食品塑料包装材料的选用

作者:老哥稳论坛 发布时间:2020-07-25 07:22

  食品塑料包装材料的选用_能源/化工_工程科技_专业资料。提 纲 §1 塑料的基本概念、组成及主要包装性能 高分子聚合物的组成→单个大分子的结构→多个大分子的结合和聚 集态→物态及相应的性能 塑料的组成(树脂和添加剂) §2 食品包装常用的塑料树脂 常

  提 纲 §1 塑料的基本概念、组成及主要包装性能 高分子聚合物的组成→单个大分子的结构→多个大分子的结合和聚 集态→物态及相应的性能 塑料的组成(树脂和添加剂) §2 食品包装常用的塑料树脂 常用的塑料树脂的性能、使用。重点是环境可降解塑料 §3 软塑料包装材料 常用的食品包装用塑料薄膜→复合包装材料(材料要求和复合工艺) §4 塑料包装容器及制品(常用制品) §5 食品用塑料包装材料的选用 卫生安全性、阻透性、异臭成分 §1 塑料的基本概念、组成及主要包装性能 塑料是一种高分子聚合物-树脂为基本成分,再加入一 些改善其性能的各种添加剂制成的高分子材料。 一、 高分子聚合物塑料的基本知识 (一)高分子聚合物的基本概念 高分子是指它的分子量在104-106以上的大分子物质, 所含的原子数可以高达几百万个。 虽然它分子量很大,但它的化学组成却必不复杂, 它往往是由一种或几种简单的化合物(单体)以某 种形式重复而形成聚合体。 链节:高分子聚合物大分子是由一些基本的单元结构重 复连接而成的,该单元结构称为链节。 聚合度:大分子重复链节的数目。 如果已知链节的分子量和聚合度,可知大分子的分子量。 M= mn M大分子的分子量 m链节的分子量 n 大分子的聚合度 注:同一种高分子聚合物中,各分子所含链节的数目是不 同的 因此高分子聚合物的聚合度和分子量是指其平均聚合度和 平均分子量。 (二) 结构和构象 (单个大分子) 1 原子间作用力:组成高分子聚合物的大分子是原子在 共价键的作用下连接而成的。 这种共价键所形成的结合力较强,称为主价力。 2 分类 高分子聚合物长链分子可以按几何形状分为两种。 线型大分子:由许多链节形成一个长链,长链上可以有 支链,长链之间靠物理吸引,相互结合。 体型大分子:大分子链之间以强的化学键相互交联,形 成立体的网状结构。 Page 50 表3-1 高分子聚合物与低分子化合物之间还有一个重要的区别: 高分子聚合物有特殊的构象: 同分异构体 高分子聚合物大分子链中的单键可以绕着它邻近的键按一 定的键角作旋转运动,它是一种热运动,运动速度很高, 细长的大分子时而收缩,时而舒张. 这种大分子构象的瞬息变化使大分子具有很好的柔顺性 在宏观方面表面出很好的柔韧性和弹性。 (三) 高分子聚合物大分子间的结合及聚集态 1 大分子间作用力:是靠范德华力和氢键结合而构成物体 这两种结合力在这里称为次级键。 注:单个的次级键力与其主键力相比很小,只相当于它 1%- 10%, 但链很长,次级键的总和力要远远超过主价键力。 对于一个化合物来讲,聚合度越大,分子的结合力越大, 相互结合的越紧密。 高分子聚合物比低分子的有高得多的强度和化学稳定性 2 大分子聚集结构对高分子聚合物的性能的影响 分类:依照大分子的聚集态的分子排列是否有序而分为二类 无定型聚合物:大分子在空间以杂乱无序的形式聚集 而构成聚合物。 结晶型聚合物:大分子有规则地排列而构成聚合物。 注:结晶型聚合物内的大分子并非全都规则地排列,只有部分区域 规则地排列,该区域则为晶区 。 聚合物的结晶度:晶区的重量与聚合物的总体重量百分比 结晶度高: 聚合物的强度、硬度、熔点、化学稳定性 阻透性升高。 聚合物的弹性、塑性、冲击强度降低。 