包装材料学――复合包装材料

1第十一章复合包装材料§11.1概述复合包装材料2复合包装材料•广义来说，复合材料包括一切两个或两个以上组分的结构体。•复合包装材料：是利用层合、挤出贴面、共挤塑等技术将几种不同性能的基材结合在一起形成的一个多层结构，以满足运输、贮存、销售等对包装功能的要求及某些产品的特殊要求。•品种：纸/塑、纸/铝箔/塑、塑/塑、塑/无机氧化物/塑等许多种，其中的塑料和其他组分可以是一层或多层；可以是相同品种或不同品种。•根据多层复合结构中是否含有加热时不熔化的载体(铝箔、纸等)，可以将复合材料分为层合软包装复合材料和塑料复合薄膜。复合包装材料3一、复合包装材料的组成•复合包装材料分为基材、层合粘合剂、封闭物及热封合材料、印刷与保护性涂料等组分。复合包装材料41.基材(1)纸张。由于纸的价格低廉、种类齐全、便于印刷粘合，能适应不同包装用途的需要，在层合材料中广泛地用作基材。(2)玻璃纸。玻璃纸是第一个用于包装的透明软材料。未涂布防潮树脂的玻璃纸很容易吸潮变软、变形。用于层合的玻璃纸一般在其一面或两面涂布聚偏二氯乙烯。聚偏二氯乙烯-玻璃纸-聚偏二氯乙烯/粘合剂/聚偏二氯乙烯-玻璃纸-聚偏二氯乙烯的这种对称层合结构已用于立式成型-充填-封合的糖果包装。假如上述结构中的粘合剂使用聚乙烯，则这种层合材料能形成高强度的气密性封合。复合包装材料5(3)铝箔及蒸镀铝材料。在层合材料中广泛地使用铝箔作阻隔层。一方面，铝箔闪光的表面和良好的印刷适性，便它成为理想的包装装演材料，另一方面，铝箔对光、空气、水及其他大多气体和液体具有不渗透性，并可以高温杀菌，能较好地保持食品的风味，并可长时间保存食品。(4)双向拉伸热定型聚丙烯(BOPP)。双向拉伸聚丙烯是层合软包装中使用最广的塑料薄膜材料。这种材料可以像玻璃纸一样被涂布，但又与玻璃纸不同，它可以与其它树脂共挤塑，生产出具有热封合性的复合结构，以满足各种不同的需要。用PVDC涂布的BOPP能提供良好的阻隔功能并具有热封合性。(5)双轴取向热定形聚酯(BOPET)。双轴取向聚酯具有极好的尺寸稳定性、耐热性及良好的印刷适性，因而它是广泛应用的层合结构中的外层组分。复合包装材料6(6)尼龙与取向尼龙(ON)。虽然尼龙的潮气阻隔性并不好，但具有较好的阻氧性能。如果用挤出涂布方法将尼龙与一种阻湿性好的材料如聚乙烯或聚偏二氯乙烯事先层合，则可成为对氧和水蒸气阻隔性都很好的包装材料。这种复合材料经常用来包装鲜肉及块状干酪。•经过取向的尼龙能够提高抗拉强度和氧气阻隔性、减小延伸性和降低热成型性。取向尼龙也具有极好的抗戳穿强度，因此它常用作层合结构中的外层组分。如用于立式成型-充填-封口的咖啡包装，其结构为取向尼龙-聚偏二氯乙烯-印刷/低密度聚乙烯。(7)共挤塑包装材料。聚乙烯和聚丙烯是共挤塑包装薄膜用的主要聚合物材料。这类材料具有成本低、适应性广和易加工的突出特性。低密度聚乙烯和线性低密度聚乙烯具有优良的韧性和热封性。高密度聚乙烯能提供隔湿性及加工性；聚丙烯可以取向拉伸，从而得到高冲击、高劲度性能。复合包装材料72.层合粘合剂•粘合剂的主要功能是将两种材料粘合在一起，但粘合剂常常还赋予层合材料其他的功能。•为了使两种材料粘合在一起，必须使材料表面具有“可润湿性”。？•粘合剂必须能在基材的表面均匀流动。粘合剂对表面的润湿程度取决于粘合剂的表面张力和基材的表面能。电晕处理可以使非极性的塑料簿膜表面改性，变为极性表面，从而改变材料的表面能。•如：用聚乙烯和聚丙烯作基材时，因为分子的非极性，它们的表面不会被极性的粘合剂润湿，在层合和印刷时，要经过电晕处理。复合包装材料8(1)溶剂型和乳液型粘合剂。由于纸具有多孔性和亲水性可采用水基粘合剂与铝箔层合。•使用的主要粘合剂是糊精、硅酸钠和酪酸/橡胶胶乳。粘合剂都要在干燥烘道里加热除去水分或溶剂。(2)热塑性和热固性粘合剂。热塑性粘合剂加热时软化，去掉热源时凝固；再加热时还会软化。因此用热塑性粘合剂层合的材料缺少耐热性。