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复合包装材料综述

一、 什么是复合包装材料

  1 涵义

  所谓复合材料,是由两种或两种以上的具有不同性能的物质结合在一起组成的材料;而复合包装材料,是在微观结构上遵循扬长避短的结合,发挥所组成物质的优点,扩大使用范围、提高经济效益,使之成为一种更实用、更完备的包装材料。因此,复合包装材料比任何单一传统包装材料的性能要优越得多。

  常见的复合包装材料有玻璃纸/塑料、纸/塑料、塑料/塑料、纸/金属箔、塑料/金属箔、玻璃纸/塑料/金属箔等。此外,还有干法纸/塑料、干法纸/塑料/其他材料等等。

  但是,任何一种复合包装材料因受当时技术环境的限制,不可能十全十美。在应用过程中有可能出现各种问题,由此而作相应的改进是很自然的事。因此,复合包装材料便具有“动态”的意义,不是一成不变的。比如,玻璃纸/聚乙烯(PE)在包装含有盐分、油脂等内容物时,因渗透作用达到其界面,易使玻璃纸与聚乙烯之间的亲和力劣化,造成层间剥离而影响包装,于是采用聚偏二氯乙烯(PVDC)涂布的玻璃纸/PE来改善它的性能,得到的玻璃纸/PVDC/PE这种材料即可避免出现层间剥离现象。

  2 挑战

  包装业中的“四大”传统包装材料(纸、塑料、玻璃、金属),一方面一直使用,另一方面因受诸多因素的影响,正面临新的包装材料的挑战,单独应用的领域正在日渐萎缩。根据美国包装机构提供的有关资料,预测今后10年包装的发展趋势,主要有:(1)轻量、无菌、绿色包装将成为现代化包装的主流和标志;(2)玻璃、金属等大型容器包装将逐步退出部分市场;(3)超薄塑料包装(白色污染)必被禁用;(4)努力降低包装的制造和运输成本,走多样化包装之路;(5)受到消费者欢迎的小额定量的软包装将会继续发展;(6)防盗、防伪的安全包装将进一步受到重视;(7)复合包装材料的优点更加突出,将有取代传统包装材料之势,等等。

  在全球经济低迷、销售萧条、灾情猖獗的形势下,包装业如何走出困境令人关注。综观
走向,复合包装材料显然是值得人们重视的课题。然而,从资金、人才、设备诸方面看,还存在着不少的困难。只有设法克服困难,才能取得进步,扩大复合包装材料的应用范围,提高其影响力和发挥其积极作用。

  3 讨论

  因为复合包装材料所牵涉的原材料种类较多,性质各异,哪些材料可以结合,或不能结合,用什么东西黏合等,问题比较多而复杂,所以必须对它们精心选择,方能获得理想的效果。选择的原则是:(1)明确包装的对象和要求;(2)选用合适的包装原材料和加工方法;(3)采用恰当的粘合剂或层合原料。

  鉴于复合包装材料在包装市场上的应用前景,因此必须要组织调查,弄清楚客观上需要的迫切性。同时,应进一步掌握国内外有关复合包装材料的研究情况,有针对性地开发目前急需的一部分复合包装材料。

  4 分类

  关于复合包装材料的分类,迄今尚未见到有系统而确切的归纳。经过多年的研究,多数学者倾向于从以下4个方面来划分:

  (1)按所用材料来划分
  因为在包装业中常用的基本材料,主要有纸、塑(料)、铝箔、干法纸(无纺布)等。如果利用它们来分类的话,则有纸/塑复合包装材料、铝/塑/纸复合包装材料等。这是包装业中的一种常见的传统分类法,也是多年来大家熟知的分类。

  (2)按包装要求来划分
  由于包装的内容物不同,则对包装的要求亦不同。故有保鲜复合包装材料、耐油复合包装材料、灭菌复合包装材料、防火复合包装材料等。这种分类过去也曾有,但尚未被大多数人认可。不过,从明确包装的功能来看,似更方便客户使用。

