0001-定量杯式灌裝機(jī)總體設(shè)計
0001-定量杯式灌裝機(jī)總體設(shè)計,量杯,灌裝,總體,整體,設(shè)計
液體紙盒包裝芯吸的分析與建模
在紙箱液體包裝系統(tǒng)中一個比較重要的問題是通過紙盒（通常是包覆高分子薄膜）包裝的液體的芯吸。一個合適的紙盒包裝，吸收液體的速度應(yīng)當(dāng)是緩慢的，以提供令人滿意的長期貨架壽命的包裝產(chǎn)品。在這項(xiàng)研究中，這一現(xiàn)象的各種液體產(chǎn)品的吸收，透過層合紙箱包裝被廣泛調(diào)查。因此，在分析方法上芯吸紙盒包裝已經(jīng)制作完畢。與芯吸速率相關(guān)的數(shù)學(xué)模型對于液體含量和紙箱板材的物理化學(xué)性能是被建議的。模型參數(shù)是廣泛用于紙箱包裝的材料，獲得了基于實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。該模型得到證明能夠給予可靠的相關(guān)的芯吸速率對于液體含量和該層合紙箱包裝的物理化學(xué)參數(shù)。
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關(guān)鍵詞：芯吸;擴(kuò)散;粒度分析;;紙箱包裝
1.導(dǎo)言
纖維素材料早已被用來作為更加環(huán)保包裝材料。在世界范圍內(nèi)，以纖維素為基礎(chǔ)的包裝材料的利用與所有其他包裝所采用的材料[1,2]同樣受到重視 。最近聚合物涂料紙箱板的發(fā)展，使在包裝液體產(chǎn)品中使用紙盒板材成為可能。這其中的困難是為包裝液體產(chǎn)品選擇合適的涂層從大量的不同的液體產(chǎn)品之中。每個包含在紙箱包裝中的液體產(chǎn)品有其自身獨(dú)特的化學(xué)和物理性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在先前出版[3] ，即本質(zhì)上粘度，粒子大小及分布和其表面張力對于液體包裝系統(tǒng)的芯吸是有著顯著的影響。
從包裝工業(yè)這個角度來看，為了尋找合適的辦法一邊迅速的評估層合紙箱的材料是否適合，于包裝液體產(chǎn)品。目前，用于評估是否適合涂紙箱包裝材料為某一特定液相含量， 實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行即吸試驗(yàn)，都必須進(jìn)行建立芯吸速率的液體產(chǎn)品通過紙箱包裝材料。這種測試是相對時間開銷 ， 其中，尤其要考慮到的一個事實(shí)即相當(dāng)數(shù)量的參數(shù)的紙箱材料是令人關(guān)注的問題。這樣的參數(shù)包括研究紙箱厚度，高分子涂料厚度，化學(xué)耐藥性高分子涂料，阻隔性能的高分子涂層。各種各樣的液體內(nèi)容增加了顯著的復(fù)雜性問題的方法。 因此，一個數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確地描述之間的關(guān)系，芯吸率和各種物理化學(xué)性質(zhì)的高分子涂層， 紙箱板和液體產(chǎn)品是否是可取的。使用這樣一種模式，快速評估是否適合層合紙箱包裝為某一特定液體可以被建立出來。
自然纖維素之稱的紙箱板，與水性液體有相當(dāng)大親和力，如水果果汁，洗滌劑，油漆等，因此，在液體包裝中芯吸吸成了其中的重大問題。緩解芯吸程度，紙箱板通常有一層聚合物，以提高阻隔性能。典型的用作此用途的聚合物包括聚（乙烯） ，乙烯-醋酸乙烯醇共聚物和聚（丙烯） 。這種高分子涂層屏障也必須加以化學(xué)抗液體遏制。液體產(chǎn)品對高分子涂料的細(xì)節(jié)的影響，已于別處列出
大部分機(jī)械和熱干擾產(chǎn)生的三角瓣的角落
2.紙箱包裝液體遏制的研制以便形成理想的容器，層合紙箱板都必須受到模切，消減，架設(shè)，并密封（通常是通過加熱）。一個典型紙盒包裝及相關(guān)的模切和抗皺模式的簡要說明圖如圖1 。