在工厂中,可以通过外力拉伸使高分子聚合物沿 着拉伸方向定向排列而提高聚合物的结晶度,从 而提高聚合物的性质。 (四)高分子聚合物的物态及其相应性能 高分子聚合物在不同温度下分别呈现出玻璃态、高弹 态、黏流态,各种物态分别具有一定的特性。高分子聚合 物的结构不同其物态也不同。其关系用温度-形变曲线 线型无定型高分子聚合物 形变曲线所示 在恒定的应力下,随着温度升高,它出现三种物态。 1 玻璃态 温度低于玻璃化温度Tg,它是聚合物作为塑料时的使用状态,这时聚 合物的形变小,而且随外力的消失而消失,呈现刚硬的固体状态。 2 高弹态 温度介于Tg和黏流温度Tm之间,大分子的热运动加剧,聚合物变成 有极高弹性的物体,弹性变形可达原长的5-10倍。 3 黏流态 温度介于Tm和分解温度Td之间,分子动能增加到大分子之间可以相 互滑动的状态而使高分子聚合物变成可流动的黏稠液体。是聚合物 成型加工的物态。 温度超过分解温度Td时,大分子共价键破坏而导致高分子聚合物的 分解。 (2)线型结晶高分子聚合物 它只有结晶态和黏流态, 因为大分子热运动的加剧,不足以 克服结晶区原子之间的结合力,不能成为具有极高弹性的物体。当 大分子不能保持有序排列的结构时,晶区消失而呈现了黏 流态。 (3) 体型高分子聚合物 因为大分子的关联,使大分子束缚而不能产生相对滑动,因此没 有高弹态和黏流态。 二、 塑料的组成和分类 (一)塑料的组成 塑料是一种高分子聚合物-树脂为基本成分,再加入一 些改善其性能的各种添加剂制成的高分子材料 (1)聚合物的主干-树脂 常用树脂分为两类 一类:加聚树脂 如聚乙烯、聚丙烯、聚氯烯、聚乙烯醇、聚苯乙烯等, 它们构成食品包装用树脂的主体。 二类:缩聚树脂。在食品包装中较少应用。 树脂的种类、性质、及在塑料中所占的比例,起主要的决定作用。 (2) 聚合物中的添加剂 1 增塑剂 定义: 提高树脂可塑性和柔软性的添加剂。 原理:增塑剂为一些低分子的物质,当聚合物分子 间夹有低分子物质后,加大了分子间距,降 低其分子作用力,从而增强了大分子柔软性 和相对滑移流动能力。 2 稳定剂 它的功能是防止或延缓高分子材料的老化变质。 A 抗氧剂 阻止高分子材料的氧化变质。 其中酚类抗氧剂因其安全无毒,不易污染而被大量应用。 B 光稳定剂 用于反射或吸收紫外光物质,防止塑料树脂老化 延长其使用寿命。 C 热稳定剂 可防止塑料在加工和使用过程中因受热而引起的降解, 是塑料等高分子材料加工中不可缺少的一类助剂。 目前应用最多的是聚氯乙烯的热稳定剂。 3 填充剂 功用:弥补树脂的某些不足性能,改善塑料的使用性能 如: 提高尺寸稳定性和硬度,同时可降低塑料成本。 添加剂的具体要求: 它与树脂有很好的相溶性、稳定性、不相互影响的特 性 对于食品包装的塑料袋,应具有无味、无毒、无臭、 不 溶出的特征。 (二)塑料的分类 通常按塑料须加热、冷却呈现的性质的不同,分为 热塑性塑料和热固性塑料 1 热塑性塑料 以聚合树脂为基料,加入适量的添加剂而制成。 在特定的温度范围能反复受热软化流动和冷却硬化成 型,其树脂化学组成及基本性能不发生变化。 2 热固性塑料 不常用于食品,不作介绍。 