柔性聚乙烯容器装料颈热焊接参数优化及真空压实条件下焊接接头强度研究

《Polymers》：Optimization of Thermal Weld Parameters for the Loading Neck of a Flexible Polyethylene Container

　　

本研究针对柔性聚乙烯容器在真空压实饲料过程中承受外部压力时的焊接接头密封性能，开展了实验与数值研究。研究目标是提高在真空表压高达75 kPa条件下焊缝的可靠性。研究人员开发了一个三维瞬态热传导模型（3D transient heat-conduction model）以研究聚乙烯薄膜在热封过程中的热行为。研究采用ANSYS Fluent软件基于有限体积法（Finite Volume Method）求解了热传导控制方程，使用了基于压力的瞬态求解器（pressure-based transient solver）和一阶隐式时间离散（first-order implicit time discretization）格式。研究确定了薄膜内选定位置处的温度分布及其随时间的演变，记为T(t)。研究在热封温度选定为175 °C的条件下，实验评估了高达75 kPa压力载荷作用下薄聚乙烯薄膜焊接接头的强度，该强度被表示为焊接缝宽（weld-seam width）和夹持力（clamping force）的函数。研究采用厚度为200 μm的高密度聚乙烯薄膜（High-density polyethylene film, PE-180）制备了尺寸为100 × 100 mm的实验样本。实验结果采用实验设计（Design of Experiments）方法进行分析，并开发了一个回归方程（regression equation）以描述焊接接头强度对焊接缝宽和夹持力的依赖关系。数值与实验研究结果相结合，为选择适当的热封参数（heat-sealing parameters）以提高真空引起的载荷作用下柔性聚乙烯容器焊缝可靠性提供了依据。

畜牧业生产的可持续发展高度依赖饲料的稳定供给，这一挑战在干旱与半干旱地区尤为突出。对于拥有大面积草原与荒漠的国家而言，通过青贮玉米等多汁饲料作物建立冬季及干旱期的战略储备具有重要意义。成功的青贮保存依赖于饲料充分酸化、隔绝氧气和水分控制三个基本条件，其中在整个储存期内防止氧气侵入尤为关键，特别是在储存期延长至15个月且环境条件多变的情况下。氧气渗入会促进酵母、霉菌等好氧微生物繁殖，导致干物质损失与好氧稳定性下降。包装密度作为决定饲料堆孔隙率与氧气渗透速率的关键物理参数，直接影响上述过程。真空辅助压实（vacuum compaction）被认为是控制包装密度与提升青贮保存效果的有效途径。然而，用于真空压实的柔性容器，其颈部焊缝是在现场条件下形成的，必须承受真空压差引起的机械应力以及压实饲料在搬运、运输和储存过程中产生的各种作用力。该焊接接头的失效将直接导致真空丧失、氧气侵入及储存饲料的劣化。聚乙烯薄膜热封接头的可靠性主要受密封温度、施加压力与保温时间制约，且焊接形成与强度不仅取决于加热元件温度，更受薄膜–薄膜界面实际温度的影响。由于薄聚乙烯膜厚度微小且加热过程具有瞬态特征，实验测定其内部温度分布极为困难。现有数值研究多聚焦于厚度超过0.5 mm的热塑性材料，而薄聚乙烯膜在真空载荷下焊接接头的力学可靠性研究相对匮乏，焊接缝宽与夹持力的联合效应亟待深入。因此，开展本研究以提升柔性聚乙烯容器在真空表压高达75 kPa下的焊接接头可靠性，可为柔性饲料储存容器热封参数的选择提供依据，具有重要的工程意义。

研究人员结合数值仿真与实验测试，系统研究了聚乙烯薄膜热影响区的瞬态热传导行为，并评估了焊接工艺对200 μm厚聚乙烯薄膜（PE-200）接头抗破裂性能的影响。研究通过建立三维瞬态热传导模型揭示焊接区域温度场分布规律，同时采用实验设计（Design of Experiments）方法，以破裂压力（rupture pressure, P）为响应值，定量分析了焊接缝宽（weld-seam width, b）与夹持力（clamping force, F）对焊接接头强度的联合作用，并构建了二阶回归方程。研究得出，焊接过程呈现显著的局部化加热特征，温度随离加热元件距离增加而迅速衰减；焊接缝宽、夹持力及其交互作用对接头破裂压力具有统计显著性影响，但模型存在失拟（lack of fit），尚不能直接用于精确优化。本研究成果为柔性聚乙烯容器热封参数的选择提供了理论依据与实验基础。

研究采用的关键技术方法主要包括以下三方面。首先，基于ANSYS Fluent软件平台，采用有限体积法（Finite Volume Method）构建了聚乙烯薄膜焊接区域的三维瞬态热传导数值模型，运用基于压力的瞬态求解器（pressure-based transient solver）与一阶隐式时间离散（first-order implicit time discretization）格式求解热传导方程，获得了焊接区在不同时刻的温度场分布及监测点温度–时间演变曲线。其次，采用实验设计方法规划多因素实验方案，以破裂压力为响应指标，系统考察焊接缝宽与夹持力两个因子对焊接接头强度的影响规律，并运用二次多项式回归建模。第三，利用功率为0.65 kW的DBF-900W连续焊接机，在175 °C恒定温度、3 s热暴露时间条件下制备PE-200薄膜焊接试样，通过自行搭建的真空负压试验装置对试样施加高达75 kPa的压力，记录其破裂时的真空压力值以评定焊接强度。