圖1 紙箱包裝及相關(guān)的模切和抗皺格局
在生產(chǎn)過程中， 抗皺和削切扁平以被折疊形成三維立體結(jié)構(gòu)是增強(qiáng)熱封的。折疊和加熱過程有可能造成損害，從而影響聚合物涂料造成骨折和針孔。在圖1 中，角落的三角瓣通常受到大部分機(jī)械震動和熱擾動（圖2）。在高分子薄膜涂布于紙箱底部也有可能形成針孔。在實(shí)踐中液體通過針孔或裂痕流入紙盒往往是不可避免的，在涂層接觸液體產(chǎn)品（通常是內(nèi)部的包裝） 。 液體產(chǎn)品然后會繼續(xù)流到紙箱底部，通常是沿紋理的方向。通過針孔或裂紋液體產(chǎn)品最終將在另一邊顯現(xiàn)出來，在包覆在在包裝另一邊的高分子薄膜處。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是，有關(guān)液體產(chǎn)品的滲透最有可能的途徑是隨著晶粒的方向，這一事實(shí)先前就已經(jīng)成立 [ 4 ]
3 .芯吸的模擬和預(yù)測-概念
3.1 數(shù)學(xué)模型的建立
液體和氣體的擴(kuò)散通過高分子阻隔材料的數(shù)學(xué)建模已被報告在別處[5-8]。各種模型已發(fā)展到模擬通過以纖維素為基礎(chǔ)的包裝材料的水分的擴(kuò)散[9-14]。特別是幾個模型已經(jīng)開發(fā)出來，用于吸附和擴(kuò)散水分通過非均質(zhì)的介質(zhì)，如紙張和紙箱[15-21]。然而， 存在著極少數(shù)報道關(guān)于液體含有微粒的吸附和擴(kuò)散，如洗滌劑和衣服洗滌劑。因此有必要建立層合紙板和該顆粒的液體含量的芯吸速率和物理化學(xué)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型的仿真。 在這項(xiàng)研究中，只有曾和紙箱的晶里的流動方向是需要被考慮的。這是因?yàn)橥ㄟ^晶粒的擴(kuò)散速率通常是相對微不足道的，相比，隨著糧食。因此紙箱板的結(jié)構(gòu)，可被視為多孔的束狀的圓柱形毛細(xì)管形狀。
假設(shè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)蠕動流，芯吸現(xiàn)象是理論研制的盧卡斯[22]和瓦[23]常見的描述 。因此，紙箱板和液體的芯吸速率和物理化學(xué)性質(zhì)的研究，可以模擬使用。如公式（1）：
上式的H代表液體流動的距離，τ表示相對應(yīng)的紙箱板彎曲系數(shù)，μ和ρ分別代表液體的粘度和密度，θ是液體紙盒的動態(tài)前進(jìn)接觸角，σ是液體的表面張力。從公式（1）可以看出，信息速率和時間的平方根成正比，相對于各類紙箱板材/液體。因此，任何類別的液體，格局信息速率確定紙箱板材顆粒的稱重，W，也應(yīng)成直接與時間的平方根成比例，由一個因素W0的，如圖所示，在在公式（2）：
其中
從公式（3）中可以看出 ，W0的是一個關(guān)于紙箱板材和液體量的物理化學(xué)性質(zhì)的函數(shù)。為方便起見， W0在這篇文章中被稱為芯吸系數(shù)。對于這一點(diǎn)，紙箱板晶粒的重量已經(jīng)被確立了，由于所含液體的芯吸，在紙箱板材和所含液體之間是與時間的平方根成正比的。然而，必須指出的是，盧卡斯-瓦理論是被打算用來來描述芯吸現(xiàn)象，涉及液體粒子的自有擴(kuò)散。由于大部分液體洗滌劑含有不尋常尺寸的微粒，應(yīng)被改進(jìn)到液體芯吸模型，代表公式（3），是必要的。 根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)[4] ，透過紙盒板材的液體洗滌劑芯吸速率決定于幾個因素，包括液體洗滌劑和紙箱板物理化學(xué)性質(zhì)的粘度，密度，表面張力和顆粒分布等。 因此，下述模型（公式（4）） ，被提出來模擬，芯吸系數(shù)，W0和所含液體的物理化學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系，即σ ， φ ， ρ和μ ：
