包裝材料學(xué)——復(fù)合包裝材料

1、1復(fù)合包裝材料2 復(fù)合包裝材料廣義來(lái)說(shuō)，復(fù)合材料包括一切兩個(gè)或兩個(gè)以上組分的結(jié)構(gòu)體。復(fù)合包裝材料：是利用層合、擠出貼面、共擠塑等技術(shù)將幾種不同性能的基材結(jié)合在一起形成的一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，以滿足運(yùn)輸、貯存、銷售等對(duì)包裝功能的要求及某些產(chǎn)品的特殊要求。品種：紙/塑、紙/鋁箔/塑、塑/塑、塑/無(wú)機(jī)氧化物/塑等許多種，其中的塑料和其他組分可以是一層或多層；可以是相同品種或不同品種。根據(jù)多層復(fù)合結(jié)構(gòu)中是否含有加熱時(shí)不熔化的載體(鋁箔、紙等)，可以將復(fù)合材料分為層合軟包裝復(fù)合材料和塑料復(fù)合薄膜。 復(fù)合包裝材料3一、復(fù)合包裝材料的組成一、復(fù)合包裝材料的組成復(fù)合包裝材料分為基材、層合粘合劑、封閉物及熱封合材料、印

2、刷與保護(hù)性涂料等組分。復(fù)合包裝材料41.基材(1)紙張。由于紙的價(jià)格低廉、種類齊全、便于印刷粘合，能適應(yīng)不同包裝用途的需要，在層合材料中廣泛地用作基材。(2)玻璃紙。玻璃紙是第一個(gè)用于包裝的透明軟材料。未涂布防潮樹(shù)脂的玻璃紙很容易吸潮變軟、變形。用于層合的玻璃紙一般在其一面或兩面涂布聚偏二氯乙烯。聚偏二氯乙烯-玻璃紙-聚偏二氯乙烯/粘合劑/聚偏二氯乙烯-玻璃紙-聚偏二氯乙烯的這種對(duì)稱層合結(jié)構(gòu)已用于立式成型-充填-封合的糖果包裝。假如上述結(jié)構(gòu)中的粘合劑使用聚乙烯，則這種層合材料能形成高強(qiáng)度的氣密性封合。復(fù)合包裝材料5(3)鋁箔及蒸鍍鋁材料。在層合材料中廣泛地使用鋁箔作阻隔層。一方面，鋁箔閃光的表

3、面和良好的印刷適性，便它成為理想的包裝裝演材料，另一方面，鋁箔對(duì)光、空氣、水及其他大多氣體和液體具有不滲透性，并可以高溫殺菌，能較好地保持食品的風(fēng)味，并可長(zhǎng)時(shí)間保存食品。 (4)雙向拉伸熱定型聚丙烯(BOPP)。雙向拉伸聚丙烯是層合軟包裝中使用最廣的塑料薄膜材料。這種材料可以像玻璃紙一樣被涂布，但又與玻璃紙不同，它可以與其它樹(shù)脂共擠塑，生產(chǎn)出具有熱封合性的復(fù)合結(jié)構(gòu)，以滿足各種不同的需要。用PVDC涂布的BOPP能提供良好的阻隔功能并具有熱封合性。(5)雙軸取向熱定形聚酯(BOPET)。雙軸取向聚酯具有極好的尺寸穩(wěn)定性、耐熱性及良好的印刷適性，因而它是廣泛應(yīng)用的層合結(jié)構(gòu)中的外層組分。復(fù)合包裝材料

4、6(6)尼龍與取向尼龍(ON)。雖然尼龍的潮氣阻隔性并不好，但具有較好的阻氧性能。如果用擠出涂布方法將尼龍與一種阻濕性好的材料如聚乙烯或聚偏二氯乙烯事先層合，則可成為對(duì)氧和水蒸氣阻隔性都很好的包裝材料。這種復(fù)合材料經(jīng)常用來(lái)包裝鮮肉及塊狀干酪。 經(jīng)過(guò)取向的尼龍能夠提高抗拉強(qiáng)度和氧氣阻隔性、減小延伸性和降低熱成型性。取向尼龍也具有極好的抗戳穿強(qiáng)度，因此它常用作層合結(jié)構(gòu)中的外層組分。如用于立式成型-充填-封口的咖啡包裝，其結(jié)構(gòu)為取向尼龍-聚偏二氯乙烯-印刷/低密度聚乙烯。(7)共擠塑包裝材料。聚乙烯和聚丙烯是共擠塑包裝薄膜用的主要聚合物材料。這類材料具有成本低、適應(yīng)性廣和易加工的突出特性。低密度聚乙