三、塑料材料的主要包装性能指标 (page 53) §2 K-树脂 食品包装常用的塑料树脂 聚偏二氯乙烯(PVDC)page 59 聚氯乙烯(PVC)page 58 聚酰胺(PA)通称尼龙Ny page 60 聚乙烯醇(PVA) 聚酯(PET) 聚碳酸酯(PC) page 60 page 60 page 61 乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA) page 62 乙烯-乙烯醇共聚物(EVAL) page 62 名称 聚乙烯 高压低 密度聚 乙烯 LDPE 低压高密度 聚乙烯 HDPE 线型低 密度聚 乙烯 LLDPE 聚丙烯 (BOPP, OPP) PP 最轻的食品包 装用塑料 聚苯乙烯 简写 特征 阻水性 PE PS 最主要缺点是脆性 差,低于PE 好 高于LDPE 水蒸气透过率 与HDPE相似 差 高于 LDPE 氧气透过率也 相似 好,高于PE 好 阻气性 机械强度 差 差 低 高于LDPE 高于LDPE 差 较好的刚硬度、脆性 大;耐冲击性能差 延伸性 好 耐低温性 耐高温性 透明度 很好 差 不高 较高 低于LDPE 比PE差 - 17℃变脆 优良 好 良好 差,为60℃-80℃ 好,高达88%-92% 名称 聚乙烯 高压低密度 聚乙烯 低压高密度 聚乙烯 线型低密 度聚乙烯 聚丙烯 (BOPP, OPP) 聚苯乙烯 印刷性能 热封性 柔顺性 差,须要处 理 很好 好 好 低于LDPE 低于LDPE 高于HDPE 差,须要处 理 比PE差 加工性 卫生、安全 适用范围 好 好 低于LDPE 较好 高于PE 主要制成 膜,用于 包装肉类、 冷冻食品、 和奶制品, 阻气性差, 不能满足 长时间的 保持要求。 好 好,无毒、 无味 适应食品的 主要制成膜, 与LDPE相 冷冻处理 用于包装要 比,相同强 求较低的食 度下,可节 品,防潮要 省原材料, 求的干燥食 作为复合膜 品;生鲜果 的热封层用 蔬的保鲜包 于高温杀菌 食品的包装 装;冷冻食 品的包装 薄膜经定向 制成透明的 拉伸处理比 食品盒、水 CPP好,包 果盘,色泽 装含油食品, 艳丽发泡EPS 可代替玻璃 可用作保温 纸包装点心、 及缓冲包装 面包,可用 材料,如: 快餐盒 作糖果、点 心的扭结包 装制成各种 形式绳、带 环境可降解塑料 美国材料试验协会的定义:在特定的环境条件下,其化学 结构发生了明显的变化,并用标准的测试方法能测定其物 质性能变化的塑料。 化学上(分子水平):其废弃物的化学结构发生了明显的 变化,最终完全降解成二氧化碳和水 特性上(材料水平):其废弃物在较短时间内,机械力学 性能下降,应用功能大部分或完全丧失。 形态上:其废弃物在较短时间内破裂、崩碎、粉化成为对 环境无害或易被环境消化 被降解的原因 高分子材料降解的敏感性取决于自身的结构 如: 含C-N、C-O等杂键比含单纯C-C的敏感 带支链的比直链的敏感 PE的分子量低于500时,可被微生物所降解 在热塑性塑料中,能被微生物降解只有脂肪族聚酯及 其衍生物。 环境可降解塑料分类: 1 生物可降解塑料 a 生物合成聚酯塑料 它是一种特定的塑料,用特定的细菌经过发酵制成。 它的特点是此聚酯塑料是由生物合成的,亦能为微生物所分解。 b 天然高分子材料 是指淀粉、纤维素、蛋白质、多糖等能被微生物所降解的 物质,经适当的改性后,制成的包装材料。 研究的重点是以淀粉为主要原料。 如研究的用大豆淀粉制取包装包装材料,它最大的特点就是有很好 的降解性。 光降解塑料 指光照作用下能降解的塑料。 应用:农用薄膜和饮料包装袋上 缺点:如何确定使用的安全期及所分解的物质能否对环 境造成危害。 如:塑料在见光 30 个小时后,就分解,在实际中肯定不适合商品 的流通。 §3 软塑料包装材料 定义:软塑料包装材料指的是塑料的挠性(弯曲性)包装 材料。 指单种塑料薄膜、塑料与塑料的复合薄膜或是以塑料为主体包含纸 或铝箔等其他可挠性材料的复合材料。 一、 常用食品包装用塑料薄膜 (1) 普通塑料薄膜 是指用普通方法成型而未经拉伸处理一类薄膜。 包装性能主要取决于树脂的品种。 