在公式（4）中，φ是液體洗滌劑顆粒的尺寸特點(diǎn)，C1-C5是常數(shù)，其數(shù)值是由液體洗滌劑和紙箱板材的物理化學(xué)作用。所有其他的符號具有相同的意義就像先前確定的。顯然，每種液體洗滌劑，將有一套獨(dú)特的參數(shù)，σ ，φ ， ρ ， μ ，與芯吸現(xiàn)象的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。在另一方面，每種紙箱板材將一套獨(dú)特的常數(shù)，C1-C5，代表其液體洗滌劑的物理化學(xué)作用，導(dǎo)致不同程度的芯吸
3.2 在模型采集與預(yù)測這一點(diǎn)上，建議的實(shí)質(zhì)是很清晰的，模擬和預(yù)測方法是雙重的，即：
?界定任一液體洗滌劑的一套獨(dú)特的參數(shù)，包括σ ， φ ， ρ ， μ
?界定阻隔性能紙箱板（對液體洗滌劑遷移）的阻隔性能 ，由一套獨(dú)特的參數(shù)C1-C5。 任何種類洗潔精，參數(shù)σ ， φ ， ρ和μ可以通過實(shí)驗(yàn)室分析得到。代表任何種類的紙箱板材的阻隔性能參數(shù)的影響，即C1-C5，可以通過下列程序得到：
?選擇幾種液體洗滌劑各種物理-化學(xué)性質(zhì)，即σ ， φ ， ρ ， μ
?選擇紙箱板材的好處
?進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測試，以獲取每種液體洗滌劑（細(xì)節(jié)測試程序給出后）芯吸速率 ，以紙箱板材在接觸液體洗滌劑后的增重為代表
?計算系數(shù)C1-C5，通過數(shù)值優(yōu)化或最小二乘擬合的公式（4）。 在這一點(diǎn)上，模型模擬的通過紙箱板材的液體芯吸速率的研究，由公式（5），可以得到：
利用公式（5） ，通過種紙箱板材的任何種類液體洗滌劑的芯吸速率是可以被預(yù)測的，例如σ ， φ ， ρ ， μ ，和C1–C5這些承參數(shù)的是有效地。這種模式的一個優(yōu)勢是C1-C5系數(shù)的值是獨(dú)一無二的對于各種的紙箱板材，因此是相互獨(dú)立的液體洗滌劑?；蛘邠Q句話說，只要一類紙箱板材的C1-C5系數(shù)的值是為用的情況下，任何液體洗滌劑（認(rèn)可的模型作為一套參數(shù)σ ，φ ，ρ ， μ）芯吸速率是可以預(yù)測的，通過利用公式（5）。
4 .實(shí)驗(yàn)
4.1 .材料和設(shè)備
滲透現(xiàn)象和滲透速率的研究被實(shí)施在六種液體洗滌劑工業(yè)中。被稱為D1-D6，一類為的紙箱板材，全部由英國基林沃思，泰恩河畔紐卡斯?fàn)柆F(xiàn)場組提供。應(yīng)該指出的是，目前文件的用意是要報告方法，而非一套完整的模型，用于預(yù)測液體產(chǎn)品通過紙盒包裝的芯吸速率。例如，只有一個型號的紙箱板材被調(diào)查。該辦法可用于預(yù)測其他類型的紙箱板材芯吸行為。從這個角度來看， 板材結(jié)構(gòu)，在商業(yè)用途中也只有幾種有限的不同類型的紙箱板材。因此，用于預(yù)測工業(yè)上紙箱板的芯吸的數(shù)據(jù)庫是有必要建立的，對液體洗滌劑的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析。這些物理化學(xué)性質(zhì)包括： 密度，表面張力，粘度及粒子大小及其分布。程序確定這些性能和芯吸速率詳況如下。
4.2 . 液體比重的具體測量程序