5、烯和線性低密度聚乙烯具有優(yōu)良的韌性和熱封性。高密度聚乙烯能提供隔濕性及加工性；聚丙烯可以取向拉伸，從而得到高沖擊、高勁度性能。復(fù)合包裝材料72.層合粘合劑層合粘合劑粘合劑的主要功能是將兩種材料粘合在一起，但粘合劑常常還賦予層合材料其他的功能。為了使兩種材料粘合在一起，必須使材料表面具有“可潤(rùn)濕性”。？粘合劑必須能在基材的表面均勻流動(dòng)。粘合劑對(duì)表面的潤(rùn)濕程度取決于粘合劑的表面張力和基材的表面能。電暈處理可以使非極性的塑料簿膜表面改性，變?yōu)闃O性表面，從而改變材料的表面能。如：用聚乙烯和聚丙烯作基材時(shí)，因?yàn)榉肿拥姆菢O性，它們的表面不會(huì)被極性的粘合劑潤(rùn)濕，在層合和印刷時(shí)，要經(jīng)過(guò)電暈處理。 復(fù)合包裝材料

6、8 (1)溶劑型和乳液型粘合劑。由于紙具有多孔性和親水性可采用水基粘合劑與鋁箔層合。 使用的主要粘合劑是糊精、硅酸鈉和酪酸/橡膠膠乳。粘合劑都要在干燥烘道里加熱除去水分或溶劑。 (2)熱塑性和熱固性粘合劑。 熱塑性粘合劑加熱時(shí)軟化，去掉熱源時(shí)凝固；再加熱時(shí)還會(huì)軟化。因此用熱塑性粘合劑層合的材料缺少耐熱性。 廣泛使用的熱塑性粘合劑是增塑的醋酸乙烯-氯乙烯共聚物及乙烯-醋酸乙烯共聚物。 軟包裝層合材料經(jīng)常使用熱固性粘合劑。兩個(gè)基材結(jié)合時(shí)，粘合劑發(fā)生固化反應(yīng)，使它們牢固地粘合在一起。 最普通的熱固性粘合劑是聚氨酯和聚酯-聚氨酯。熱固性粘合劑的抗熱性、抗化學(xué)性、抗?jié)B性都可以隨配方而變化。復(fù)合包裝材料9

7、 (3)擠塑粘合劑。聚乙烯和乙烯共聚物是廣泛應(yīng)用的擠塑粘合劑。在沒(méi)有鋁箔的情況下，層合材料中的共擠塑乙烯層能起防潮作用。 (4)蠟及蠟混合物。石蠟和微晶石蠟常用于不需要高粘合強(qiáng)度和高耐熱性情況下的 粘合?？梢韵蛳炛刑砑拥头肿恿烤垡蚁?、乙酯共聚物或其他樹(shù)脂以改進(jìn)粘合力、熱粘性和層合材料的挺度或柔韌性。 (5)其他粘合劑。用可熱封合聚偏二氯乙烯涂覆的兩個(gè)薄膜可以加熱加壓復(fù)合；鋁箔在加熱加壓下可以與預(yù)先涂蠟的薄頁(yè)紙粘合。在對(duì)粘合強(qiáng)度要求不高的時(shí)候，印刷油墨也可以作為粘合劑使用。這種技術(shù)經(jīng)常用于聚乙烯-印刷-聚乙烯的香腸型包裝層合材料。 復(fù)合包裝材料103.包裝封閉物與熱封合材料包裝封閉物與熱封合材料

8、 封閉包裝的方法有熱封合、冷封合和粘合劑封合。 熱封合是利用多層結(jié)構(gòu)中的熱塑性內(nèi)層組分，加熱時(shí)軟化封合，移掉熱源就固化。蠟和熱封合塑料薄膜是常用的熱封合材料。 在熱封合薄膜中，以聚乙烯膜用的最多。 熱封合涂料和熱熔融體也是常用的熱封合材料。 熱封合涂料是以溶液或水乳液狀態(tài)涂布的涂料。常用的熱封合涂料有醋酸乙烯-氯乙烯共聚物、硝酸纖維素、丙烯酸系塑料或聚偏二氯乙烯。 熱熔融體是由各種熱塑性樹(shù)脂、蠟和改性劑組成的。它們作為涂料在熔融狀態(tài)下涂在整個(gè)材料的表面。乙基纖維素、硝酸纖維素、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚酰胺是熱熔融體的主要組分。復(fù)合包裝材料11 如果用改性橡膠基物質(zhì)作封合材料，則不用加熱只要加壓

