阻隔性塑料包装薄膜的发展_涂志刚

阻隔性塑料包装薄膜的发展

涂志刚1,2,吴增青2,麦堪成1

(1.中山大学,广东广州510275;2.广东湛江包装材料企业有限公司,广东湛江524022)[摘要]　阐述了塑料包装薄膜的功能化发展趋势。从目前国内发展较快的阻隔性塑料包装薄膜方面,对比分析了各种阻隔性树脂材料的特点,以及阻隔性塑料包装薄膜生产工艺技术的最新发展。

关键词:　包装;薄膜;阻隔;功能

中图分类号:TQ324;TQ314.24　文献标识码:B 　文章编号:1001-3563(2003)06-0001-03

Development of Barrier Plastics Film for Packaging TU Zhi -gang

1,2

,WU Zeng -qing 2,M AI Kan -cheng

1

(1.SunYat -sen Univers ity ,Guan gzhou 510275,China ;　　　　　　　　　　　　2.Zhanjiang Packaging Material Enterprises Ltd .,Zhanjiang 524022,China )

Abstract :　The development trend of functional plastics film for packaging is discussed .The characters of several kinds of barrier resins and the latest develop ment of the technologies on producing plastics film for pack -aging with barrier function are comparatively analyzed in detail .

Keywords :Packaging ;Film ;Barrier ;Function

收稿日期:2003-06-11;修订日期:2003-09-15

作者简介:涂志刚(1969-),男,中山大学在站博士后,主要从事高分子材料的成型加工及挤出的计算机模拟研究,发表论

文20余篇。

　　改革开放二十多年来,我国塑料包装行业得到稳步的高速发展,已经从一个初期分散性的行业发展成为的、产品门类齐全的现代化产业体系。据预测,到2005年我国塑料包装材料领域的市场年需求将达到550万吨,年均需求增长率为10%,在塑料制品行业中增长速度最快,是具有广阔发展前景的朝阳产业。其中,薄膜是用量最大的塑料包装材料,由于其无毒、质轻、包装美观、成本低的特点,因而应用领域在不断拓展,几乎渗透到工农产品和日常生活用品的各个方面,塑料包装薄膜行业的投资正在快速增长。因此,把握国际、国内塑料包装薄膜的技术和市场发展的总体趋势,对于审时度势地进行前瞻性正确决策具有重要现实意义。

1　塑料薄膜的功能化发展趋势

随着社会的发展和人们生活水平的提高,产品的分类越来越细,对于产品的包装并不仅仅局限在视觉效果上,而是要根据产品的特点和市场的需求,朝功能化、多样化方向纵深开发。近年来,技术的进步使得塑料包装薄膜的功能化发展趋势日渐明显,高要求、高技术含量的塑料包装薄膜正成为许多企业的支柱产业和研发目标,其包装功能是多样的,除对一般薄膜的抗静电、抗粘连和爽滑性要求外,主要通过原材料、助剂或工艺的调整赋予包装薄膜某些特殊的功能,如适应香烟和饮料包装挺括性与紧贴性需要的热收缩性、适应蔬菜和水果包装需要的透气性、适应电子元件包装需要的导电性、适应可透视包装需要的高光学性能、适应金属设备和仪器包装需要的防锈性以及日益在食品、化妆品、医药方面广泛需要的阻隔性和抗菌性等,薄膜的功能化提高了产品的附加值[1]。其中阻隔性塑料包装薄膜是目

前发展最快的功能薄膜之一。据著名的英国Pira 国际集团公司近期发布的一份《未来5年欧洲8个高利润包装市场发展趋势》的研究报告,该报告提供了欧洲300家相关包装

涂志刚等　阻隔性塑料包装薄膜的发展

在我国,阻隔性包装薄膜处于推广使用的增长期,国内生产的阻隔性薄膜大多应用在低端产品的包装,性能优良的阻隔性薄膜还需要大量进口,因此市场发展空间很大。

2　阻隔性树脂

阻隔性能是指对小分子气体如氧、水汽、液体及气味等的屏蔽能力,阻隔性薄膜主要用于食品和医药包装,确保包装物在储存、运输过程中保香保味不变质,以延长其保质期和货架寿命。随着生活节奏的加快和生活水平的提高,各种方便食品如肉制品、乳制品、淹卤制品等的需求量越来越大,对医药产品的质量要求也越来越高,此外阻隔性塑料薄膜也广泛应用在化妆品、茶叶、化学试剂、农药、香料、饲料等产品的包装,因此阻隔性薄膜已成为各国竞相开发的热点[2]。