  (3)按材料性能来划分
  依复合包装材料的性能,有软性复合包装材料、刚性(硬包装)复合包装材料、半软性复合包装材料等。由于对软性、刚性的“界定”还不十分明确,因此有人认为这种分类不够周密、准确和有效。

  (4)按复合方法来划分
  根据复合包装材料的制造方法,可以有:干法复合包装材料、湿法复合包装材料、热熔法复合包装材料、挤压法复合包装材料等。有人指出,仅干法复合就有很多品种,且性质各异,。其他方法同样如此,这种分类太过于“粗线条”了。

  以上分类,大多是为了研究方便、从不同的角度人为制订的,尚处在探索阶段,并非有什么准确的科学依据,供参考、讨论。

  二、复合包装材料的一般性质与特性

  复合包装材料的性质既有共通性又有特殊性。当然,这与复合结构的组成有很密切的关系。从原则上讲,作为复合包装材料起码应具有以下性能:

  (1)保护性,应有足够的力学强度,包括拉伸强度、破裂强度、耐折强度等。另外,还有防水性、防寒性、密封性以及避光性、耐湿性、耐油性、绝缘性等等。

  (2)操作性,即方便包装作业、能适应机械化操作,不打滑、不带静电、抗卷翘,耐隔离性好,有折痕保持性。

  (3)商品性,适宜印刷、利于流通、价格合理。有句广告词说:“你有产品,我有包装”,总之复合包装材料也是一种商品,要在市场上站得住、立得稳,必须有强势,归根到底是把好经济关,“价格”门槛要恰到好处。

  (4)卫生性,无臭、无毒、污染少。复合包装材料本身要清洁,不能含有危害人体健康的化学成分。它的回收还是一个问题,值得进一步研究,加以妥善解决。

  复合包装材料的特性有多个,择其突出者略加介绍。

  (1)耐油性:用于包装食品的材料常以不透油为基本的要求之一。为了防止油和油脂对纸的多孔结构的渗透,有时需要用成膜物质去堵塞微孔,而最好是用与油脂没有化学亲和力者。这意味着使用极性聚合物的效果更佳,使之具有良好的耐油性和耐脂性。这些极性聚合物包括羧甲基纤维素(CMC)、乙基纤维素(EC)、甲基纤维素(MC)以及聚乙烯醇(PVA)、苯乙烯-马来酸酐共聚物(SMAC)等。

  (2)热封性:有的包装作业要求快速热封,因此对这种复合包装材料所选用热封涂料应有更高的要求。在普通环境条件下,它必须是具有热塑性和不粘连性。在加温加压的条件下,它又必须变成有强烈的胶粘性。即使在热封区、冷却区前仍然保持牢固。热封涂料的聚合物有多种,溶剂性的如乙基纤维素、丙烯酸类、乙烯共聚物、聚偏二氯乙烯和聚醋酸乙烯酯等。由它们的混合物或者是用蜡配制的,热封温度的范围是100~180℃;水基性的如聚氯乙烯、聚乙烯醋酸乙烯等,热封温度的范围是82~163℃。

  (3)阻隔性:许多食品要求包装材料具有一定的防氧性能,借以阻止腐败变质情况发生。同时,要使包装袋保持香味也与它的气体屏蔽能力有关。复合包装材料的这种特性(即屏蔽能力)通常采用氧渗透系数来表示。所谓氧渗透系数(以P代表),是在标准压力和温度下,每平方厘米面积、每秒钟时间、每厘米汞柱压力透过厚度为1厘米薄膜的气体体积(立方厘米)。一般说来,复合包装材料中的某一组分可以间接地反映屏蔽能力的大小。例如, 低密度聚乙烯P=2.8 ;高低密度聚乙烯P=0.4;聚丙烯P=2.3;聚偏二氯乙烯P=0.005。它们之间的差异性很大,故必须对材料中的组分给予关注。

