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多层软包装的应用技术

2022-04-29 来源:十堰农业机械网

多层软包装的应用技术

随著包装行业的发展,塑胶制品的需求量急速上升。尤其是塑料薄膜,在各种领域都有非常广泛的应用前景。由于任何单一塑料薄膜均无法满足软包装的总体需要,近年来,多层复合膜以其优异的阻隔性、耐化学性、耐高低温性及力学性能等综合优势,广泛用于食品、肉类、海鲜、粮食及化工产品的各个领域。其中起关键作用的是阻隔层材料。

所谓阻隔材料是指在标准状态下(23度,65%相对湿度)25.4μm的薄膜透氧量在5ml/m2.d以下,且透湿量在2g/m2.d以下的材料。为了保持食品风味,食品加工厂一直在寻求合适的阻透性包装物,以延长那些对水蒸汽尤其是对氧敏感的食品货架寿命。食品原料中含有芳香成份或者加工过程中产生理想的挥发成份,所以必须采用保香性良好的包装材料。此外,在贮藏中油脂、色素等食品成份有可能发生氧化或因氨基酸产生的褐变等反应而产生异味,其原因是包装容器内有残存氧气和从包装材料外部透入的氧气。因此,从保持食品的质量和风味来看,最重要的阻透性是氧气阻透性。

常用的阻透性薄膜特性

PVDC

PVDC(聚偏氯乙烯)可由VDC (偏二氯乙烯)通过乳液或悬浮法聚合制成。PVDC树脂一般含VDC75%-90%(w)。VDC的聚合物和共聚物的显著特性是气、液低透过性、阻隔性和耐化学药品性,但由于其性质坚硬、软化点高、对热不稳定,加工成型相当困难。若与其他单体如氯乙烯、丙烯酸甲酯、丙烯等共聚,那么共聚物可较好地解决上述问题,所以产品通常都以共聚物形式出现。

目前,PVDC共聚物已广泛用于食品、卷烟、茶叶、饮料的保鲜和隔味,以及化工、医药、电子及军工产品的防潮包装,包括收缩型包装、不收缩型软包装和刚性包装等。单层PVDC薄膜采用双向拉伸吹塑制取,具有收缩性、阻隔性、阻水性,在微波加热的条件下不分解,广泛用于家用食品保鲜。PVDC与PS、HIPS、PP等树脂的多层共挤出可在真空包装机上用于奶制品、果酱等包装,且因其比EVOH有更好的拉伸性而用于较大容积的包装,PVDC与PE、PVC的复合片材适用于崩解快、易潮解、易挥发药品的包装。

PEN

PEN是聚二甲酸乙二醇酯(Poly-ethylene naphthalate)的简称。PEN与PET分子结构的不同之处在于用□环代替了PET分子中的苯环,聚合的原料单体用2,6二甲酸代替对苯二甲酸。由于其分子结构中含有萘环,具有较高的熔点、分子链刚性高。气密性是PET的4倍,对水汽的阻隔性是PET的3.5倍。对氧气和二氧化碳的阻隔性是PET的4-5倍,且没有EVOH和尼龙受环境湿度而影响阻隔性的缺点,因此是比较理想的阻隔材料。目前未能广泛使用的主要原因是价格较高,约为PET的四倍。

EVOH

EVOH是乙烯-乙烯醇共聚树脂的简称,是乙烯和乙烯醇的无规共聚产物,其显著特点是对气体具有优良的阻隔效果。用在包装结构中可以防止氧气的渗入,提高食物香气和质量的保留程度。但是EVOH具有亲水性和吸湿性,当吸附潮气后,气体的阻隔性会受到影响。

聚酰胺薄膜(尼龙膜或PA膜)

聚酰胺薄膜的透明度、光泽、耐高低温性、抗穿刺性和抗张强度均好,对油脂具有极好的阻隔性,对大多香气不渗透。缺点是易吸潮,吸潮后阻隔性和强度下降,油墨附嗵力降低,薄膜产生皱褶。