9、就能封合，這些封合材料稱為冷封合涂料或壓敏膠。冷封合涂料只能自身封合而不能與其它材料封合。最常見(jiàn)的冷封合涂料是涂在包裝袋邊的邊緣涂料。 粘合劑封合在多層包裝中應(yīng)用并不廣泛，只用于含紙的包裝材料。 復(fù)合包裝材料124.印刷與保護(hù)性涂料印刷與保護(hù)性涂料 印刷不僅使包裝具有引人注目的外觀，而且在膜的反面印刷，可以提供高光澤和極好的耐擦性，對(duì)透明薄膜提供遮光性能。 多層軟包裝的保護(hù)性涂料的功能:保護(hù)印刷表面、防止卷筒粘連、光澤、控制摩擦系數(shù)、熱封合性、阻隔性等。涂在油墨層上的涂料可由許多不同的樹(shù)脂或樹(shù)脂混合物配制，并可加入添加劑。硝酸纖維素、乙基纖維素、丙烯酸系塑料、聚酰胺等樹(shù)脂都可用作保護(hù)性涂料。復(fù)

10、合包裝材料13二、復(fù)合包裝材料制造技術(shù)二、復(fù)合包裝材料制造技術(shù)將各類包裝材料復(fù)合在一起形成一個(gè)多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法有層合(包括濕法、干法和熱熔層合)、擠出貼面和共擠塑等方法。新型的擠出貼面層合技術(shù)，使以往用粘合劑形成層合材料再用熱封合涂料使材料形成包裝這兩種完全不同的工藝過(guò)程統(tǒng)一起來(lái)，因?yàn)樵跀D出貼面和擠出層合工藝中，同一種材料既可以作粘合劑又可以作熱封涂料。這種新技術(shù)導(dǎo)致各種新型包裝不斷出現(xiàn)。復(fù)合包裝材料141.層合層合(1)濕法粘結(jié)層合。濕法粘結(jié)是指將任何液體狀粘合劑加到基材上，然后立即與第二層材料復(fù)合在一起，從而制得層合材料的工藝。 最早應(yīng)用的粘合劑是干酪素和硅酸鈉。 如果粘合劑是溶劑型的，

11、薄材中必須有一層是滲透性的，以便能蒸發(fā)掉溶劑。如果用水基粘合劑，則至少要有一種吸水材料。紙是常用的基材，缺點(diǎn)是耐水性差。(2)干法粘結(jié)層合。在涂布粘合劑于基材上之后，必須先蒸發(fā)掉溶劑，然后再將這一基材在一對(duì)加熱的壓輥間與第二層基材復(fù)合。這是干法粘結(jié)層合與濕法粘結(jié)層合的基本區(qū)別。 干法粘結(jié)層合通常使用溶劑型粘合劑，如聚醋酸乙烯、丙烯酸酯聚合物等熱塑型樹(shù)脂。(3)熱熔或壓力層合。利用熱熔粘合劑將兩種或多種基材在加熱加壓下形成多層復(fù)合材料的方法叫熱熔或壓力層合。 熱熔粘合劑或熱熔膠可以定義為以熱塑性聚合物為主的固體粘合劑。它以熔融態(tài)施用，冷卻固化后即完成粘合。 蠟是最早用作熱熔層合的粘合劑。最廣泛應(yīng)

12、用的熱熔粘合劑是乙烯-醋酸乙烯共聚物，它可以用多種添加劑改性以適應(yīng)不同的需要。熱熔粘結(jié)層合中需要較高的壓力和溫度。復(fù)合包裝材料152.擠出貼面層合技術(shù)擠出貼面層合技術(shù) 擠出貼面或擠出涂布是一種把擠出機(jī)擠出的熔融的熱塑性塑料貼合到一個(gè)移動(dòng)的基材上去的工藝方法。 基材提供多層結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度，而聚合物則提供對(duì)氣體、水蒸氣或油脂的阻隔性。 在擠出貼面層合技術(shù)中，使用的聚合物材料有聚乙烯、聚丙烯、離子鍵聚合物、尼龍、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。復(fù)合包裝材料163.共擠塑層合技術(shù)共擠塑層合技術(shù) 共擠出薄膜:通過(guò)一個(gè)模頭同時(shí)擠出形成有明顯界面層的多層薄膜。 由于共擠塑

