塑料是一种以高分子聚合物——树脂为基本成分,再加入一些用来改善其性能的各种添加剂制成的高分子有机材料。塑料用作包装材料是现代包装技术发展的重要标志,因其原材料来源丰富、成本低廉、性能优良,成为近年来世界上发展较快、用量巨大的包装材料。塑料包装材料广泛应用于食品包装,并逐步取代了玻璃、金属、纸类等传统包装材料,使食品包装的面貌发生了巨大的改变,体现了现代食品包装形式的丰富多样、流通使用方便的特点,成为食品销售包装中最主要的包装材料之一。尽管塑料包装材料用于食品包装还存在着某些卫生安全方面的问题,及包装废弃物的回收处理对环境的污染等问题,但塑料包装材料仍是21世纪需求增长最快的食品包装材料之一。
一、塑料的基本概念、组成及包装性能
(一)塑料的组成和分类
1.高分子聚合物的基本概念
高分子聚合物是一类分子量通常在104~106以上的大分子物质,其分子所含原子数通常数几万、几十万甚至高达几百万个,分子长度达102~104nm或更长。由于高分子聚合物由巨大的分子组成,且大分子又有特殊的结构,从而使高分子聚合物具有一系列低分子化合物所不具有的特殊性能,如化学惰性、难溶、强韧性等。高分子聚合物的分子量虽然很大,但它们的化学组成并不复杂,通常由C、H、O、N等构成,往往由一种或几种简单的低分子化合物(也称单体)以某种形式重复连接而成。如聚乙烯由若干乙烯组成,简写。高分子聚合物大分子是由一些基本单元结构重复连接而成,这一单元结构称为链节,如聚乙烯分子的链节。大分子中重复链节的数目n为链节数,也称作聚合度。显然,高分子聚合物大分子的分子量M及分子链的长度与聚合度有关。
M=m·n
式中:m——基本单位的分子量;
n——大分子的聚合度。
同一种高分子聚合物中,各大分子所含链节的数目是不同的,即聚合度不同。因此,某种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。
2.塑料的组成
塑料是一种以高分子聚合物——树脂为基本成分,再加入一些用来改善性能的各种添加剂而制成的高分子材料。其中树脂是最基本、最主要的组分,也是决定塑料类型、性能和用途的根本因素。
(1)聚合物树脂。塑料中聚合物树脂占40%~100%。塑料的性能主要取决于树脂的种类、性质及在塑料中所占的比例,各类添加剂也能改变塑料的性质,但所用树脂种类仍是决定塑料性能和用途的根本因素。目前生产上常用树脂有两大类:一类为加聚树脂,如聚乙烯、聚丙烯、聚氯烯、聚乙烯醇、聚苯乙烯等,这是构成食品包装用树脂的主体;另一类是缩聚树脂,如酚醛、环氧、氨基酸脂等,在食品包装上应用较少。
(2)常用添加剂。常用的添加剂有增塑剂、稳定剂、填充剂、抗氧化剂等。
①增塑剂:是一类提高树脂可塑性和柔软性的添加剂,通常为一些有机低分子物质。聚合物分子间夹有低分子物质后,加大了分子间距,降低其分子间作用力,从而增加大分子的柔顺性和相对滑移流动能力。因此,树脂中加入一定量增塑剂后,其Tg、Tm温度降低,在黏流态时黏度降低,流动塑变能力增高,从而改善塑料成型加工性能。
②稳定剂:用于防止或延缓高分子材料的老化变质。塑料老化变质的因素很多,主要有氧气、光和热等。稳定剂主要有三类:第一类为抗氧剂,有胺类抗氧剂和酚类抗氧剂,酚类抗氧剂其抗氧能力虽不及胺类,但因具有毒性低、不易污染的特点而被大量应用;第二类为光稳定剂,用于反射或吸收紫外光、防止塑料树脂老化、延长其使用寿命,效果显著且用量极少,光稳定剂品种繁多,用于食品包装应选用无毒或低毒的品种;第三类为热稳定剂,可防止塑料在加工和使用过程中因受热而引起降解,是塑料等高分子材料加工时不可缺少的一类助剂,目前应用最多的是用于聚氯乙烯的热稳定剂,其中铅稳定剂和金属皂类热稳定剂因含重金属而毒性大,因此,用于食品包装应选用有机锡稳定剂等低毒性产品。
③填充剂:它的功用是弥补树脂的某些不足性能,改善塑料的使用性能,如提高制品的尺寸稳定性、耐热性、硬度、耐气候性等,同时可降低塑料成本。常用填充剂有碳酸钙、陶土、滑石粉、石棉、硫酸钙等,其用量一般为20%~50%。