镀铝薄膜

镀铝薄膜是八十年代才发展起来的一类新型包装材料。它是在塑胶薄膜的表面上蒸镀一层铝,来提高薄膜的阻气性、阻光性等,赋予薄膜金属光泽。常用的塑料薄膜是聚丙烯、聚酯、聚胺(尼龙)等。它可以代替铝箔作糖果、香烟等的包装,以及作复合薄膜的基材等,以降低包装成本。缺点是无法用于微波炉直接加热。

聚乙烯醇PVA

双向拉伸聚乙烯醇具有极好的气体阻隔性,在低湿度条件下,阻气性可与PVDC相媲美。但透湿性较高。同时具有高的拉伸强度、撕裂强度、耐冲击性和耐刺穿性。

SiOx镀膜材料

SiOx镀膜包装材料是以塑料薄膜或纸为基材,在高真空度下蒸发非金属无机物SiOx,使之在基材表面富集生成均匀的、结合牢固的薄膜,起到良好的阻隔层作用。其阻隔性可以与铝塑复合材料相媲美,同时具有微波透过性,耐高温、透明、受环境湿度温度影响小的特点。使用前可与其他基材复合,构成一种新型的高阻隔性包装材料。目前的主要困难是设备昂贵,成本较高。

加工技术

表面涂布

通过在薄膜表面涂布一层具有阻隔性能的高分子材料如PVDC/EVOH,使薄膜表面具有高阻隔性能。其中,PVDC是目前唯一被美国FDA认可与食品接触的高阻隔性透明材料。因此,以涂覆PVDC乳胶的方式赋予薄膜高阻隔性,已受到国际包装业,尤其是食品包装业的青睐。PVDC使用于多种基材如PE、PP、PVC、PS、PET、PA等。以BOPP为例,涂覆后透氧率降低1000倍,而透水率可降低3倍。根据涂覆需要,可以是单面,也可以是双面,一般单层涂覆2.5μm或4g/m2即可具备良好的阻隔效果,如需要更好的阻隔性可多层涂覆。

多层复合

将阻隔性较差的塑胶与阻隔性较好的塑胶制成层状的复合薄膜可以改善阻隔性能,而且有利于发挥各组分的作用,获得综合性能良好而成本较低的薄膜。多层复合结构中的各组分均为连续相,可以通过湿式复合、干式复合、共挤出复合3种方法加工。目前市场上用的都是干法复合膜。干法复合膜的缺点是由于需要粘合剂,工艺复杂,有残留溶剂的困扰。

多层共挤

多层共挤出塑料薄膜是用两台或两台以上挤出机同时挤出不同材质的塑胶,经统一设计的模具,挤出或吹塑成多层复合薄膜。它解决了干法复合所存在的不足。近年来,世界各国大力发展高附加值的功能性多层共挤出塑料薄膜,平均年增长率达14%以上。这种多功能薄膜是由多层阻隔层(1-3以上阻隔层)多种组分共挤而成,可按人们的意愿和市场的要求生产。

多层共挤的优点包括:

1. 可以将所需性能的树脂以最小厚度制成薄膜;

2. 可以通过对树脂的选择经一道工序制成多层多功能的复合薄膜;

3. 可以大大降低材料生产成本。多层共挤复合基材只需在一层热封层上进行共混改性,在中间层还可采用成本较低的树脂。

PVDC的应用

PVDC是目前最常用的阻隔材料,因此特别进行详细讨论。

用于PVDC的磨具设计中必须解决如下两个问题。

1. PVDC是一种具有腐蚀性并且极易降解的树脂。模具通常采用耐腐蚀的高镍合金等特殊材料制成,加工过程中对温度的控制要求十分苛刻,并且经常被迫中途停机进行清理。在一些直径较小的模具内,PVDC滞留时间较短,降解问题不难解决。通常可以采用特殊材料来完成清洗,即使打开摸具进行清洗也比较容易。但若采用直径大一些的模具,降解的问题就十分棘手。因为在直径大的模具内,PVDC滞留时间必然会延长,其降解过程也就相应延长。