13、技術(shù)可以把不同包裝功能的不同材料一步成型，因而大大降低了包裝成本。 例如，由高密度聚乙烯和乙烯-醋酸乙烯共聚物的共擠塑薄膜可以代替取向聚丙烯和低密度聚乙烯的層壓復(fù)合膜。以前，這個(gè)層壓膜需要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，兩種材料的粘結(jié)層壓復(fù)合。 共擠塑層合技術(shù)是用最低的材料成本生產(chǎn)最佳性能包裝材料的新技術(shù)，具有非常好的發(fā)展前景。 復(fù)合包裝材料17三、復(fù)合包裝材料的發(fā)展三、復(fù)合包裝材料的發(fā)展 復(fù)合包裝材料的發(fā)展在整個(gè)包裝工業(yè)中占有舉足輕重的地位，許多新技術(shù)、新工藝將在復(fù)合包裝材料中得到應(yīng)用，并繼續(xù)推動(dòng)包裝科學(xué)的進(jìn)步。然而，多層復(fù)合材料的出現(xiàn)也帶來(lái)了包裝廢棄物回收方

14、面的新問(wèn)題。為了方便回收，應(yīng)該盡量采用單一材料的包裝；而為了滿足包裝多功能的需要，應(yīng)采用多種材料的組合。包裝工作者為使二者相協(xié)調(diào)作了很多工作，開(kāi)發(fā)了性能更好的多功能單層材料和便于回收的復(fù)合材料。復(fù)合包裝材料1811.2 復(fù)合膜薄和軟包裝復(fù)合材料復(fù)合膜薄和軟包裝復(fù)合材料 一、層合復(fù)合軟包裝材料的結(jié)構(gòu)與性能 復(fù)合包裝材料191.復(fù)合包裝材料的結(jié)構(gòu)及表示方法復(fù)合包裝材料的結(jié)構(gòu)及表示方法 在包裝技術(shù)中，經(jīng)常用簡(jiǎn)寫(xiě)的方式表示一個(gè)多層復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)。 圖11-1所示的典型層合結(jié)構(gòu)可以表示為紙/聚乙烯/鋁箔/聚乙烯。寫(xiě)在前面的是外層，寫(xiě)在后面的是與產(chǎn)品接觸的內(nèi)層。外層紙?jiān)谶@里提供了拉伸強(qiáng)度和印刷表面，鋁箔提

15、供了阻隔性能，聚乙烯提供了粘合和熱封性能。 由于將各層結(jié)合在一起的方式很多，所以很難用一種體系來(lái)說(shuō)明所有的不同的復(fù)合結(jié)構(gòu)。但在一個(gè)復(fù)合材料中卻經(jīng)常可以分為外層、阻隔層、粘合層、內(nèi)層這樣一些有鮮明界面的結(jié)構(gòu)。復(fù)合包裝材料20復(fù)合包裝材料212.層合包裝材料的性能層合包裝材料的性能 (1)均一性。由于纖維素和塑料薄膜的滲透性是均一的，故包裝的滲透性可以用表面積來(lái)測(cè)量和表示。 鋁箔具有針孔，用鋁箔作阻隔層的復(fù)合材料，在整個(gè)面積上的滲透性就不均一，需對(duì)實(shí)際包裝進(jìn)行測(cè)試。 (2)性能之間的相互關(guān)系。阻隔性材料之間的相互關(guān)系是不能假設(shè)的。例如，人們把塑料材料的氧氣透過(guò)率與香氣透過(guò)率互相聯(lián)系，但實(shí)驗(yàn)證明它們

16、之間沒(méi)有什么關(guān)系。復(fù)合包裝材料22 (3)層合材料中，阻隔層的次序。如前所述，阻隔性材料耍盡量靠近產(chǎn)品。例如，如果產(chǎn)品是容易吸濕或容易失去水分，作為阻隔層的鋁箔應(yīng)與產(chǎn)品之間至多只隔一個(gè)熱封合層。必須考慮暴露于大氣中的包裝材料邊緣在大氣和被包產(chǎn)品之間對(duì)水蒸氣壓平衡所起的作用及對(duì)氣體阻隔性的影響。 (4)氣味阻隔性。至今，還不能總結(jié)出包裝材料對(duì)各種氣味阻隔性的一般規(guī)律。在考慮香味與包裝材料的相互作用時(shí)，必須了解某些聚合物材料會(huì)吸收某些氣味，使產(chǎn)品失去香味的情況。例如，聚烯烴會(huì)吸收各種香精油。當(dāng)多層結(jié)構(gòu)的內(nèi)層是聚烯烴和鋁箔時(shí)，香精油透過(guò)聚烯烴會(huì)破壞粘合，造成脫層。如果產(chǎn)品中含有有機(jī)酸，則有機(jī)酸會(huì)與香