液體洗滌劑的比重 ρ 定義為單位體積的質(zhì)量。液體洗滌劑的比重測量涉及稱重已知體積的測試液，然后通過把大量的液體分為標(biāo)準(zhǔn)的體積的液體計算特定重量。在本次研究中，100立方厘米容積燒瓶用來衡量100立方厘米液體洗滌劑。一個英國科學(xué)家費(fèi)舍爾發(fā)明的分析天平能夠準(zhǔn)確至四個小數(shù)點(diǎn)由,，可以用來稱量100立方厘米液體洗滌劑。容量瓶中的液體洗滌劑溫度要維持在20攝氏度在每個測量節(jié)水型浴缸所具有的制冷能力過程中。100立方厘米液體洗滌劑的重量需要測定3次之后取平均值。
4.3 .表面張力測量程序
液體的表面張力被定義為“遍及液體表面上沒單位長度上垂直與液體表面垂直的力“ 。有幾種方法測量表面張力，例如，毛細(xì)上升，板塊吊片和落錘。在這項(xiàng)研究中，鉑金戒指被用于一種英國馬爾文井·伍斯特郡提供的表面張力扭秤供應(yīng)的扭秤用品-杜氏張力計中。每個液體樣本要進(jìn)行五次測量，取其平均值為的液體樣品的表面張力。
圖3在內(nèi)部建立芯吸測試裝置的示意圖
4.4.粘度測量程序
布魯克菲爾德模型的DV-II+粘度計（布魯克菲爾德粘度計有限公司，哈洛·艾塞克斯，英國）可用于測定液體的粘度。
4.5 .顆粒大小和粒度分布測量程序
一款名為COULTER N135由貝克曼庫爾特有限公司供應(yīng)的顆粒大小分析儀，可用于分析顆粒大小和粒度分布。
4.6 .芯吸率的估算程序
通過折疊紙板的液體洗滌劑的芯吸率通過與液體洗滌劑的一段相接觸定義好尺寸的折疊紙板的重量增加來決定，在過去一段時間 ，如圖3在內(nèi)部建立芯吸測試裝置 ，被用作芯吸測試。紙盒支撐樣式在圖.4中有更詳細(xì)的顯示。 裝載開放式玻璃罐的紙箱樣品和液體洗滌劑被放置在電烤箱進(jìn)行溫度控制。 紙箱板材按照3× 7厘米的尺寸被切斷以用于芯吸測試。為了估算芯吸率，紙箱樣品的邊沿要蠟封。不過，對于芯吸能力的調(diào)查，未密封的紙箱樣品也被使用。溫度測試機(jī)柜，即電爐，要維持在25攝氏度?
圖.4在內(nèi)部建立紙盒支撐的樣本示意圖
表.1液體洗滌劑的物理化學(xué)性質(zhì)
測試用烤箱內(nèi)的相對濕度要保持在50％ ，可通過使用總共1000立方厘米飽和水溶液硫酸氫鈉（ 1 g/cm3 ），置于在烤箱中。每四個紙箱樣品的重量被測定和記錄要優(yōu)先放置到到玻璃罐中。紙箱樣品每隔24小時從玻璃罐中被取出來，過量的液體洗滌劑可以使用軟體組織去除。在把紙箱樣品放回玻璃罐之前要先稱重以便于芯吸測試。六種液體洗滌劑都要進(jìn)行芯吸測試。
5.結(jié)果與討論
5.1液體洗滌劑的物理化學(xué)性質(zhì)
6種液體洗滌劑具體的重量，表面張力和粘度的調(diào)查，在表1中給出了。從表1中可以看出，該液體洗滌劑的測試調(diào)查報告，這里有各種屬性，特別是粘度和粒子大小。這種屬性的變化致使一個徹底的調(diào)查在芯吸行為和性能的之間的關(guān)系，應(yīng)該指出的是，洗滌劑調(diào)查首先是粒子的種類其次是類似的粒度分布概況。因此，在調(diào)查報告里顆粒尺寸和分布的特點(diǎn)是不作為參數(shù)的。
5.2芯吸行為的觀察
密封的紙箱樣品，經(jīng)過216 小時的芯吸試驗(yàn)，結(jié)果顯示在圖.5。從圖.5中可以看出，無論D1和D2都是具有腐蝕性的洗滌劑通過芯吸進(jìn)入到紙箱包裝材料。芯吸程度上來看，其順序是D1>D2>D3>D6>D4?D5。芯吸程度大小順序的比較，與液體洗滌劑的物理化學(xué)性能的影響有關(guān)，可以看出，液體洗滌劑的顆粒大小和粘度對產(chǎn)生了芯吸產(chǎn)生了重要的影響。因此，具有相對小顆粒和較低的粘度的D1-D3，會造成更大程度的芯吸。從圖.5也可以看到 ，液體洗滌劑芯吸趨向于通過有開放的邊緣類的紙箱樣品。這一跡象表明，通過紙箱的芯吸并不是在很大程度上取決于液體洗滌劑的重量。
在圖.6中顯示了邊封紙箱樣品在芯吸測試9天后的結(jié)果 。