2. 与其他物料的温度匹配问题,如PA的加工温度远远高于PVDC的加工温度。依据牌号不同,PA的加工温度范围介于200度-250度之间,较PVDC高70度-90度。在一个典型的共挤模具中,加热于PA层的热量必然会传导到模具的其他部分,包括PVDC层,并导致它降解。

目前经常采用的解决方法包括隔热和包裹。

隔热的方法有两种,其一是隔热技术,在一个标准的共挤模具上通过增加一层(PA层)模具,利用空气槽使其与磨具的其他部分隔热。在熔融料挤出模口之前,PA层仅需与其他层接触1/2英寸(约13mm)的距离,从而防止了PVDC在模具内的降解;其二采用层叠式组合模具,利用空气或油隔热使PVDC层与模具的其他层隔热。

包裹技术是使热敏且具有腐蚀性的PVDC熔体通过一个特制的进料块使熔融的PVDC在进入模具之前被一层EVA所包裹,从而阻止PVDC与模具表面的直接接触。最近,加拿大的BRAMPTON和MACRO公司已成功开发出具有此类功能的模头,并开始推向市场。包裹的好处不仅仅局限于象PVDC这样的易腐蚀和降解的材料,也同样应用在清洗类似PA这类树脂的难题中。最近市售的一台20英寸(508mm)7层共挤吹塑模具,就同时应用了包裹技术和隔热技术,既能生产PA─EVOH阻隔薄膜,又能生产PA-PVDC阻隔薄膜。这套系统共有8台挤出机(7台为一个整体7层模具,一台为包裹层进料所用)。

应用实例

一般推荐使用5层、7层共挤设备,其中5层结构应用最广,如ABCBD、ABCBA。例如:3层共挤层结构为:PA/Ad/PE(PP),尼龙在外层,得不到保护。尼龙耐冲击性差,容易划伤、漏气,又有亲水性,容易吸湿气,氧气阻透性降低。如果是5层结构,PP(PET)/PE、PA外/Ad/PA/Ad/PP(PE)。这样尼龙受到了两面保护又能阻止尼龙吸湿。7层、9层经过实验,如果各种树脂安排得当,保质期可达1年以上,几乎达到马口铁罐头效果。例如PET/Ad/PA/EVOH/PA/Ad/PE(PP)。

在多层薄膜中,各层的功能和作用不尽相同。

氧气阻透层:根据包装物贮存期,确定相应的阻透性材料(PVDC、EVOH)及层厚,尼龙厚度一般为20μm、EVOH一般10-15μm,厚度偏差不得超过10%,在这个范围内,对包装物贮存影响甚小。

粘层(AD):尼龙、EVOH虽然具有良好的挤出成型性,但在共挤出时与其它层(LDPE、PP、EVA)无粘结能力,必须采用专门的粘结树脂作为粘结层,以达到层间较高的剥离强度。因此,选择粘层材料是一个非常重要的因素。常用的有杜邦公司的B3mel系列和日本三井油化的Admer系列,不过应根据结构选择适宜的牌号,厚度一般为5-15g/m2。

内外层:尼龙、EVOH虽然氧气透过量很小,但水蒸汽透过量甚大,因此,确定内外层材料时,应充分考虑对水蒸汽阻透性这一问题,同时内层材料必须兼顾热封性能及热封强度,如采用LDPE、mlLDPE、EVA、PPO等,必要时,可用Surlyn、PRIMCOR、POP改性。当用作复合基材时,外层表面电晕处理强度应达到38-42达因。

目前中国的产业政策是扩大聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等单层包装薄膜的加工能力,这样才可以进一步发展覆合的阻隔性薄膜。其实自1991年开始,中国的厂家已不断从外国引入生产技术,特别是PVDC的生产线。现时,PVDC在国内的加工能力已达到8000吨的年生产能力。预计到了本世纪末,国内PVDC的生产能力将

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