④着色剂:用于改变塑料等合成材料固有的颜色,分无机颜料、有机颜料和其他染料。塑料着色可使制品美观,提高其商品价值,用作包装材料还可起屏蔽紫外线和保护内容物的作用。
⑤其他添加剂:根据其功能和使用要求,在塑料中不可加入润滑剂、固化剂、发泡剂,抗静电剂和阻燃剂等。
塑料所用各种添加剂应具有与树脂很好的相溶性、稳定性、不相互影响其作用等特性,对用于食品包装的塑料,特别要求添加剂具有无味、无臭、无毒、不溶出的特性,以免影响包装食品的品质、风味和卫生安全性。
3.塑料的分类
塑料的品种很多,分类方法也很多,通常按塑料在加热、冷却时呈现的性质不同,把塑料分为热塑性塑料和热固性塑料两类。
(1)热塑性塑料(Thermoplastic):主要以加成聚合树脂为基料,加入适量添加剂而制成。在特定温度范围内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。这类塑料成型加工简单,包装性能良好,可反复成型,但刚硬性低,耐热性不高。包装上常用的塑料品种有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚酰胺、聚碳酸酯、聚偏二氯乙烯等类塑料。
(2)热固性塑料(Thermosetting Plastic):主要以缩聚树脂为基料,加入填充剂、固化剂及其他适量添加剂而制成;在一定温度下经一定时间固化,再次受热,只能分解,不能软化,因此不能反复塑制成型。这类塑料具有耐热性好,刚硬、不熔等特点,但较脆且不能反复成型。包装上常用的有氨基塑料、酚醛塑料、环氧塑料等。
(二)塑料材料的主要包装性能指标
1.主要保护性能指标
保护性能指的是能保护内容物,防止其质变、被破坏的性能,主要包括阻透性、机械力学性能、稳定性等。
(1)阻透性:包括对水分、水蒸气、气体、光线等的阻隔性能。
①透气度Qg和透气系数Pg:透气度Qg指一定厚度材料在一个大气压差条件下、1m2面积、24h内所透过的气体量(在标准状况下),单位cm3/(m2·24h)。透气系数Pg指单位时间、单位压差下透过单位面积和厚度材料的气体量,单位g/(m·h·Pa)。
②透湿度Qv和透湿系数Pv:透湿度Qv指一定厚度材料在一个大气压差条件下、1m2面积、24小时内所透过的水蒸气的克数,单位g/(m2·24h)。透湿系数Pv指单位时间单位压差下、透过单位面积和厚度材料的水蒸气重量,单位g/(m·h·Pa)。
③透水度Qg和透水系数Pg:透水度Qg指1m2材料在24h内所透过的水分重量,单位g/(m2·24h)。透水系数Pg指单位时间、单位压差下、透过单位面积和厚度材料的水分重量,单位位g/(m·h·Pa)。
④透光度T:指透过材料的光通量和射到材料表面光通量的比值,以%表示。
(2)机械力学性能:指外力作用下材料表现出抵抗外力作用而不发生变形和破坏的性能,主要有下列几项。
①硬度:指在外力作用下材料表面抵抗外力作用而不发生永久变形的能力,常用布氏硬度(HB)和洛氏硬度(HR)表示。
②抗张、抗压、抗弯强度:材料在拉、压、弯力缓慢作用下不被破坏时,单位受力截面所能承受的最大力分别称为材料的抗张、抗压、抗弯强度(MPa)。
③爆破强度:使塑料薄膜袋破裂所施加的最小内应力,表示容器材料的抗内压能力;也可由材料的抗张强度来表示,常常用来检测包装封口的封合强度。
④撕裂强度:指材料抵抗外力作用使材料沿缺口连续撕裂破坏的性能,也指一定厚度材料在外力作用下沿缺口撕裂单位长度所需的力(N/cm)。
⑤戳刺强度:材料被尖锐物刺破所需的无原则的最小力(N)。
(3)稳定性:指材料抵抗环境因素(温度、介质、光等)的影响而保持其原有性能的能力,包括耐高、低温性,耐化学性,耐老化性等。
①耐高、低温性能:温度对塑料包装材料的性能影响很大,温度升高,其强度和刚性明显降低,其阻隔性能也会下降;温度降低,会使塑料的塑性和韧性下降而变脆。材料的耐高温性能用温度指标来表示,热分解温度是鉴定塑料耐高温性能的指标之一,而耐低温性用脆化温度表示(指材料在低温下受某种形式外力作用时发生脆性破坏的温度)。用于食品的塑料包装材料应具有良好的耐高、低温性能。