17、精油一起通過(guò)聚烯烴，并與鋁發(fā)生反應(yīng)。對(duì)這一問(wèn)題，只要在鋁箔和聚烯烴之間加上一層保護(hù)性涂層就可以解決。復(fù)合包裝材料23(5)光的透過(guò)性。多層軟包裝材料可以是透明或不透明，或介于二者之間。鋁箔能提供最高限度的不透明度和光的隔絕性。聚合物中加入顏料，就可以得到透光性不同的材料，透光的程度決定于顏料和薄膜的厚度。將紙與填加顏料的聚合物復(fù)合，可使透光率低到510。控制真空蒸鍍金屬層的厚度可以得到不同的透光率。為了防止紫外線輻射引起包裝中的食品變質(zhì)，只要在多層復(fù)合包裝中加入一層能吸收紫外線的材料就可以防止紫外線輻射引起包裝中的食品變質(zhì).復(fù)合包裝材料24 (6)機(jī)械性能(柔韌性、挺度、耐撕裂性)與耐久性。

18、在產(chǎn)品的運(yùn)輸、銷售過(guò)程中，包裝材料對(duì)商品的保護(hù)性在很大程度上依賴于包裝材料的機(jī)械強(qiáng)度，即抗沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、抗撕裂強(qiáng)度等。 單一的包裝材料可能不能滿足產(chǎn)品包裝的機(jī)械性能要求，可以利用復(fù)合材料滿足其綜合性能。 有些材料本身是不耐撕裂的，如鋁箔，必須將它置于兩層耐撕裂的薄膜之間(或至少有一層支撐材料)。有些材料在干燥的環(huán)境中會(huì)變脆，如玻璃紙，必須使它與阻濕性好的材料層合。 在復(fù)合結(jié)構(gòu)中，復(fù)合材料的物理性能并不都是各個(gè)組分性能的簡(jiǎn)單加和，必須認(rèn)真選擇。例如，聚乙烯有極好的抗撕裂性和延伸性，但它與紙粘合以后，這種層合材料就只具有紙的抗撕裂性和延伸性。(7)特殊要求的性能。選擇材料時(shí)，應(yīng)盡可能詳盡說(shuō)明

19、產(chǎn)品對(duì)每類保護(hù)所需要的具體要求。例如，如果產(chǎn)品不吸濕，就無(wú)需提供阻潮性利好的材料。同樣，如果產(chǎn)品不會(huì)與氧氣發(fā)生反應(yīng)，那就不需要提供氧氣阻隔性極好的材料。復(fù)合包裝材料25二、復(fù)合薄膜的結(jié)構(gòu)二、復(fù)合薄膜的結(jié)構(gòu) 1.阻隔型樹(shù)脂阻隔型樹(shù)脂 多層復(fù)合結(jié)構(gòu)中的阻隔層材料除了鋁箔和蒸鍍鋁以外，還可以用阻隔型樹(shù)脂。目前，對(duì)阻隔型樹(shù)脂尚無(wú)確切的定義，但大家習(xí)慣上把氧的滲透系數(shù)小于38.9cm3.m /m.d.kPa(23)的樹(shù)脂叫阻隔型樹(shù)脂。 已經(jīng)商業(yè)化且廣泛應(yīng)用的阻隔型樹(shù)脂是乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)和聚偏二氯乙烯(PVDC)。 復(fù)合包裝材料262.復(fù)合薄膜的結(jié)構(gòu)復(fù)合薄膜的結(jié)構(gòu) 與其他層合材料的結(jié)構(gòu)相似，

20、復(fù)合薄膜可以由外層(印刷)、阻隔層、粘合層、熱封層等結(jié)構(gòu)組成。但復(fù)合薄膜的構(gòu)成與加工方法有關(guān)，所以有時(shí)不能嚴(yán)格區(qū)分各個(gè)層次。在用共擠塑方法制造復(fù)合薄膜時(shí)，經(jīng)常把用來(lái)支撐阻隔層的材料叫做結(jié)構(gòu)層。 復(fù)合包裝材料27 在復(fù)合薄膜中，共擠型薄膜最引人注目。因?yàn)樗某杀镜?，比共擠型層合軟包裝和擠出貼面更受人歡迎。 共擠薄膜可分為三類:單一樹(shù)脂膜、不對(duì)稱多層結(jié)構(gòu)薄膜和對(duì)稱多層結(jié)構(gòu)薄膜。由于性能和成本的原因，許多薄膜都是根據(jù)單一樹(shù)脂的特性而共擠塑的。(1)單一樹(shù)脂結(jié)構(gòu)。實(shí)際使用中共擠出單一樹(shù)脂薄膜看起來(lái)不像是復(fù)合膜，而實(shí)際上它是三層或更多層結(jié)構(gòu)的薄膜。 A/A/A（單一樹(shù)脂結(jié)構(gòu))。(2)不對(duì)稱結(jié)構(gòu)。典型的不

