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SiOX镀膜包装材料的开发及应用

2021年07月07日 桂林机械设备网

SiOX镀膜包装材料的开发及应用

SiO X镀膜包装材料的生产技术以塑料薄膜或纸为基材,在高真空条件下蒸发非金属无机物(如SiO x、SiO 2等),使之在基材表面附积生成致密均匀、结合牢固的薄膜,起到良好的阻隔层作用。使用前再与其它基材如纸、塑等复合,构成一种新型的高阻隔性能包装材料。近年来工业发达国家投入大量的人力物力研究开发这种新型的高阻隔性包装材料。

1 SiO X镀膜包装材料研究开发背景

传统包装的材料有纸、塑、玻璃、金属、木材等五大类,塑料以其优良的性能成为当前的食品、药品、化妆品等包装领域应用最为广泛的包装材料之一,每年用于包装的塑料占总产量的26%,2000年我国塑料包装用量达到近300多万吨。随着社会发展和人民生活水平日益提高,商品经济越来越发达,为了提高商品的流通周期与货架寿命,商品包装的作用日益重要,尤其对于食品、药品、化妆品等易变质的一类商品,采用高阻隔性能包装材料包装往往是最有效的手段。高阻隔性包装材料传统生产方法主要有复合加工、多层共挤、表面涂布等,同时也可以通过真空镀铝或与铝箔等其它材料复合制成性能优异、适合面更广的包装材料。目前用于包装的主要软包装材料的基本性能如表1所示。

九十年代以来,迅速发展微波加热技术给微波食品包装及需经微波杀菌消毒的一类商品的包装,提出了新的要求,即包装材料不仅要具有优良的阻隔性能,而且还要耐高温、微波透过性好等特性,从表1可示,传统的包装材料很难全面具备这些特点。因此近年来日本、德国、英国、意大利、加拿大、美国等工业发达国家投入大量的人力物力研究开发新型的高阻隔性包装材料——SiO X和其它非金属氧化物镀膜复合包装材料,争取在未来这一技术、材料市场上占据有利地位。这类材料除了阻隔性能可以与铝塑复合材料相媲美外,同时还具有微波透过性好、耐高温、透明、受环境温度湿度影响小等优点,特别在商品保香方面,效果如同玻璃瓶包装一样,长期储存或经高温处理后,不会产生异味。它能广泛应用于食品、药品、化妆品、医疗器械等包装安全卫生性能要求高、货架寿命较长的一类商品的包装;尤其适合作为微波加热技术应用的一类商品包装材料。

统计表明,国际市场SiO X镀膜包装材料产量和用量逐步增大,目前已接近数万吨规模;其中日本产量在世界占第一位;其次为欧盟、美国。专家预测,随着SiOX镀膜技术工艺的不断完善、产品成本的进一步降低,SiO X镀膜包装材料将具有十分广阔的应用前景,在大部分包装领域将替代传统的多层共挤、铝塑复合、真空镀铝加工高阻隔性材料,成为应用最广的一种新型复合包装材料。SiO X镀膜包装材料的技术性能如表2所示。

2 SiO X镀膜包装材料的生产技术

用于SiO X镀膜包装材料生产的大型连续式真空镀膜机,比普通真空镀铝设备复杂得多。同时对蒸镀基材、蒸镀原料、蒸发技术要求更加严格。

21 蒸镀基材

SiO X镀膜时,蒸镀原料较高的气化温度和蒸发能导致在蒸发过程中蒸镀区温度较高,大量的辐射热使得基材吸收过量的热能而温度升高;同时,气化分子、离子和其它微粒在基材表面凝结成膜时放出的热量致使基材温度过高而发生严重的热变形。热变形后基材起皱,造成镀膜不均匀或破裂,达不到提高阻隔性能的效果。软化点和熔点较低的塑料薄膜蒸镀效果较差。实验表明只有PP、PET、PA等材料才能较适合氧化物镀膜加工。

(1)聚丙烯(PP)

聚丙烯薄膜无臭、无味、无毒,不吸水,化学稳定性好,对酸碱稳定,热变形温度>100~120℃,可在110~120℃下连续使用,理论上是一种较好的SiO X非金属镀膜基材,由于SiO、SiO 2气化点和蒸发能较高,蒸发功率大,蒸镀后的复合膜出现明显的热变形。另外,聚丙烯材料的低温适应性较差,在低于-5℃时冲击强度急剧下降。要获得满意的使用效果,在塑料成膜加工前应对树脂型号进行严格选择并进行改性加工处理。

(2)聚酯(PET)

聚酯即聚对苯二甲酸乙二醇酯,聚酯薄膜强度高,尺寸稳定性好,吸水率低,无毒,耐弱酸与有机溶剂,化学性能稳定,热变形温度高达200℃,可在120℃下长时间使用。用SiOX、SiO 2等作为蒸镀原料,只要其它条件控制得当,基材也不会发生明显的热变形,并且镀膜附着牢度较高,是一种较相为理想的SiO X非金属镀膜基材。

(3)尼龙(PA)

