包装材料学十一章复合包装材料

第五篇复合包装材料第十一章复合包装材料第一节概述第二节复合薄膜和软包装复合材料第三节其他复合包装材料第四节小节第一节概述概念:复合包装材料指一切双（或多）组分形成的结构体，即多层(2层以上)经有效（物理、化学、机械等）结合而成的。注意复合包装材料的复合成分是自成独立的材料组分。一.复合包装材料的组成基材层合粘合剂封闭物及热封合材料印刷与保护性涂料1.常见基材纸张玻璃纸铝箔及蒸镀铝材料尼龙取向尼龙BOPPBOPET共挤塑包装材料层合粘合剂溶剂型和乳液型热塑性和热固性挤塑粘合剂蜡及蜡混合物•用蜡或聚偏二氯乙烯涂布的加工纸和防潮纸广泛地用于糖果、快餐、小吃和脱水食品的包装。印刷精美、用聚乙烯贴面的纸复合材料在包装和其他领域也有广泛的应用。纸张纸张价格低廉、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。玻璃纸PVDC/纸/PVDC/剂/PVDC/纸/PVDC用于立式成型－充填－封合的糖果包装。如果上述结构中的粘合剂使用PE，则它能形成高强度的气密性封合，广泛用于充气包装，干粉产品、葵花籽、药片等产品。铝箔及蒸镀铝材料阻隔层表面闪光和良好的印刷适性，且能保持食品的风味，对光空气水及其他大多气体和液体具有不渗透性，可以高温杀菌尼龙与取向尼龙（ON）尼龙的潮气阻隔性差但阻氧性能较高。这种层合结构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。BOPP是层合软包装中使用最广的塑料薄膜材料。——良好的阻隔功能（经PVDC涂布）——有热封合性——可背面印刷——可与其他材料共挤塑，形成多种基合结构BOPP双向拉伸热定型聚丙烯BOPET双轴取向热定型聚酯外层组分具有耐热性、良好的光学性能和阻氧性，对于要求防潮又要充分保香的如茶叶、咖啡、奶粉等用BOPET复合膜，包装效果好。共挤塑包装材料（主要是PE、PP）成本低、适应性广、易加工。LDPE、LLDPE：优良的韧性和热封性。HDPE：隔湿性及加工性。PP：取向拉伸可得到高冲击、高劲度性能。2.层合粘合剂将两层材料粘合为一体的胶粘剂，使被层合材料具有“可润湿性”（1）溶剂型及乳液型（2）热塑型及热固型（3）挤塑粘合剂（双重作用——粘合剂与层合材料）（4）蜡及蜡混合型（双重作用：表面上光及自粘层）（5）其他粘合剂——预制型（热压PVDC、蜡涂铝箔）3.包装封闭物及热封合材料即有形的热粘合胶材封闭方法热封合冷封合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。封闭物及封闭材料指在层合中具有一定形状合厚度的材料，如塑料热合层，而单一的液体粘合剂则不属于常见的有过塑复合或覆膜保护印刷表面、防止卷筒粘连、光泽、控制摩擦系数、热封合性、阻隔性等。4.印刷与保护性涂料主要有油墨、上光剂及印后的覆膜层二.复合包装材料制造技术复合制造技术指：将上述4种组成材料复合成一体的技术方法1.层合湿法粘合层合干法粘合层合热熔式压力层合也称湿式复合湿法粘结层合使用液体胶粘剂——将在基材上后马上复压上第二层材料干法粘结层合也称干式复合需先蒸发掉溶剂使用溶剂型胶粘剂的热型树脂——聚醋酸乙烯丙烯酸酯热熔或压力层合利用热熔粘合剂将两种或多种基材在加压下形成多层复合材料的方法叫热熔或压力层合。2.挤出贴面层合在基材上挤出一种树脂液体涂布其上3.挤出塑层合将两层不同树脂经挤出后复合冷却成一体三.复合包装材料的发展1、环保型材料的发展2、复合包装材料向薄型化发展3、复合基材日益多样化4、复合包装专用功能化发展5、复合包装高功能化发展6、包装袋向特、奇、新、展示性、方便性方向发展第二节.复合薄膜和软包装复合材料一.层合复合软包装材料结构与性能1.