  (4)压敏性:即时贴也就是压敏性复合包装材料,除制作不干胶、标签外,还可制胶带、转移印花、墙壁覆盖材料等。它具有与一般胶不同的性能,第一,在很宽的温度范围内,以很小的压力和很短的加压时间表现良好的粘合能力;第二,可以与各种不同的表面发生粘合作用;第三,能够长时间保持与表面接触的能力,且不易老化。

  三、复合包装材料的应用

  1 在食品包装方面

  目前,在食品工业上使用的复合包装材料最多。例如,铝箔/蜡/薄纸(用于口香糖包装)、铝箔/薄纸/蜡(用于巧克力包装)、铝箔/防油胶黏剂/羊皮纸(用于牛油、奶酪包装)等。一般而言,复合包装材料皆具有防水、抗油、耐热等特性,其用途甚广。大体上可用于:(1)固体食品,如方便面、各种奶糖、麦片、巧克力、紫菜、茶叶、各类干果(如葡萄干)、膨化食品的包装;(2)液体食品,如牛奶、甜酒、果汁、酱油、醋等包装;(3)保鲜食品,用于生鱼、鲜肉、禽蛋等的包装。

  复合包装材料在饮料上应用的例子,如瑞典公司推出的、著名的“利乐包”,它有方砖型和屋顶型两种,纸盒的容积有250毫升、500毫升和1000毫升等。所用的复合纸共有七层,即低密度聚乙烯(LDPE)/苯胺印刷面/复合原纸(定量175~180g)/LDPE/铝箔(厚度7~9微米)/Surlym(沙林树脂)/LDPE。如此多层的结构才具有防止空气渗透和漏水、隔热的性能,确保包装的内容物在保质期内保鲜不坏。

  2 在药品包装方面

  西药分为片剂、粉剂、针剂等,过去它们的包装,偏重在塑料和玻璃这两种材料。后来泡罩包装材料获得了较大的发展,使用这种包装的生产成本低、加工速度快、保护药品的性能好,对患者既经济又方便。据初步统计,现在每年以8%的比例增长。泡罩包装实际上也属于复合包装材料的应用之一。铝箔的细化结果是镀铝膜(VAM),用聚乙烯(PE)/VAM/纸/PE来包装药品,其优点是:减小体积,阻隔性好,防止受潮变质,并能延长有效期。当前,在这方面使用的复合包装材料的已有不少,如PVDC/VAM/PP(聚丙烯), PET(聚酯薄膜)/VAM/纸/PE等。而中药有丸、散、膏、丹等,传统包装已不能适应新形势,预料复合包装材料可以一显身手。遗憾的是,报道的有关研究课题甚少。

  3 在军品包装方面

  军品的范围很广,从天上到地下,从山巅到海底,从发射到吃穿,大凡军事部门所需要的一切物资都是军品。在现代化、高技术战争的形势下,随着军队“五位一体”(陆海空、全天候、全方位、大纵深、光磁电)作战系统的变化,后勤保障具有的战略、战役地位更加重要了。由此更应重视军品的包装,最大限度地减少军品的损坏和污染尤为重要。

  军品的防护包装,不能仅仅停留在防潮、防霉、防锈等基础功能上,需要加大力度在防磁、防爆、防生化、防微波等方面更上层楼。研制并使用新的复合包装材料,看来是很有现实意义的。