对于单一薄膜 阻湿性能好:PVDC、拉伸PP、PE 气体阻隔性优良:PVA、PA、PE、PVDC、EVAC 耐高温性能好:CPP、PA、PET、PVDC (2) 定向拉伸塑料薄膜 定义:将普通塑料薄膜在其玻璃化至熔点的某一温度条件 下拉伸到原长度的几倍,然后在张紧状态下,在高于其拉 伸温度而低于熔点的温度区间内某温度保持几秒进行热处 理定型,最后急速冷却至室温,可制得定向拉伸薄膜。 性能的影响因素: 塑料的品种、分子量大小、结晶度、热处理的时间、温度 拉伸方向、拉伸程度 注: 1 单向拉伸的薄膜拉伸方向上强度增加,而未经拉伸方向强度降低、 易破裂。 2 拉伸程度可以影响机械力学性能、阻透性能、和耐热耐寒性能。 (3) 高阻隔性薄膜 是指厚度在25.4μm以下的薄膜在22.8℃条件下的透气度为 1 0 mL/(645cm2.24h.0.1MPa) 以 下 。 目 前 只 有 EVOH、 PVDC和聚丙烯腈(不严格的讲PA和PET也可算作)。 例:EVOH(乙烯-乙烯醇共聚物膜) 优点:极好的阻气性,可大大提高食品的保香性和延长保 质期。 它是高阻性材料中热稳定性最好的一种 由于EVOH分子结构中有亲水基团,易吸附水分而影响其 高阻气性,故EVAL一般用复合膜的中间。 三、 复合软包装材料 定义:是指两层或两层以上不同品种可挠性材料,通过一 定技术组合而成的“结构化”多层材料,所用的复合材料 有塑料薄膜、铝箔和纸等。 单一材料有一定的优异的性能,但不可避免的存在一定的缺点,而 不能满足食品包装的要求。将不同的包装材料复合,使其拥有多种 综合包装性能,现在是食品包装材料的 最主要的品种和国际性 发展方向。 (一)复合软包装材料的物质性和基本要求 复合软包装材料虽然种类众多,但它性能主要取决于基 材的数量和性能。 ( 1) 复合软包装材料的特性要求 1 综合包装性能要好 结合所有基材的优点,而克服了它们的缺点 2 卫生安全性好 一般将印刷装饰层处于中间 ( 2 ) 食品包装材料的结构要求 1 内层要求(直接和食品接触的层面) 无毒、无味、耐油、耐化学性能好,具有热封性 和黏合性 如:PE、CPP、EVA 2 外层要求(在外面的层面) 光学性能好(看起来比较美观),印刷性好,耐磨耐 热,具有强度和刚性 如:PA、PET、BOPP、PC、铝箔及纸 3 中间层要求 具有高阻隔性(阻气、阻香,防潮和遮光) 如:铝箔和PVDC 复合包装材料的表示方法: 例: 纸/PE/Al/PE 从左至右依次为外层、中间层、和内层材料 外层纸提供印刷性能 中间PE层起黏结作用 中间Al提供阻隔性和刚度 内层PE提供热封性能 (二)复合的工艺方法 (1) 涂布法 在一种基材表面涂上涂布剂并经干燥或冷却后形成 复合材料的加工方法。 如:涂布PVDC主要用于提高薄膜阻隔性 涂布PE是要提供良好的热封层 (2) 共挤法 用两台或两台以上的挤出机,分别将加热熔融的异 色或异种塑料从一个模孔中挤出成膜的工艺方法。 主要用于材料相近或相同的多层组合共挤。 (3) 层合法 定义:用黏合剂把两层或两层以上的基材黏合在一 起而形成复合材料的一种工艺方法。 适用: 某些无法用于挤出复合工艺加工的复合材料 关键:选择合适的黏合材料和黏结剂。 例:高温蒸煮袋用复合膜 分类: 按所能达到的温度: 高温(121℃30min)和超高温(135℃30min) 按结构: 分透明袋和不透明袋 复合膜的一般结构: 外层一般用PET或PA,内层用CPP(若用PE,仅能承受 110℃以下的高温) 中间层如果是透明的,用PVDC或PVA 特点是传热较慢,适合内容物300g以下的小型蒸煮袋 中间层如果是不透明的,用铝箔 特点是快,内容物可超过500g. §4 塑料包装容器及制品 塑料通过各种加工手段,可制成具有各种性能和开头的包 装容器及制品,,其中塑料瓶已成为最主要的液体食品包 装容器,大有取代普通玻璃瓶的趋势。 