在阻隔性塑料薄膜中阻隔性树脂的使用是关键[1～3],主要有聚乙烯醇(PVA)、乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)、偏氯乙烯共聚物(PVDC)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PE N)、特殊尼龙(MXD2)、尼龙(PA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等,在这些阻隔性树脂中,PVA、EVOH、PVDC、PE N属于高阻隔性材料,最常用的是PVDC和E VOH,而PA与PET的阻隔性相近,属于中阻隔性材料。研究表明,PVA具有最好的阻氧性能,但是由于含有大量的羟基,其透湿性较大,对水敏感;把乙烯醇与乙烯共聚得到的EVOH(一般乙烯含量为25%～45%)减少了材料中的羟基,因此其阻湿性能大大改善,尽管透氧率有所提高,但仍然是比PVDC优良的高阻隔性材料,PVA与EVOH的缺点在于材料中的羟基易与环境中的水结合成氢键,其阻湿性能受湿度影响较大,因此只能用于芯层;PA有一定的阻隔性,但吸湿率大而影响阻隔性,所以一般也不能作外层;经过改性的特殊尼龙MXD2的耐热性更好,吸湿率低,阻隔性随温度和湿度的增加而下降很少,因此尽管开发较晚但其发展应用却很快。PVDC是最早开发的高阻隔性材料,使用历史较长,从80年代开始广泛用于食品包装,国内主要用作肠衣膜,PVDC具有极好的阻氧阻湿性能,但是由于含氯而受到环保人士的反对,在欧洲的一些国家属禁用材料。PEN是一种综合性能优秀的高阻隔性材料,但其价格昂贵,推广应用受到。

在新材料的开发方面,美国、日本等国家的专业生产企业做了大量的工作,通过改性技术各种具有新功能特性的新牌号树脂不断推出,如吹塑级PVA和PVDC、可拉伸的EVOH、阻隔性茂金属聚丙烯等,因此在原料的使用方面,国内企业具有更宽的选择面。

3　阻隔性塑料包装薄膜的生产工艺[4～7]

由于材料自身特性的局限性或价格的因素,一般阻隔性材料都不单独使用,为了满足不同商品对阻隔性的要求,软塑包装已经由原来的单层薄膜的生产,向多品种、多功能层次的复合包装膜发展,目前使用得最为普遍的阻隔性塑料包装薄膜的复合技术有4种:干式复合法、涂布复合法、共挤出复合法和蒸镀复合法。

3.1　干式复合法

干式复合法是以各种片材或膜材作基材,用凹版辊在基材表面涂布一层粘接剂,经过干燥烘道烘干发粘后,再在复合辊上压贴复合。这是目前国内最常用的一种复合膜生产方法,干式复合的特点是适应面广,选择好适当的粘接剂,任何片材或膜材都可以复合,如PE膜、PP膜、PET膜、PA膜等,而且复合强度高,复合速度快。但在这几种方法中,干式复合成本最大,另外由于粘接剂用量一般在2.5～5(g·m-2)(干固量),因此有溶剂的残留和环境污染问题存在。

3.2　涂布复合法

涂布复合法的工艺比较简单,对于较难单独加工成膜的阻隔性树脂,如PVA、PVDC等均可以采用涂布复合。PVA的熔融温度为220～240℃,分解温度200℃,要加工成薄膜需要添加增塑剂和稳定剂,以提高热分解温度,降低熔融温度,生产PVA系聚合物薄膜的设备和技术都很昂贵,国内声称已经开发了PVA的制膜技术,并且已开始规模化生产[6]。同样的原因PVDC也难以单独成膜。所以,目前对于PVA和PVDC的使用较为成熟的技术是涂布工艺, PVA是水溶性的,在实际使用中采用水和乙醇的混合物作溶剂,在PE或PP薄膜上涂布4～6μm的厚度PVA,由于PVA的耐水性较差,可以采用在PVA溶液中添加交联剂以提高其耐水性,同时也提高了PVA与PE、PP的附着力,可省去底涂,为了制袋方便,涂布PVA的PE或PP膜可以与其它膜进行干式复合,形成涂布PVA/PE(或PP)/LDPE结构的复合薄膜,这种膜的阻隔性能好,抽真空效果比PA/ LDPE还要好,成本比较低。用于涂布的PVDC是偏氯乙烯与丙烯酸酯单体进行乳液聚合的共聚物,加上适当的溶剂和添加剂后,涂覆于玻璃纸、BOPP、尼龙和聚酯上面,使之具有良好的阻湿阻气性能和热封性能,PVDC使用的最大问题在于其安全卫生性,一般认为单体含量应小于1×10-6。