  4 在杂品包装方面

  常用的复合包装材料典型实例之一,是一种粘贴在商品上的标签纸,或称不干胶签,也有人叫做“即时贴”(JAC)。它在许多自选(超级)市场的货架上获得了广泛采用。在这种复合商标纸上,可以印刷出各种精美的图案。使用时只需把面层(含胶黏层)的铜版纸剥离下来,粘贴在商品上。复合商标纸的结构通常分为5层:第一层(面层)是铜版纸,面上印有彩色图案及相关文字、价码等;第二层是胶黏层(不干胶),一般采用丙烯酸树脂胶;第三层是抗黏层(涂有硅橡胶和聚甲基乙氧基硅烷);第四层是补强层(涂以高压聚乙烯、石蜡和聚氯乙烯等);第五层(底层)是彩黄牛皮纸或羊皮纸,供承载面层纸之用。复合商标纸的总定量(5层)为180克/平方米以上,并要求这种纸能够“剥得爽,粘得牢”,节省时间,使用方便。

  四、复合包装材料的加工方法

  复合包装材料的加工方法主要有4种:

  (1)干法复合,这是最简单的复合方法。此法是在第一层基材或薄膜上,涂布一层粘合剂,经过干燥后,再加上第二层基材或薄膜,以热压辊处理使之复合。如需进行第三层基材或薄膜时,通过再涂布一层粘合剂,重复进行即可。这种复合法的优点是简单易行。但是,要选用合适的黏合剂才能确保成材的质量。—般来说,具有溶剂性的黏合剂,如聚氨基甲酸脂、醋乙烯树脂、天然橡胶乳、氯乙烯-醋乙烯共聚物等。聚氨基甲酸脂复合薄膜的弹性好、耐热性高、热封性佳,因此用它来粘合蒸煮袋,在较宽的温湿度范围内不会发生剥离。

  (2)湿法复合,这是常用的复合方法。此法是先将水溶性的粘合剂在基材的表面涂刷一层,当其被润湿之后,把另一基材或薄膜贴合上去。通过压辊压紧,再加热干燥完成。此法的优点是成本低比较经济、能大量加工、无溶剂污染。所使用的粘合剂比较便宜,如淀粉、聚乙烯醇、硅酸钠等的水溶液。此外,还有丁腈橡胶、丁苯橡胶、聚异丁烯等等。由于湿法复合所用的粘合剂具有水溶性,因此它的基材至少有一层应当是纸或干法纸或玻璃纸,且不能被水的浸湿而引起变形。压辊的车速一般是160米/分,最高可达300米/分。湿法不能用于薄膜间的复合。

  (3)热熔法复合,主要是利用热熔涂料的配方和温度控制其粘度来进行复合。热熔涂料中含有几种高分子化合物、树脂、蜡等成分(简称为热熔物),它们的最高温度不超过175℃。由于热熔涂料可以灵活调配,并能获得良好的粘着力。而且不需要加工干燥和不使用有机溶剂,因此也没有散发臭味污染、容易引起火灾等危害。热熔法可采取以下3种加工方式来完成复合作业:第一是帘流复合,是把热熔物用泵从储料槽输送到“模头”(缝宽约0.5mm以下),经空气加工形成热熔物的均匀帘流,再与基材复合,可以多次进行。第二是缝模复合,热熔物经过缝模器的“口模”,迳直地喷射到背辊上(面上覆有基材),依材品的用途而掌握其涂布量。第三是辊式复合,所采用的辊式涂布器与造纸工业上的涂布机大体相同。 它们包括逆转辊、凹印辊、转移辊、浸渍槽等。以50~300米/分的速度涂施5~300克/平方米的涂布量。

  (4)挤压法复合,此法不用黏合剂,但加工材料中必须有一个是塑料(树脂),否则难以成型。其复合过程是这样的:将树脂(如聚乙烯颗粒)和其他物料喂入挤出机,通过挤出机内螺杆的转动和加温,使树脂熔化、混合而得到均匀的物料。该物料在高压的作用下,通过模口挤出而形成薄膜。这种薄膜受拉伸到规定的厚度,再与另外的基材一起,在由金属冷却辊和包胶辊组合的压区进行复合完成。