•广泛使用的热塑性粘合剂是增塑的醋酸乙烯-氯乙烯共聚物及乙烯-醋酸乙烯共聚物。•软包装层合材料经常使用热固性粘合剂。两个基材结合时，粘合剂发生固化反应，使它们牢固地粘合在一起。•最普通的热固性粘合剂是聚氨酯和聚酯-聚氨酯。热固性粘合剂的抗热性、抗化学性、抗渗性都可以随配方而变化。复合包装材料9•(3)挤塑粘合剂。聚乙烯和乙烯共聚物是广泛应用的挤塑粘合剂。在没有铝箔的情况下，层合材料中的共挤塑乙烯层能起防潮作用。•(4)蜡及蜡混合物。石蜡和微晶石蜡常用于不需要高粘合强度和高耐热性情况下的粘合。可以向蜡中添加低分子量聚乙烯、乙酯共聚物或其他树脂以改进粘合力、热粘性和层合材料的挺度或柔韧性。•(5)其他粘合剂。用可热封合聚偏二氯乙烯涂覆的两个薄膜可以加热加压复合；铝箔在加热加压下可以与预先涂蜡的薄页纸粘合。在对粘合强度要求不高的时候，印刷油墨也可以作为粘合剂使用。这种技术经常用于聚乙烯-印刷-聚乙烯的香肠型包装层合材料。复合包装材料103.包装封闭物与热封合材料•封闭包装的方法有热封合、冷封合和粘合剂封合。•热封合是利用多层结构中的热塑性内层组分，加热时软化封合，移掉热源就固化。蜡和热封合塑料薄膜是常用的热封合材料。•在热封合薄膜中，以聚乙烯膜用的最多。•热封合涂料和热熔融体也是常用的热封合材料。•热封合涂料是以溶液或水乳液状态涂布的涂料。常用的热封合涂料有醋酸乙烯-氯乙烯共聚物、硝酸纤维素、丙烯酸系塑料或聚偏二氯乙烯。•热熔融体是由各种热塑性树脂、蜡和改性剂组成的。它们作为涂料在熔融状态下涂在整个材料的表面。乙基纤维素、硝酸纤维素、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚酰胺是热熔融体的主要组分。复合包装材料11•如果用改性橡胶基物质作封合材料，则不用加热只要加压就能封合，这些封合材料称为冷封合涂料或压敏胶。冷封合涂料只能自身封合而不能与其它材料封合。最常见的冷封合涂料是涂在包装袋边的边缘涂料。•粘合剂封合在多层包装中应用并不广泛，只用于含纸的包装材料。复合包装材料124.印刷与保护性涂料•印刷不仅使包装具有引人注目的外观，而且在膜的反面印刷，可以提供高光泽和极好的耐擦性，对透明薄膜提供遮光性能。•多层软包装的保护性涂料的功能:保护印刷表面、防止卷筒粘连、光泽、控制摩擦系数、热封合性、阻隔性等。涂在油墨层上的涂料可由许多不同的树脂或树脂混合物配制，并可加入添加剂。硝酸纤维素、乙基纤维素、丙烯酸系塑料、聚酰胺等树脂都可用作保护性涂料。复合包装材料13二、复合包装材料制造技术•将各类包装材料复合在一起形成一个多层复合结构的方法有层合(包括湿法、干法和热熔层合)、挤出贴面和共挤塑等方法。•新型的挤出贴面层合技术，使以往用粘合剂形成层合材料再用热封合涂料使材料形成包装这两种完全不同的工艺过程统一起来，因为在挤出贴面和挤出层合工艺中，同一种材料既可以作粘合剂又可以作热封涂料。这种新技术导致各种新型包装不断出现。复合包装材料141.层合(1)湿法粘结层合。湿法粘结是指将任何液体状粘合剂加到基材上，然后立即与第二层材料复合在一起，从而制得层合材料的工艺。•最早应用的粘合剂是干酪素和硅酸钠。•如果粘合剂是溶剂型的，薄材中必须有一层是渗透性的，以便能蒸发掉溶剂。如果用水基粘合剂，则至少要有一种吸水材料。纸是常用的基材，缺点是耐水性差。(2)干法粘结层合。在涂布粘合剂于基材上之后，必须先蒸发掉溶剂，然后再将这一基材在一对加热的压辊间与第二层基材复合。这是干法粘结层合与湿法粘结层合的基本区别。•干法粘结层合通常使用溶剂型粘合剂，如聚醋酸乙烯、丙烯酸酯聚合物等热塑型树脂。(3)热熔或压力层合。利用热熔粘合剂将两种或多种基材在加热加压下形成多层复合材料的方法叫热熔或压力层合。•热熔粘合剂或热熔胶可以定义为以热塑性聚合物为主的固体粘合剂。它以熔融态施用，冷却固化后即完成粘合。•蜡是最早用作热熔层合的粘合剂。最广泛应用的热熔粘合剂是乙烯-醋酸乙烯共聚物，它可以用多种添加剂改性以适应不同的需要。