复合包装材料的结构及表示方法复合材料结构示意图（图11-1)见图11-1结构图示纸/塑（PE）/铝箔/塑（PE）图中各层性能与作用：纸——外层，可印刷，用作包装传递与保护聚乙烯（PE）粘合剂——将纸与铝箔层合铝箔——阻隔（光和一些气体）保护作用聚乙烯（封口层）——用于制袋时的封合封口2.层合包装材料的性能层合包装材料应根据所包装产品的要求的目的而具备性能1）均一性——实现层合的效果2）性能间的互补——取长补短（层与层间）3）层合材料性能顺序性——内、中、外的选择4）气味阻隔5）光线的阻隔6）机械性能的稳定和持久7）特殊性能要求——产品的要求，如保香、保湿等二.复合薄膜的结构1.阻隔性树脂习惯上，把氧的渗透系数＜38.9cm3·µm/m2·d·kPa（23℃）的树脂叫阻隔型树脂。PE－EVOH、PVDC、PAN、EVOH、PA2.复合膜层间布置结构如外层（印刷、覆膜）、阻隔层、粘合层、热封层...对挤出层合（共挤树脂膜）有如下几种结构1）单一树脂结构2）不对称树脂结构（品种的不对称、厚度的不对称）3）对称结构（品种的对称、厚度的对称）主要复合材料的结构特征与用途结构用途BOPP/CPEBOPP/CPP(BOPP/PVDC/CPP)BOPP/OPP珠光膜BOPP/OPPNY/CPE,PVDC/NY/CPEPET/CPP,NY/CPP,PET/NY/CPPPET/AL/CPP,NY/AL/CPPPET/AL/CPP,NY/AL/CPPBOPP/PET,VM/CPEPET/AL/PET/CPE,PET/AL/NY/CPEPET/CPE,PET/AL/CPE,PET/CPP,PET/AL/CPPNY/PET,VM/PEPET/PE,NY/PE(PET/CPP),NY/CYAPET/PET,VM/CPEBOPP/珠光膜/CPP方便面、饼干、洗衣粉等饼干、干燥食品、糖果雪糕、糖果膨化食品麦片、茶叶、陈皮等畜肉加工品、火腿、鸡腊肠等高温加热食品高温蒸煮食品（熟肉制品）膨化食品、加工肉食、鱼干片奶粉、咖啡、医药包装粉剂酵母类食品、医药需巴氏消毒处理食品、饮料等油炸类食品冷冻食果酱、液体物、医械包装膜、洗衣粉及日化包装液体物、化妆品、洗发水膨化类食品、薯片、虾片等三多层复合包装材料的阻隔性利用气体的扩散速率分析（由菲克扩散与亨利定律条件下）得出：气体稳态扩散速率：1、多层复合结构的渗透性)(XCDJ式中：J为气体扩散率；D为扩散系数；（11-1）)(XC为气体沿渗透方向的渗透浓度梯度如果假设D与浓度C无关，由（11-1）式得LCCDJ/)(21(11-2)其中：是在表面1和2上的扩散物质浓度；L为膜厚。1C2C如果气体或蒸气在膜中的溶解服从亨利定律，则（11-2）式可改写为)(21ppLDSJ)(21ppLPJ（11-3）式中：S是溶解度系数；P是渗透系数；是扩散气体在膜两侧的分压。（11-4）1p2p常把称为扩散驱动力21ppP该式表明，透过薄膜的稳态气体扩散速率与扩散驱动力21ppP成正比与膜厚L成反比。对于n层复合膜，透过每一层的扩散速率相等，并都等于总的扩散速率，而使气体扩散的总驱动力为每层的扩散驱动之和即：nppppJJJJ......321321（11-5）nnnnLpPJLpPJLpPJ.........22221111则有（11-6)nPPP、、21为每层膜的渗透系数整理(11-5)和(11-6)有：nnPLPLPLPLPL...332211iiniPLLP)1(11上式可写成：公式语言表达：扩散速率J与膜厚成反比，与溶解度系数P和扩散驱动力)(21ppp成正比。一个是扩散物浓度，一个是扩散驱动力。任取一个作比较（依已知条件）。下面我们举例说明（11-8）式的应用。