21、對(duì)稱結(jié)構(gòu)是用來(lái)滿足立式成型/充填/封合機(jī)用的。基體樹(shù)脂(HDPE)的熱封性通過(guò)用乙烯-醋酸乙烯共聚物作表層而得以實(shí)現(xiàn)，通常稱作熱封合功能層。如：A/B/C。(3)對(duì)稱結(jié)構(gòu)。典型的對(duì)稱共擠塑結(jié)構(gòu)由起功能作用的芯層(例如阻隔層)和二個(gè)可熱封的表層組成。取向聚丙烯是主要的共擠塑表層材料。乙烯-醋酸乙烯則是用于冷凍食品包裝的共擠塑表層材料。厚壁袋通常用線性低密度聚乙烯共擠出芯層來(lái)提高耐沖擊強(qiáng)度。如 (A/B/C/B/A)復(fù)合包裝材料28復(fù)合包裝材料29三、多層復(fù)合包裝材料的阻隔性 1.多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的滲透性多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的滲透性 由菲克擴(kuò)散第一定律和亨利定律不難得出通過(guò)單層薄膜的氣體穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散速率 式中：J

22、為氣體擴(kuò)散速率； D為擴(kuò)散系數(shù)； 是沿滲透方向的氣體濃度梯度。 如果假設(shè)D與濃度C無(wú)關(guān)，得 其中，C1、C2是在表面1和2上的擴(kuò)散物質(zhì)濃度；L為膜厚。 如果氣體或蒸汽在膜中的溶解度服從亨利定律，則上式可改寫(xiě)為 式中:S是溶解度系數(shù)；P是滲透系數(shù)；p1,p2是擴(kuò)散氣體在膜兩側(cè)的分壓。 該式表明，透過(guò)薄膜的穩(wěn)態(tài)氣體擴(kuò)散速率與擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力 成正比，與膜厚L成反比。XCDJXCLCCDJ/1221ppLPJ21ppP復(fù)合包裝材料30 對(duì)于一個(gè)由n層膜復(fù)合而成的多層結(jié)構(gòu)，在穩(wěn)態(tài)透過(guò)的條件下，通過(guò)每層膜的擴(kuò)散速率相等，并等于總的擴(kuò)散速率，而使氣體擴(kuò)散的總驅(qū)動(dòng)力為每層的擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力之和，即 J1=J2=J3=J

23、n (11-5) p1+p2+p3+=p (11-6) 如果我們假定氣體透過(guò)復(fù)合材料每層的擴(kuò)散速率都符合上述單層膜的規(guī)律，那么有1111LpPJ2222LpPJnnnnLpPJ整理 得nnPLPLPLPLPL.332211L為復(fù)合結(jié)構(gòu)總厚度；P為總的滲透系數(shù)；L1,L2,LN為每層膜的厚度；P1，P2，Pn為每層膜的滲透系數(shù)。iiniPLLP111復(fù)合包裝材料31例題例題 設(shè)某包裝膜由5層結(jié)構(gòu)組成：聚乙烯/粘合劑/乙烯-乙烯醇/粘合劑/聚乙烯，在這個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)中有3種不同的高分子材料，它們的透氧系數(shù)和厚度分別為: 聚乙烯(d=0.96) P1=427.5，L1=3812 乙腎乙烯醇 P2=0.0

24、66，L2=76.2 粘合劑(改性聚烯烴) P3=388.6，L3=25.42(上列數(shù)據(jù)的單位分別是，P:cm3m/m2.d.kpa；L:m.）將上列數(shù)據(jù)代入（11-9)式，得 解得P=0.777，即5層結(jié)構(gòu)總的滲透系數(shù)為0.777。 由上述計(jì)算我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于889m厚的復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，透氣率為，其阻隔性能幾乎完全由76.2m厚的乙烯-乙烯醇阻隔層決定，阻隔層的透氣率復(fù)合結(jié)構(gòu)的其余部分，只起了載體作用。復(fù)合包裝材料322.溫度變化對(duì)滲透性的影晌溫度變化對(duì)滲透性的影晌 當(dāng)溫度升高時(shí)，滲透系數(shù)迅速增大，通常認(rèn)為溫度對(duì)滲透系數(shù)的影響遵循下面的方程式:P=P0exp-Ep/RT. (11-11) 式中，