发展方向:提高瓶子的阻隔性,采用更高阻隔性树脂和 共挤复合、 瓶体的轻量化和高速化生产 如:通过提高拉伸倍率,在提高强体强度和气密性的同时, 降低了瓶体的重量,节省原材料和成本。 Page 78 表3-15 种类 性能特点 加工简单容易,成本低,耐化学腐蚀性好,低温抗冲击 强度好,水蒸气的阻隔性好,气体透过率高,不适合高 温充填和消毒,气体的阻隔性差。 具有挠性,耐冲击,水蒸气的阻隔性好,加工性好,价 格低,但阻气性差,高温下会开裂。 成型方法 HDPE LDPE 挤-吹法 注-吹法 挤-吹法 吹-吹法 PVC 耐冲击强度高,氧气的透过率低,水蒸气的透过率中等,挤-吹法 透明度好,制品变形的温度低,不宜在高温条件下使用, 吹-吹法 加工性较差。 挤-拉-吹法 PP PET 重量轻,熔点高,可消毒处理,耐化学性好,耐冲击, 透明,水蒸气透过率低,而渗透率高,阻气性差,具有 低温脆性 抗拉强度高,耐冲击,透明,水蒸气、氧气、二氧化碳 的透过率低,酒精透过率低,耐油性好,但需要有专用 设备加工,不能加工成有机容器,且价格较高。 注-吹法 注-拉-吹法 注-吹法 注-拉-吹法 §5 食品塑料包装材料的选用 选用塑料包装材料时应注意的问题 一、卫生安全性 树脂本身的毒性 所使用的添加剂有毒或超过规定量 (一 ) 塑料树脂的卫生安全性 大多数树脂是无毒的,但它们的单体分子却大多 有毒性。 如:PVC和PVDC的单体有明显的致突变性 聚苯乙烯树脂中苯乙烯单体对肝细胞有 破坏作用 丙烯腈单体是强致癌物质 二、 塑料包装材料的阻透性 阻透性是食品包装材料最主要的特性。因为包装材料对内容物的保 护性主要取决于对空气、氧、水蒸气的阻透性。 影响透过性的因素: 内部:塑料本身的成分、大分子的结构和分子聚集的 状态、受温湿度的影响 外部:能透过物质分子的大小和性质、及二者的亲 和性 (一) 阻气性和聚合分子结构的关系 聚合物树脂分子的极性大、结晶度高、分子定向的排列 的程度大,可使分子紧密结合,而提高其阻气性。 而常用的拉伸处理,可使结晶度和分子的定向排列程度 增大。 常用塑料树脂的阻气性能: 原则:分子极性越大,阻气性越大 排序:PET;PVAPA,PACPSPE,PP (二) 水蒸气的透过性和树脂分子的结构关系 这主要取决于水蒸气与树脂分子的亲和性 亲水性树脂:如PVA和PA可以吸收水分 吸收水分既可以对聚合物起增塑作用,又使水蒸气在材料中容易扩 散,使薄膜发生溶胀现象。而且随着湿度的改变,阻透性还会发生 变化。 非亲水性树脂:透湿性不受环境湿度的影响。 结论:非亲水性树脂比亲水性树脂的阻湿性要好 (三) 温度对塑料包装材料阻透性的的影响 温度一般对聚合物树脂的分子结构有影响,但也随 材料的不同而不同 如:PVDC受温度的影响变化小,铝箔则更小 规律:温度升高,阻透性能下降 原因:温度升高,使聚合物的结晶度、排列取向 度降低,分子间距拉大,密度降低。 三、 塑料包装材料的异臭成分 产生异臭的因素 1 塑料制造过程中未反应物和副产物等产生的异味 2 塑料热分解或氧化生成物产生的异味 如果塑料的软化湿度接近于热分解温度,在加工过程中受热, 会产生热分解而产生异臭,所以在加工过程中应把湿度控制 在适当的范围内。 3 添加剂的挥发、溶出及分解而产生异臭 4 印刷油墨和辐照所产生的异臭


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