3.1. Numerical Results（数值结果）
研究人员通过数值仿真获得了聚乙烯薄膜焊接区域在不同时刻的温度分布云图，并追踪了加热元件正下方及侧向距离5 mm、9 mm处监测点的温度–时间曲线T(t)。结果表明，在加热元件正下方的监测点，温度在初始0.1 s内迅速上升，随后加热速率逐渐降低，3 s时达到约442 K，接近加热元件设定温度450.15 K；而位于距加热轴5 mm和9 mm处的监测点，对应温度分别约为376 K和317 K。上述结果说明焊接过程中的热效应随侧向距离增加而显著衰减，加热具有明显的局部化特征，这为估算热影响区有效宽度及评价焊接接头形成所需的热条件提供了依据。

3.2. Experimental Results（实验结果）
通过系统的多因素实验，研究人员测定了不同焊接参数下聚乙烯薄膜试样的真空破裂压力。实验数据处理发现，在所研究的参数范围内，真空破裂压力估值在0.080至约0.094 MPa之间。研究建立了破裂压力P（MPa）与焊接缝宽b（mm）及夹持力F（N）之间的二阶回归方程，响应面（response surface）分析显示破裂压力在研究范围内变化较为平滑。对全部100个试样的破坏状态观察表明，破裂均发生在焊接缝邻近的聚乙烯薄膜区域，而焊接缝本身保持完整，说明在实验加载条件下，焊接界面未直接发生分离，接头具备承受压差载荷的能力。

讨论部分：
柔性聚乙烯薄膜焊接接头的可靠性对于真空包装与保存多汁饲料（如苜蓿青贮）的柔性容器尤为关键。在真空压实过程中，容器壁与焊缝承受由内外压差引起的机械应力。焊接可靠性取决于密封温度、焊接缝宽与夹持力等技术参数。在薄聚乙烯膜中，过度加热可能导致聚合物材料大幅软化与位移，造成焊接区域局部减薄；过大的夹持力也会促使材料挤出并降低接头有效厚度，而夹持力不足则无法保证软化聚合物表面的紧密接触，从而限制连续焊接界面的形成。本研究的数值结果揭示了局部化加热行为与热影响区的空间分布特征；实验二阶回归模型虽能解释约74.2%的破裂压力变异（R² = 0.742），但统计上显著的失拟表明该模型尚未完全捕捉实验响应，需要进一步的实验验证与模型修正。研究同时观察到试样破坏均发生于焊缝邻近薄膜而非焊缝本身，说明在所考察的200 μm聚乙烯膜热封参数条件下，焊接界面具备承受压差而不直接分离的潜力，但热影响区的局部减薄可能影响整体破坏抵抗能力。未来研究应考虑将温度相关的热物性参数、相变及熔融聚合物跨界面扩散纳入数值模型，并评估焊接接头在环境温度变化和太阳辐射等实际环境条件下的长期耐久性。

研究结论部分翻译：
本研究针对用于真空压实与储存多汁饲料的柔性聚乙烯容器，考察了薄聚乙烯薄膜热封焊接接头的可靠性，采用了数值与实验相结合的方法研究了焊接过程中的瞬态传热，并评估了焊接缝宽与夹持力对压力致破裂抗力的影响。主要结论如下：
第一，建立了用于研究聚乙烯薄膜在热封过程中温度分布的三维瞬态热传导模型。数值结果表明，焊接过程中发生快速局部化加热，且温度随离加热元件距离的增加而显著下降。该模型为估算热影响区范围及评价焊接接头形成过程中的热条件提供了基础。然而，该模型尚未考虑相变、熔融聚合物跨焊接界面的流动以及高分子链扩散等因素。
第二，通过实验确定了焊接缝宽与夹持力对聚乙烯薄膜试样破裂压力的联合影响。在所研究的焊接参数范围内，实测破裂压力在0.080至0.094 MPa之间。对全部100个试样的目视检查显示，破裂均发生在邻近焊接区域的聚乙烯薄膜上，而焊接缝保持完整。这一观察结果表明，在所研究的加载条件下，焊接界面对分离具有抵抗能力。
第三，建立了描述破裂压力与所研究焊接参数之间关系的二阶多项式回归模型。方差分析表明，焊接缝宽、夹持力及其交互作用具有统计显著性效应。模型解释了约74.2%的破裂压力观测变异（R² = 0.742）。然而，统计上显著的失拟表明，在将该模型用于精确定量预测与优化之前，仍需进一步的模型修正与实验验证。
综合数值与实验结果，本研究为选择热封参数以提高饲料保存用柔性聚乙烯容器的焊接可靠性提供了依据。后续研究应关注将温度相关热物性、相变及熔融聚合物流动纳入数值模型，并评估焊接接头在环境温度变化与太阳辐射等环境影响下的长期耐久性。