3.3　共挤出复合法

包装工程　PAC KAGING ENGINEERING Vol.24No6.2003共挤出复合法是利用多台挤出机,通过一个多流道的复合机头,生产多层结构的复合薄膜的技术。这种方法对设备特别是机头设计和工艺控制的要求高,近年来随着机械加工和制造技术的成熟,共挤出复合法得到较快发展,从最早的2层到现在的9层复合膜都可以生产,根据功能的需要,可选择不同的材料,比如一种典型的7层复合膜,其芯层是EVOH,夹在2层尼龙膜之间,提高了阻隔性能,减薄了膜的厚度,外层用粘接剂复合PE或EVA作热封层,这样确保了包装的需要,又降低了成本。据有关调查表明,发达国家的共挤包装薄膜占整个软塑包装材料的40%,而我国仅占6%,因此多层共挤技术在我国将有很大的应用空间,原因是多方面的,首先是设备投入相对不大,相对于国内许多企业的双向拉伸设备而言,共挤出设备简单;其次,共挤出技术日趋成熟;而且多层共挤出材料的选择范围广,各层厚度可以调节,复合薄膜产品的适应性强,而且省了多次复合过程,因此生产成本大大降低,据称生产相同结构的复合包装材料采用共挤出复合工艺比其它复合工艺可以节约30%的成本。随着薄膜表面印刷油墨的开发和表面印刷技术的提高,预计共挤出复合技术将得到更大的发展。从工艺上来说,共挤出复合包括共挤吹膜和共挤流延2种方法[7]。据W&H公司最新介绍,用于生产多层(3层、5层、7层)阻隔复合薄膜的吹膜生产线,最大产量达1000kg/h;厚度可控制在7～25μm,在满足功能需要的条件下,超薄型薄膜节约了资源,减少了包装废弃物,符合环保要求;由于采用了新的技术,气泡更加稳定,对薄膜厚度偏差的控制更加精确;目前国内也开发了5层共挤出阻隔性薄膜吹塑设备,但其产品一般适用于低端市场的需要。

共挤出复合法的另一种工艺是共挤出流延,流延薄膜是聚合物熔体通过T型平缝模头,在冷却辊上骤冷而生产的一种无拉伸平挤薄膜。我国流延薄膜的生产始于80年代从日本和德国引进的单层流延生产线,到90年代中期引进的3层或5层的共挤流延设备,国外已出现7层和9层的薄膜结构的生产线。目前国内有流延薄膜生产线近50条,年总产能达16.5t左右,近年来,由于多层共挤吹膜的发展迅猛,冲击了流延薄膜的部分市场,因此其需求相对疲软。但是随着新材料的开发和新设备的使用,提高了生产效率,增加了产品的类型,新的应用领域不断拓宽,流延膜的制造正在进入新一轮投资热潮。

3.4　蒸镀复合法

蒸镀复合法是以有机塑料薄膜为基材与无机材料复合的技术,致密的无机层能赋予材料绝佳的阻隔性能。最典型最常见的蒸镀复合是真空镀铝技术,在高真空条件下,通过高温将铝线熔化蒸发,铝蒸气沉淀集聚在塑料薄膜表面,形成一层厚约35～40n m的阻隔层,作为基材的塑料薄膜可以是PE、PP、PE T、PA、PVC等,真空镀铝膜具有优良的阻隔性能,在不要求透明包装的情况下,镀铝膜是最佳的选择,尽管镀铝层很薄,但是其阻隔性能达到透湿<0.1g/m2·24h,透氧<0.1cm2/m2·24h,其阻隔性能不受湿度的影响;镀铝膜的保香性好,具有金属光泽,装饰美观,但不透明,包装内容物不直观;耐曲揉性差,揉折后易产生针孔或裂痕,从而影响阻透性。为了改善镀铝膜的不足,最新的技术之一,是采用在塑料薄膜上镀氧化硅(SiO X),其中SiO X是Si2O3与Si3O4的混合物,工艺上可采用物理沉积法和化学沉积法,镀氧化硅膜的无机层致密,厚度仅0.05～0.06μm,阻透性优于一般共挤出膜和PVDC涂覆膜,除此之外,而且具有很好的透明性、耐揉曲性、耐酸碱性、极好的印刷性,适应在微波炉中使用,燃烧处理的残渣很少。可以用于蒸镀的原料除SiO X外,还有Al2O3、MgO、TiO2等。其次是镀金属可视阻透膜的开发,日本Toyobo公司在1998年首次推出这种以PE T或PA为基材的阻隔膜,不仅比镀氧化硅膜的阻隔性好,而且稳定性更高。