從圖.6可以看出，液體洗滌劑只通過未邊封的紙箱樣品的底部邊緣。從圖.6，也可以清楚的看出D3的表現(xiàn)不同于其他液體洗滌劑。因此， D3通過紙箱的芯吸率要比其他液體洗滌劑高。這可能是因?yàn)镈3有一個非常低的粘度，因此，對紙箱結(jié)構(gòu)有更大的流動性。
在表.2中給出了密封紙箱樣品的重量增加在芯吸測試的各個階段。
從表.2中可以看出，D3的芯吸率最高。也可以看到，該芯吸率大小的順序如下： D3> D1>D2>D6>D5>D4 。這種觀查是更可靠的比那些通用的基于視覺觀察卻不容許估算紙箱樣品的芯吸。
圖.5 216小時芯吸測試后開放邊緣的紙箱樣品的結(jié)果
圖.6 216小時芯吸測試后封邊的紙箱樣品的結(jié)果
表.2
封邊紙箱樣品芯吸時候后的增重
圖.7紙箱樣品增重的測量分布和預(yù)測的比較
5.3芯吸的建模
對于芯吸建模為了獲得c1-c5的系數(shù)我們做了一個嘗試，公式（5）使用得到的數(shù)據(jù)。MAPLE軟件被用來獲得系數(shù)。MAPLE軟件的內(nèi)部線性回歸函數(shù)別用于這個目的。這樣公式（5）被轉(zhuǎn)換成公式（6）。
使用表.1和表.2所給出的數(shù)據(jù)，基于公式(7)一系列的方程式被建立。例如使用數(shù)據(jù)來關(guān)聯(lián)洗滌劑芯吸后紙箱的增重D1，公式(8)可以被建立
圖.8增重對各種液體洗滌劑物理化學(xué)性質(zhì)的依賴關(guān)系
基于6種洗滌劑的增重數(shù)據(jù)，總共有60個類似于公式（8）的方程式。（對于各個洗滌劑，10克的重量增加分別在18,23,48,72,96, 68,192,216,240和264小時時候獲得）
使用MAPLE軟件的一個功能，得到 c1-c5的系數(shù)最適合的系數(shù)，分別是：
紙箱板材樣品的增重和液體洗滌劑表面張力，粒子大小，粘度和密度之間的關(guān)系，可以通過公式（9）表達(dá)：
精確的芯吸模型用公式（9）可以代表，這個可以通過與紙箱樣品的預(yù)測增重的測量值相比較來評判。因此紙箱樣品的預(yù)測增重和測量值在圖.7中顯示。從圖中可以看出模型給出了相對準(zhǔn)確的預(yù)測關(guān)于紙箱樣品對于洗滌劑的芯吸。
5.4液體洗滌劑芯吸性能的依賴性
基于芯吸模型，公式（9），使液體洗滌劑的芯吸率形象化變得可行?；诠剑?）的三維圖標(biāo)曲線通過圖.8顯示。
從圖.8可以看出，紙箱樣品的增重對于液體洗滌劑的顆粒大小及分布更有依賴性。在信息過程中，液體洗滌劑的顆粒大小及分布影響芯吸的增加。
6．結(jié)論
可以得出結(jié)論認(rèn)為，通過紙箱包裝的液體洗滌劑的芯吸率是依賴于液體洗滌劑物理化學(xué)性質(zhì)如顆粒大小的特點(diǎn)，粘度，重量和表面張力等各種物理化學(xué)性質(zhì)，粒子尺寸的特點(diǎn)和粘度對液體洗滌劑的芯吸有較顯著的影響。因此，液體洗滌劑有較大的粒子和較高的粘度，會有一個較低的芯吸率。反之液體洗滌劑芯吸率增加。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)通過調(diào)查報告，一個數(shù)學(xué)模型為了模擬由于液體洗滌劑的芯吸造成的增重和液體洗滌劑的物理化學(xué)性質(zhì)，即平均粒徑，粘度，具體的重力和表面張力之間的關(guān)系。這一模式給出了比較準(zhǔn)確的預(yù)測對于紙箱的增重由于洗滌劑芯吸的各種物理化學(xué)性質(zhì)。這一模式可用于包裝業(yè)挑選紙盒包裝材料的應(yīng)用上，能夠輕松的得到液體洗滌劑物理化學(xué)性質(zhì)。
這原理與通過紙盒包裝的液體洗滌劑的芯吸模型的建立是密切關(guān)聯(lián)的，通過這里的調(diào)查報告的發(fā)展，可用于通過包裝材料的芯吸或擴(kuò)散模型的未來發(fā)展。
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