25、P0是一個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù)； Ep是滲透活化能； R是氣體常數(shù)； T是絕對(duì)溫度。 擴(kuò)散系數(shù)和溶解度系數(shù)有類似的關(guān)系:D=D0exp-ED/RT (11-12)S=S0expHS/RT (11-13) 式中ED是擴(kuò)散活化能； HS是溶解熱。 由于PDS，得： Ep= HS十ED (11-15)復(fù)合包裝材料33由EP或HS、ED與溫度的關(guān)系可以討論P(yáng)隨溫度的變化情況。 (1)對(duì)于H2、O2、N2等非凝聚性氣體，溶解熱HS很小，但為正數(shù)，而擴(kuò)散活化能ED總是正的，所以這時(shí)Ep總是大于零的正數(shù)，根據(jù)(11-11)式，P將隨溫度升高而增大。對(duì)于大多數(shù)氣體滲透都遵循這個(gè)規(guī)律。 (2)對(duì)于可凝聚氣體，如水蒸

26、氣，有機(jī)化合物蒸氣等，茬滲透過(guò)程中可能發(fā)生凝聚，因而溶解熱HS將變?yōu)樨?fù)值。這時(shí)雖然ED仍為正，但Ep則可能為正、可能為負(fù)，甚至為0，由HS和ED的絕對(duì)值決定。P隨溫度變化出現(xiàn)較復(fù)雜的情況。當(dāng)Ep的值趨于0時(shí)，P幾乎不隨溫度變化，當(dāng)水蒸氣向聚苯乙烯中滲透時(shí)就觀察到這種情況。 復(fù)合包裝材料343.相對(duì)濕度變化對(duì)滲透性的影響相對(duì)濕度變化對(duì)滲透性的影響 乙烯-乙烯醇作阻隔層時(shí)，隨著相對(duì)濕度的升高，透氧系數(shù)迅速增大，即對(duì)氧的阻隔性下降。 在一個(gè)由n層構(gòu)成的復(fù)合材料中，位于第I層的阻隔層的相對(duì)濕度計(jì)算公式： 式中，1/2（Pi-1+Pi）為第i阻隔層的相對(duì)濕度（從外層算起） P0為外部環(huán)境的相對(duì)濕度 Pn

27、為外部環(huán)境的相對(duì)濕度 n為層數(shù) A=水蒸氣透過(guò)率/厚度。 njjniijjiiAPPAAPPP1011011)211()(21復(fù)合包裝材料35例題 設(shè)一個(gè)多層復(fù)合包裝材料的結(jié)構(gòu)為: LDPE/紙/粘合劑/EVOH/粘合劑/PP/離子鍵樹(shù)脂 考慮到粘合劑層很薄，而紙又不是阻隔性材料，所以對(duì)氣體阻隔有貢獻(xiàn)的結(jié)構(gòu)為: LDPE/EVOH/PP/離子鍵樹(shù)脂 阻隔性樹(shù)脂EVOH位于i=2層。如果該包裝外部環(huán)境的相對(duì)濕度（P0）為95，而內(nèi)部環(huán)境的相對(duì)濕度（P4）為100時(shí)，為計(jì)算阻隔層的相對(duì)濕度可先列出如下數(shù)據(jù)： 多層結(jié)構(gòu)材料 LDPE EVOH PP 離子鍵樹(shù)脂 層數(shù)(i) 1 2 3 4 厚度(m)

28、 16.5 7.62 38.1 12.7 水蒸氣透過(guò)率 18.6 58.9 10.7 37.2 A 1.13 7.73 0.281 2.93 將上列數(shù)據(jù)代人式(11-16)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算得到阻隔層的相對(duì)濕度為71.8%, 2mg復(fù)合包裝材料3611.3其它復(fù)合包裝材料其它復(fù)合包裝材料 一、無(wú)機(jī)氧化物鍍覆薄膜一、無(wú)機(jī)氧化物鍍覆薄膜 自從日本在80年代開(kāi)發(fā)了在塑料薄膜上蒸鍍SiOx作為透明的高阻隔性軟包裝材料以來(lái)，這一新技術(shù)受到了全世界的重視。SiOx蒸鍍薄膜又叫GT膜或氧化硅涂覆膜。它不但像鋁蒸鍍薄膜一樣具有氣體阻隔性，而且還有透明、耐熱、耐破裂、耐折疊、耐化學(xué)藥品侵蝕、容易加工復(fù)合等優(yōu)異性能。尤其

29、是它比鋁塑復(fù)合材料容易回收，不對(duì)環(huán)境造成污染，這在包裝廢棄物問(wèn)題受到普遍關(guān)注的今天，具有更大的吸引力。 復(fù)合包裝材料371.技術(shù)現(xiàn)狀技術(shù)現(xiàn)狀 硅蒸鍍薄膜是利用氧化硅在真空中蒸鍍形成的微米級(jí)薄膜。通常SOx中的x為1.51.7(物理氣相淀積法)。由于難以保證連續(xù)供給薄片狀的一氧化硅作為蒸發(fā)源材料，所以提高蒸鍍的線速度很困難；而且由于是干法層合，鍍層呈多層化，雖然鍍層本身的氣密性不差，但由于實(shí)際加工時(shí)鍍覆物與高溫狀態(tài)的基材(如PE)接觸，蒸鍍層會(huì)產(chǎn)生裂紋，使氣密性能下降。 與上述物理氣相淀積(PVD)法不同，還有一種化學(xué)氣相淀積法(CVD法)。這種方法是將液態(tài)的有機(jī)硅化合物或氣相的硅烷用載氣(He