在阻隔性塑料包装新材料的研究方面,纳米技术也发挥了其独特的作用,德国Bayer和美国Nanocor把纳米级的改性硅酸盐粘土分散在PA基体中制成了阻隔性良好了薄膜材料;日本纳米材料公司采用微晶涂层工艺,把纳米硅灰石和二氧化硅涂于BOPP、PET和PA薄膜表面,开发出了性能优良的高阻隔性薄膜。

4　结　语

近年来,在日本、欧洲阻隔性薄膜的消费量每年以10%左右的速度增长;而美国阻隔性树脂的消费年均增长13.6%,尽管在我国阻隔性薄膜只是近几年才引起薄膜生产企业的重视,但早已在食品、医药等行业得到广泛的应用,消费市场巨大,有很大的发展空间,发展速度也很快,国内许多相关企业都在根据人们的生活习惯和各类阻隔性包装的实际要求,认真研究相关的包装市场,找准切入点,以期有所收获。

综观阻隔性材料的开发及其包装薄膜生产工艺技术的发展状况,笔者认为有一点应该引起我国相关部门的重视,无论是阻隔性原料树脂,还是阻隔性薄膜的生产设备和相关工艺技术,国内科研院所和企业的自主开发能力缺乏,严重依赖进口,国内绝大多数企业实际上还停留在来料加工的初级阶段,包装行业技术整体落后的局面依然没有缓解,随着产品的分类细化和生产设备的专业化,国内外技术的

(下转第11页)

涂志刚等　阻隔性塑料包装薄膜的发展3　对移成型

非管非盘式折叠纸包装通过对移,即盒坯两部分纸板相对位移一定距离而拉动其他部分成型。

图4所示平面盒坯当沿水平对折线将上下两部分对折后,3号垂直裁切线的左右两部分相对位移距离B并部分

交错,从而拉动其他部分成型为图1b的立体盒型

。

图4　对移成型

4　正-反揿成型

所谓正-反揿成型,就是在纸包装盒体上有若干两面相交的结构点,过这类结构点即正-反揿点的一组结构交叉线中,同时包括裁切线、内折线和外折线,以该裁切线为界的两局部结构,一为内折即正揿,一为外折即反揿。

正-反揿成型利用纸板的耐折性、挺度和强度,在盒体局部进行内-外折,从而形成将内装物固定或间壁的结构。这种结构不仅设计新颖,构思巧妙,而且成型简单,节省纸板,是一种经济方便的结构成型方式。

　　图5a是正-反揿式盒底结构。在过两面相交结构点o 和B的一组线中,a1b1为裁切线,a1a、b1b和B1B为内折线,o1o为外折线,通过a1a、b1b与o1o的正-反揿,使盒底成为一“十字漏空”底

。

图5　正-反揿结构

a正-反揿盒底结构　b正-反揿盒体固定结构

　　图5b在盒角处采用正-反揿方法成型“漏空”内凸出物aob与cpd,以这样的结构固定内装物。这里在两条裁切线a1b1和ab范围内,a1a、b1b为内折,O1O为外折。

如果用这样的方法,把“漏空”推广到分隔盒体,就可以设计图1c这类间壁包装,其结构展开如图6所示

。

图6　6瓶饮料间壁包装盒平面结构图

5　结　语

纸包装的点、线、面、体、角等结构要素是由平面纸板成型为主体包装的关键因素;管式、盘式、管盘式折叠纸包装的立体结构通过旋转成型;非管非盘式折叠纸包装的主体结构通过对移成型;部分封底、固定、间壁的局部结构通过正-反揿成型。

[参考文献]

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[2]　千田建一,纸器.段ボール编,月刊CAR TON·BOX,1999.

[3]　奥村喜代一,纸器制造のABC,月刊CAR TON·BOX,1994.

(上接第3页)

实质性差距在继续扩大,从原料、设备和工艺技术等都将受制于国外公司,国家行业发展规划机构应当出台相关法规,积极引导国内企业在引进设备和技术的基础上认真消化吸收,提高自主创新的能力。

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孙诚等　平面成型纸包装结构基本要素的研究