热熔粘结层合中需要较高的压力和温度。复合包装材料152.挤出贴面层合技术•挤出贴面或挤出涂布是一种把挤出机挤出的熔融的热塑性塑料贴合到一个移动的基材上去的工艺方法。•基材提供多层结构的机械强度，而聚合物则提供对气体、水蒸气或油脂的阻隔性。•在挤出贴面层合技术中，使用的聚合物材料有聚乙烯、聚丙烯、离子键聚合物、尼龙、乙烯-丙烯酸共聚物、乙烯-甲基丙烯酸共聚物、乙烯-醋酸乙烯共聚物等。复合包装材料163.共挤塑层合技术•共挤出薄膜:通过一个模头同时挤出形成有明显界面层的多层薄膜。•由于共挤塑技术可以把不同包装功能的不同材料一步成型，因而大大降低了包装成本。•例如，由高密度聚乙烯和乙烯-醋酸乙烯共聚物的共挤塑薄膜可以代替取向聚丙烯和低密度聚乙烯的层压复合膜。以前，这个层压膜需要4道工序:聚丙烯薄膜的制造，聚丙烯薄膜的取向，聚乙烯薄膜的制造，两种材料的粘结层压复合。•共挤塑层合技术是用最低的材料成本生产最佳性能包装材料的新技术，具有非常好的发展前景。复合包装材料17三、复合包装材料的发展•复合包装材料的发展在整个包装工业中占有举足轻重的地位，许多新技术、新工艺将在复合包装材料中得到应用，并继续推动包装科学的进步。•然而，多层复合材料的出现也带来了包装废弃物回收方面的新问题。为了方便回收，应该尽量采用单一材料的包装；而为了满足包装多功能的需要，应采用多种材料的组合。•包装工作者为使二者相协调作了很多工作，开发了性能更好的多功能单层材料和便于回收的复合材料。复合包装材料18§11.2复合膜薄和软包装复合材料•一、层合复合软包装材料的结构与性能复合包装材料191.复合包装材料的结构及表示方法•在包装技术中，经常用简写的方式表示一个多层复合材料的结构。•图11-1所示的典型层合结构可以表示为纸/聚乙烯/铝箔/聚乙烯。写在前面的是外层，写在后面的是与产品接触的内层。外层纸在这里提供了拉伸强度和印刷表面，铝箔提供了阻隔性能，聚乙烯提供了粘合和热封性能。•由于将各层结合在一起的方式很多，所以很难用一种体系来说明所有的不同的复合结构。但在一个复合材料中却经常可以分为外层、阻隔层、粘合层、内层这样一些有鲜明界面的结构。复合包装材料20复合包装材料212.层合包装材料的性能•(1)均一性。由于纤维素和塑料薄膜的渗透性是均一的，故包装的渗透性可以用表面积来测量和表示。•铝箔具有针孔，用铝箔作阻隔层的复合材料，在整个面积上的渗透性就不均一，需对实际包装进行测试。•(2)性能之间的相互关系。阻隔性材料之间的相互关系是不能假设的。例如，人们把塑料材料的氧气透过率与香气透过率互相联系，但实验证明它们之间没有什么关系。复合包装材料22•(3)层合材料中，阻隔层的次序。如前所述，阻隔性材料耍尽量靠近产品。例如，如果产品是容易吸湿或容易失去水分，作为阻隔层的铝箔应与产品之间至多只隔一个热封合层。必须考虑暴露于大气中的包装材料边缘在大气和被包产品之间对水蒸气压平衡所起的作用及对气体阻隔性的影响。•(4)气味阻隔性。至今，还不能总结出包装材料对各种气味阻隔性的一般规律。在考虑香味与包装材料的相互作用时，必须了解某些聚合物材料会吸收某些气味，使产品失去香味的情况。例如，聚烯烃会吸收各种香精油。当多层结构的内层是聚烯烃和铝箔时，香精油透过聚烯烃会破坏粘合，造成脱层。如果产品中含有有机酸，则有机酸会与香精油一起通过聚烯烃，并与铝发生反应。对这一问题，只要在铝箔和聚烯烃之间加上一层保护性涂层就可以解决。复合包装材料23(5)光的透过性。多层软包装材料可以是透明或不透明，或介于二者之间。•铝箔能提供最高限度的不透明度和光的隔绝性。•聚合物中加入颜料，就可以得到透光性不同的材料，透光的程度决定于颜料和薄膜的厚度。•将纸与填加颜料的聚合物复合，可使透光率低到5％～10％。•控制真空蒸镀金属层的厚度可以得到不同的透光率。为了防止紫外线辐射引起包装中的食品变质，只要•在多层复合包装中加入一层能吸收紫外线的材料就可以防止紫外线辐射引起包装中的食品变质.复合包装材料24(6)机械性能(柔韧性