30、)輸送到反應(yīng)室，并使之與氧等離子體發(fā)生氧化反應(yīng)，在PET等基材上涂覆一層SO2膜，即所謂等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)法。由CVD法產(chǎn)生的涂層比PVD法致密，氣密性好，不易產(chǎn)生裂紋。 復(fù)合包裝材料382.結(jié)構(gòu)與性能結(jié)構(gòu)與性能 含有SOx涂層的軟包裝材料通常由3層組成: SOx膜夾在二層塑料膜之間，用來(lái)保護(hù)SOx膜不被損傷?？勺鳛檎翦僑Ox膜的基材有PET、LDPE、OPP、ON等。與之復(fù)合的另一層膜可以是聚丙烯、聚苯乙烯、聚酣胺等。從便于回收的角度考慮，二層塑料膜可以使用同一種樹(shù)脂，如外層用OPP，內(nèi)層用CPP。復(fù)合包裝材料393.前景前景 長(zhǎng)期以來(lái)，鋁箔層合復(fù)合軟包裝一直是高阻隔性能

31、產(chǎn)品的唯一材料。鋁箔復(fù)合材料不但消耗了大量的鋁材和電能，而且再生回收時(shí)的分離非常困難。包裝廢棄物問(wèn)題成了影響軟包裝材料發(fā)展的一個(gè)重要因素。在這方面，氧化硅蒸鍍薄膜是鋁箔復(fù)合材料的理想替代品。由于蒸鍍的SOx非常薄，不會(huì)增加包裝廢棄物回收的困難。 氧化硅復(fù)合軟包裝材料可以廣泛地用于干燥食品及含水分高的食品或液體食品。還可以用于藥劑、化妝品、洗滌劑、化學(xué)試劑等產(chǎn)品的熱封或冷封的外包裝。此外，它還可用于牙膏、調(diào)味品、一次性醫(yī)用包裝及各種工業(yè)品、化工產(chǎn)品的復(fù)合包裝。 目前，限制涂覆SOx復(fù)合材料使用的因素是它的價(jià)格。盡管目前這種材料的價(jià)格相當(dāng)高，但在高消費(fèi)的社會(huì)中，人們對(duì)新產(chǎn)品有很強(qiáng)的接受能力。預(yù)計(jì)在

32、減少淀積SOx層厚度的新技術(shù)及相應(yīng)的設(shè)備研制出來(lái)以后，SOx涂覆膜的成本會(huì)明顯下降。隨著日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，新材料的價(jià)格也會(huì)逐漸下降。 復(fù)合包裝材料40二、多層復(fù)合塑料容器二、多層復(fù)合塑料容器 1.多層塑料瓶多層塑料瓶 為了節(jié)省能源和資源，價(jià)格低廉的塑料容器與玻璃和金屬容器展開(kāi)了競(jìng)爭(zhēng)。對(duì)于許多應(yīng)用，單層的塑料瓶顯然是不適用的，必須提高塑料容器的阻隔性能，因而開(kāi)發(fā)了多層塑料瓶。在多層瓶中，使用強(qiáng)度好而且成本低的塑料以滿足機(jī)械強(qiáng)度方面的要求，而用阻隔性能好價(jià)格貴的樹(shù)脂作阻隔層，通常阻隔層很薄，因而可降低成本。 復(fù)合包裝材料41 (1)阻隔層樹(shù)脂。為使多層塑料瓶對(duì)氧氣、濕氣有極好的阻隔性，要根據(jù)產(chǎn)品對(duì)阻隔性要求選擇阻隔層樹(shù)脂。 (2)結(jié)構(gòu)層樹(shù)脂。廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)層樹(shù)脂是低密度或高密度聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯或聚碳酸酯。結(jié)構(gòu)層樹(shù)脂用來(lái)制造容器的主體。低密度聚乙烯常用來(lái)改進(jìn)柔軟性；聚丙烯比高密度聚乙烯有更好的耐熱性與接觸透明度。聚氯乙烯能夠抵抗某些聚乙烯不能經(jīng)受的化學(xué)藥品的侵蝕。聚苯乙烯則以透明、有剛性和成本低為特點(diǎn)，但以聚苯乙烯為結(jié)構(gòu)層的容器