尼龙具有良好的耐低温性能,可在-30℃到-60℃下使用。化学性能稳定,耐油、抗溶剂、耐盐水、无毒、无味;耐热性好,热变形温度达141℃,可在180℃下连续使用,高温下强度高,尺寸稳定性好。在使用SiO X、SiO 2等作为蒸镀原料时,即使在较高蒸发功率下,也未见尼龙基膜发生明显的热变形。在所实验的基材中其尺寸稳定性最优良。尼龙膜在真空蒸镀技术应用中的唯一缺陷是其水分含量明显高于其它塑料膜,最高时可超过1%,一方面的高真空和高温条件下,微量水分蒸发导致真空度显著下降,使电子枪工作稳定性降低。为了消除基材蒸发出的水蒸气对真空度的影响,必须增大真空系统的功率和效率,或者将膜在真空室内先进行除气处理,然后再进行真空真空镀膜加工,因而对生产速度和成本一定的负面影响。另一方面其表面水分还影响到镀膜牢固度,除气前后对比实验证明了这一点。

22 蒸镀原料

蒸镀原料可采用Si、SiO X、SiO 2或其它氧化物。也可以采用共它氧化物如Al2O3、 MgO、

Y 2O 3、TiO2、Gd 2O 3等,它们的主要性能如表3所示。

23 蒸发技术

231 蒸发源

(1)电阻式蒸发源:以电阻(灯丝、蒸发器)通过发热的原理来加热蒸镀原料。最高加热温度可达1700℃[4]。

(2)电子束蒸发源:利用加速电子碰撞蒸发材料而使其蒸发。蒸发源配有电子枪,用磁场或电场加速并聚集电子束,使电子束集中在蒸发材料的局部位置上而形成加热束斑,束斑温度可达3000~6000℃,能量密度最高可达20Kw/cm2。

232 蒸镀技术

(1)化学蒸镀法(CVD,Chemical Vapor Deposition)

化学气相蒸镀法将构成镀膜元素的一种或几种化合物单质气体供给基材,借助气相作用或在基材表面的化学反应生成要求的薄膜。

(2)物理蒸镀法(PVD,Physical Vapor Deposition)

利用电阻或电子枪加热蒸镀原料直接沉积到基材表面上。

(3)等离子气体强化蒸镀法(PECVD,Plasma Enhance Chemical Vapor Deposition)

在蒸镀过程中利用等离子气体活化蒸发粒子及引入的反应气体分子,使之能在基材表面生成结构、成分理想的、附着牢固的、均匀且性能优良的镀膜。

目前日本的东洋油墨公司、美国的Flex Product公司、德国的Vanleer公司、意大利的Galilee公司采用的是电阻丝加热方式,日本的尾池工业公司、瑞士的Aluswiss公司、美国的BOC公司、德国的Leybold公司、意大利的CeTev公司等采用电子枪加热蒸发方式。生产速度可达到150~600m/min。

3 SiO X镀膜包装材料的应用与发展趋势

SiO X镀膜包装材料以其优良的阻隔性能、微波加工适应性能被广泛应用于各种商品包装,尤其对芳香型商品包装如食品、药品、化妆品等更具成势。目前国外主要应用的包装领域:日本用来包装食品、调味品、酒类、饮料、果汁、洗涤剂及作为软管、盖膜(如快餐食品、微波食品容器)、蒸煮袋等使用。欧洲广泛用于饼干、巧克力、脱水汤料、药品、肉制品等包装。德国市场上销售的Buss牌带有汤和熟食的可蒸煮、微波加热的快餐是用PET/SiOX/PET封盖包装的;瑞士某公司用镀膜材料制成立式袋包装巴氏消毒处理后的冷冻肉制品;另外在欧洲市场有大量的用PE/SiOX-PET/Paper/PE制成的利乐包装盒,用于果汁、饮料、牛奶等包装,获得玻璃瓶一样的保鲜、保香效果。美国的主要用PE/SiO X/PE/Paper/PE制成的利乐包装盒,用于果汁、饮料、牛奶等包装,获得玻璃瓶一样的保鲜、保香效果。美国主要用PeSiOX/PE/Paper/PE成屋脊形包装盒包装柠檬汁、混合果汁等饮料和用作快餐盒盖材、包装药品。

SiO X镀膜包装材料的应用领域是十分广阔的,随着人们对商品包装品质要求的进一步提高,新产品(如微波食品、微波杀菌消毒技术的应用)不断开发,包装功能的不断强化,这种既具有高阻隔性能、耐高温、透明、微波透过性能良好,又有类似玻璃容器的保鲜保香作用的包装材料,将在与传统的高阻隔性复合材料、多层共挤材料、铝塑复合和真空镀膜材料竞争中占有独特的优势,获得较大的市场份额。目前我国在SiO X镀膜包装材料生产开发应用上存在空白。可以预测,这种新型产业技术的开发和推广,将对我国包装材料工业的发展和产品升级换代起到巨大的推动作用,尤其对于满足逐渐发展的微波食品包装及商品微波杀菌消毒技术处理要求,意义更为重大。

作者: 王建清

来 自: (天津轻工业学院)

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