Контроль герметичности упаковки: как выбрать камеру и метод

Негерметичная упаковка может терять газ, пропускать воздух или выпускать продукт через повреждённый шов. Вакуумные испытания помогают обнаружить такие дефекты: давление снаружи упаковки снижают и наблюдают выход газа либо измеряют изменение давления в испытательной полости.

Для поиска канала в шве часто достаточно пузырькового контроля. Для автоматической сортировки по измеренному сигналу применяют метод роста давления в откачанной камере. Камеру подбирают после выбора метода, поскольку для этих испытаний нужны разные оснастка и измерительное оборудование.

Как работает пузырьковый контроль

Упаковку погружают в жидкость внутри прозрачной камеры. При откачке давление над жидкостью уменьшается. Когда давление газа внутри упаковки выше давления жидкости возле дефекта, газ может выходить через канал. Для появления пузырьков перепада должно хватать, чтобы преодолеть сопротивление канала и поверхностное натяжение жидкости. При этом пакет может раздуваться: его газовая полость увеличивается по мере снижения внешнего давления.

В месте погружения на упаковку действует также давление столба жидкости. Поэтому давление в камере и перепад непосредственно на стенке пакета различаются. Чем глубже расположен канал, тем больше давление жидкости снаружи; положение образца влияет на условия выхода газа.

Пузырьковый метод ASTM D3078 предназначен для поиска сравнительно крупных течей в гибкой упаковке, содержащей газовую полость. В открытом описании стандарта отдельно отмечено, что продукт может перекрывать мелкие каналы под действием внутреннего давления.[1]

Поэтому одинаковые пакеты с воздухом и с густым соусом способны вести себя по-разному. Газ должен добраться до входа в канал. Если шов покрыт продуктом изнутри, наблюдаемого выхода может не быть даже при повреждении.

При погружении на складках и поверхности остаётся воздух. Отдельные пузырьки, оторвавшиеся в начале испытания, ещё не указывают на сквозной дефект. При наблюдении ищут повторяющееся образование пузырьков из одного места и проверяют его связь с швом или повреждением оболочки. Время наблюдения и признаки брака задают для выбранной упаковки.

Что означает результат без пузырьков

Пузырьки позволяют найти место выхода газа. По их наличию нельзя определить чувствительность гелиевого контроля или присвоить упаковке численный предел утечки. На образование пузырьков влияют смачивание канала, свойства жидкости, содержимое пакета и перепад давления.

Отрицательный результат имеет смысл, когда известно, что нужный дефект обнаруживается в этих условиях. Для этого испытывают обычные упаковки и упаковки с контрольным дефектом, сохраняя продукт, заполнение и положение образца. Ограничения обнаружения мелких течей и зависимость результата от продукта описаны в D3078.[1]

Если пакет почти полностью заполнен жидкостью, доступного газа может оказаться мало. Более мощный насос эту проблему не решает. Дальнейшее снижение давления может увеличить нагрузку на шов и изменить упаковку, которую собирались проверить. Для такого изделия рассматривают другую подготовку образца или другой метод.

Как измеряют рост давления в камере

При испытании по методу vacuum decay, то есть по потере вакуума, упаковку помещают в сухую измерительную полость. Её откачивают, изолируют от насоса и регистрируют рост давления. Через дефект в полость может поступать газ из упаковки или пар жидкости, находящейся возле канала. Именно такой измерительный признак описан в ASTM F2338.[2]

Сам датчик не различает, откуда пришёл газ. Негерметичное уплотнение камеры, влага на поверхности и газовыделение материалов тоже меняют давление. Для сортировки упаковок полезный сигнал должен различаться на фоне этих процессов.

Свободный объём вокруг образца влияет на величину изменения давления: при поступлении одинакового количества газа в меньшем объёме давление изменится сильнее. Поэтому для серийного изделия применяют подходящую по форме полость и повторяемую укладку. Гибкий пакет дополнительно меняет этот объём при деформации. Если он касается стенки и закрывает повреждение, сигнал может уменьшиться.

У упаковки с пористой крышкой газ проходит и через исправный материал. Для испытаний по F2338 такую поверхность маскируют или изолируют, сохраняя возможность проверки нужного соединения.[2] Оснастку приходится проектировать под конкретную крышку и зону шва.

Как выбрать метод для заполненного пакета

Например, на производстве нужно найти канал в термосварном шве пакета с соусом. Пузырьковая проба удобна для разборки причин брака: оператор видит, где выходит газ, и может сопоставить это место с загрязнением или складкой в шве.

При пробе меняют положение пакета так, чтобы понять влияние продукта на доступ газа к контрольному каналу. Если канал обнаруживается только выше уровня соуса, выбранная процедура не охватывает возможные дефекты под продуктом. Тогда меняют условия проверки или переходят к другому методу. Испытание пустого пакета не показывает, что получится на заполненном.

Для автоматического контроля без погружения рассматривают измерение роста давления. Здесь потребуется проба с тем же продуктом: его пары и температура способны изменить сигнал. Режим, подходящий для сухого лотка, нельзя сразу переносить на пакет с жидкостью.

Когда нужно испытание транспортной нагрузкой

При перевозке на высоте внешнее давление падает, и упаковка с газовой полостью может раздуваться. В таком испытании проверяют, выдержит ли она нагрузку: не откроется ли крышка, не разойдётся ли шов, не вытечет ли продукт. ASTM D6653/D6653M описывает оценку воздействия перепада давления при транспортировке.[3]

Эта задача отличается от поиска малой течи. Упаковка может выдержать нагрузку и всё же пропускать газ через небольшой канал. Кроме того, газ способен проникать через сам материал без сквозного повреждения. Чтобы оценить сохранность продукта при хранении, отдельно рассматривают барьерные свойства оболочки.

Что учитывать в конструкции камеры

Для пузырькового контроля нужны обзор шва, освещение, совместимая с упаковкой жидкость и держатель, который не закрывает проверяемые места. Камера должна выдерживать внешний перепад давления; прозрачную ёмкость бытового назначения для этого не используют. Условия камеры и совместимости жидкости указаны в открытом описании D3078.[1]

Для измерения роста давления важнее стабильный свободный объём, герметичная арматура и датчик подходящего диапазона. Быстросменная оснастка полезна при разных размерах упаковки, но для каждого размера проверяют фон и отклик на дефект.

До заказа передают реальные образцы, диапазон заполнения, материал оболочки и описание брака. По ним можно проверить, как образец деформируется, остаётся ли канал открытым и какой сигнал удаётся получить. Эти наблюдения определяют размеры камеры и длительность рабочего цикла гораздо точнее, чем общее требование «проверять герметичность».

Источники

[1] ASTM D3078-02(2021)e1 — публичная область применения.

[2] ASTM F2338-24 — публичная область применения.

[3] ASTM D6653/D6653M-13(2021) — публичная область применения.