瓶肩的垂直载荷强度是图4-3（d）所示瓶肩的15倍。136图4-3肩部形状与垂直载荷强度的关系②测试方法。垂直载荷强度试验也称耐压试验，所用试验装置如图4-4所示，它由气压装置、夹持装置、压力显示部件、安全框等组成。具体测试方法是，把试样瓶牢固地夹持在平台和汽缸之间，由气缸对试样瓶均匀施加压力，测定瓶破裂时的载荷。试