  五、复合包装材料应用问题

  1 需求量大

  从全球经济发展的趋向来说,对复合包装材料的需要,可以说是与日俱增。随着对外经济事业的发展,出口商品的数量大增,因为要与“国际接轨”,对包装要求日益严格。所以,复合包装材料的需求量越来越大了。在国内市场,因建设小康社会的需要,人们不满足“老一套”,经济消费中对包装“这一块”也愈加重视了。故厂家和商家都十分关心改进商品包装,多一些采用复合包装材料,已经提到议事日程上来。现在,我国使用复合包装材料最多的是食品、药品包装,其他部门相对较少。按经济发达国家对复合包装材料的要求,至少应占包装材料总量的30%较好,我们相差甚远。

  2 加工技术能力不足

  一般来说,对传统包装材料的加工已有比较成熟的经验。而对复合包装材料的加工,在技术上还有不少的差距。但只要有市场需求,有资金投入,能力是可以充实、提高的。

  3 配套的专用装置少

  制作复合包装材料除了需要通用的机械设备之外,还应有专用装置来进行加工。但是,专用装置的应用面窄,还需要根据制作相关的复合包装材料进行设计、加工、调试,显然要花费不少的资金和精力。不过,如果该装置并非大型而是小型的,这个问题比较容易解决。

  4 研究水平有待提高

  应当看到,我国包装事业的起步较晚,“先天不足,但后天是努力的”。由于包装是一门综合性的实用科学,它涉及的专业面较广。而复合包装材料又是一门新学科,研究人员缺乏,尤其是学科带头人少,是面临的现实问题。

  现代包装学包含了设计、材料、制造、装潢、印刷、机械、物流等15门学科的知识,并与40多个部门有联系。因此,优秀的包装技术研究人才必须经过专门的严格培训和长期的工作实践,才能脱颖而出。

  六、 复合包装材料的发展方向

  复合包装材料今后的走向如何? 这是业内普遍关心的问题之一。

  首先要引入高新技术,包装工业是我国传统产业之一,在开放的世界市场上,包装业和其他产业一样都面临激烈的竞争。要确保稳定和持续发展的态势,就迫切需要运用高新技术。这就构成了采用高新技术的时代背景和发展动力。近年来,电脑、微电子、纳米材料、生物工程等,已经在包装业中获得了应用。这些对于复合包装材料的开发,无疑是十分有利的。

  其次是关注如何节约自然资源和保护生态环境,包装工业本质上讲是一种材料工业。它要消耗材料,又要使用材料,而复合包装材料所用的材料更多。据称,以传统包装材料的储蓄量计,木材大约还能用100年,石油(塑料的原料)是50年,无机物(玻璃的原料)是40年,铝、铁矿(金属的原料)目前说不准。因此原料的形势,看来未必乐观。这需要从设计开始节省原材料,在保证够用的前提下,纸的定量尽量降低,能用70g/m2;决不用80 g/m2.。塑料的厚度也要变薄,由原来的20~40微米下调到10~15微米。这样一来,复合包装材料的总定量也会相应地减下来,这是一项不可小视的工作。再者,复合包装材料的废弃物如何回收,因为是多层材料的组合,怎样合理分开,怎样妥善处理,都是急需解决的问题。所以要做的事情多得很。

  第三是基材的改性问题,对此过去不够重视。包装上的基材如何进行改性,就能“以一挡十”、“以十扩百”,特别复合包装材料的品种多,可以“集小胜为大胜”。有关复合包装基材的改性课题,涉及面更广,留待日后再行讨论。

  第四是黏合剂的筛选,由于复合包装材料与传统包装材料的差异性,以及新材料加入等因素的影响,原来常用的黏合剂就不一定适用了。再说目前还没有“万能黏合剂”问世,因此只能根据不同的加工工艺(干法、湿法、热熔法、挤压法)来选用相应的黏合剂。实际上,黏合剂从大类别来分,计有水基型、溶剂型、乳剂型、热熔型等,要设法分清它们各自的优点、缺点和适应性,从而得出可行的结论。


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