设某包装膜由5层结构组成：聚乙烯/粘合剂/乙烯-乙烯醇/粘合剂/聚乙烯，在这个复合结构中有3种不同的高分子材料，他们的透氧系数分别为聚乙烯（d=0.96）2*381,5.42711LP乙烯-乙烯醇2.76,066.022LP黏合剂（改性聚烯羟）2*4.25,6.38833LP以上数据单位分别为：（P：;/23kPadmmcmL：m）p8895.4272*381066.02.766.3882*4.25=（11-10）解得P=0.777，即5层结构总的渗透系数为0.777.由上述计算我们发现，对于889μm厚的复合材料来说，透气率为0.777/889=0.00087，其阻隔性能几乎完全有76.2μm厚的乙烯-乙烯醇阻隔层决定，阻隔层的透气率为0.066/76.2=0.00087.复合结构的其余部分，只起到载体作用。上述分析并未考虑温度影响，实际上温度和湿度都会有影响，一般t摄氏度上升，渗透系数迅速增大，有如下式：2、温度变化对渗透性的影响RTEppp/exp0式中：是一个与温度无关的系数；是渗透活化能；R是气体常数；T是绝对温度。扩散系数和溶解度系数有类似的关系：DSPRTEDDD/exp0RTHSSs/exp0式中：是扩散活化能；是溶解热。DEsH对照上面公式,有：DSPEHE（即渗透活化能=溶解热+扩散活化能）由上述公式，谈论P随温度的变化情况。（1）温度上升，渗透系数增大.（2）对于等非凝聚性气体，大多数气体渗透都遵循P随温度上升而增加的规律。222NOH、、(3)对于可凝聚气体，如水蒸气，有机化合物蒸气等，为负值，为正值，P的变化复杂（当P不受温度影响）。SHPE,0DE3.相对温度变化对渗透性的影响。对某些多层复合包装材料（如乙烯-乙烯醇共聚物为阻隔层），透氧性还与温度（相对）有关。即：相对温度上升，透氧量增加，阻隔性能降低。对于一个由多层构成的复合材料，位于第i层的阻隔层的相对湿度可由下式求得：)]1()211[()(21101101njjniijjiiAPPAAPPP(11-16)式中：)(211iiPP为第i层的相对湿度（i的数目从外层算起的层数）；0PnP为外部环境的相对湿度；为内部环境的相对湿度；N为层数；A为水蒸气透过率（MVTR)/厚度。上式的应用举例：设一个多层复合包装材料的结构为：LDPE/纸/粘合剂/EVOH/粘合剂/PP/离子键树脂考虑到粘合剂层很薄，而纸又不是阻隔性材料，所以对气体阻隔有贡献的结构可以简化为：LDPE/EVOH/PP/离子键树脂阻隔性树脂EVOH位于i=2层。如果该包装外部环境的相对湿度（P0）为65%，而内部环境的相对湿度（P4）100%时，为计算阻隔层的相对湿度可先列出如下数据：多层结构材料LDPEEVOHPP离子键树脂层数（i）1234厚度（μm）16.57.6238.112.7水蒸气透率（g/m2）18.658.910.737.2A1.137.730.2812.93将上列数据代入式（11-6），经过运算得到阻隔层的相对湿度为71.8%。第三节其他复合包装材料最早的在80年代日本出现蒸镀SiOx薄膜,又称为GT膜或氧化硅涂覆膜。该膜类似与镀铝膜，具有:透明，高阻隔，软性，耐热耐侵蚀，易回收，无污染一.无机氧化物镀覆薄膜1.技术现状技术特点（原理）硅蒸镀膜是利用SiOx在真空中蒸镀形成微米级薄膜SiOx中的x为1.5~1.7，SiOx集成片状，蒸镀速度慢，干法层合SiOx基材（PE等）接触易裂纹，使气密性能下降．方法蒸镀法、淀积法——化学淀积（CVD）和物理淀积（PVD）。将液态有机硅在反应室内氧化反应后在PET上形成SiO2膜。SiO2镀膜可用于的镀膜32OAl其他结构：塑料膜＋SiOx＋塑料膜蒸镀SiOx基材：PET、LDPE、OPP、ON等。复合膜：PP、PS、PA等。复合材料氧透气率水蒸气透过率PET/CPP111.61.085PET/SiOx/CPP0.4650.465OPP/CPP7750.465OPP/SiOx/CPP4.650.155含SiOx蒸镀复合材料的阻隔性2.结构与性能：性能：与用PVDC作阻隔层的复合材料相比，GT薄膜复