②耐化学性:指塑料在化学介质中的耐受程度,评定依据通常是塑料在介质中经一定时间后的重量、体积、强度、色泽等的变化情况,目前尚无统一的耐腐蚀标准。
③耐老化性:指塑料在加工、储存、使用过程中在受到光、热、氧、水、生物等外界因素作用下,保持其化学结构和原有性能而不被损坏的能力。
2.卫生安全性
食品用塑料包装材料的卫生安全性非常重要,主要包括无毒性、耐腐蚀性、防有害物质渗透性、防生物侵入性等。
(1)无毒性。塑料由于其成分组成、材料制造、成型加工以及与之相接触的食品之间的相互关系等原因,存在着有毒单体或催化剂残留,有毒添加剂及其分解老化产生的有毒产物等物质的溶出和污染食品的不安全问题。目前国际上都采用模拟溶媒溶出试验来测定塑料包装材料中有毒有害物的溶出量,并对之进行毒性试验,由此获得对材料无毒性的评价,确定保障人体安全的有毒物质极限溶出量和某些塑料材料的使用限制条件。
模拟溶媒溶出试验其溶媒的选用主要取决于包装食品的特性,部分国家常用食品分类与模拟溶媒如表2-18所列,溶出试验方法及条件按国家的有关法规或标准进行。
表2-18 常用食品分类与模拟溶媒
(2)抗生物侵入性。塑料包装材料无缺口及孔隙缺陷时,一般其材料本身就可抗环境微生物的侵入渗透,但要完全抵抗昆虫、老鼠等生物的侵入则较困难。材料抗生物侵入的能力与其强度有关,塑料的强度比金属玻璃低得多,为保证包装食品在贮存环境中免受生物侵入污染,有必要对材料进行虫害侵害率或入侵率试验,为食品包装的选材及确定包装质量要求和贮存条件等技术指标提供依据。
侵害率:指用一定厚度某材料制成的容器内装食品后密封,在存放环境中存放至被昆虫侵入包装时所经过的平均周数。
入侵率:指用一定厚度某材料制成的容器装入食品后密封,在存放环境中存放时每周侵入包装的昆虫的个数。
3.加工工艺性及主要性能指标
(1)包装制品成型加工工艺性及主要性能指标。塑料包装制品大多数是塑料加热到黏流状态后在一定压力下成型的,表示其成型工艺性好坏的主要指标有:熔融指数(MI)、成型温度及温度范围(温度低,范围宽则成型容易)、成型压力(MPa)、塑料热成型时的流动性、成型收缩率。
(2)包装操作加工工艺性及主要性能指标。表示包装材料在食品包装各工艺过程,尤其在机械化、自动化工艺过程中的操作适应能力,其工艺性指标有:机械性能,包括强度和刚度;热封性能,包括热封温度、压力、时间及热封强度(在规定的冷却时间内热封焊缝所能达到的抗破裂强度)等。
(3)印刷适应性。包括油墨颜料与塑料的相容性,印刷精度、清晰度、印刷层耐磨性等。
二、食品包装常用的塑料树脂
(一)聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)
1.聚乙烯(PE)
聚乙烯树脂是由乙烯单体经加成聚合而成的高分子化合物,为无臭、无毒、乳白色的蜡状固体,其分子结构式为;大分子为线型结构,简单规整且无极性,柔顺性好,易于结晶。聚乙烯塑料是由PE树脂加入少量的润滑剂和抗氧化剂等添加剂构成。
(1)聚乙烯的主要包装特性。阻水阻湿性好,但阻气和阻有机蒸汽的性能差;具有良好的化学稳定性,常温下与一般酸碱不起作用,但耐油性稍差;有一定的机械抗拉和抗撕裂强度,柔韧性好;耐低温性很好,能适应食品的冷冻处理,但耐高温性能差,一般不能用于高温杀菌食品的包装;光泽度透明度不高,印刷性能差,用作外包装需经电晕处理和表面化学处理改善印刷性能;加工成型方便,制品灵活多样,且热封性能很好。PE树脂本身无毒,添加剂量极少,因此被认为是一种安全性很好的包装材料。
(2)乙烯的主要品种、性能特点及应用
①高压低密度聚乙烯(LDPE):具有分支较多的线型大分子结构,结晶度较低,密度也低,为0.91~0.94g/cm3,因此,阻气、阻油性差,机械强度也低,但延伸性、抗撕裂性和耐冲击性好、透明度较高,热封性和加工性能好。LDPE在包装上主要制成薄膜,用于包装要求较低的食品,尤其是有防潮要求的干燥食品。利用其透气性好的特点,可用于生鲜果蔬的保鲜包装,也可用于冷冻食品包装,但不宜单独用于有隔氧要求的食品包装;经拉伸处理后可用于热收缩包装,由于其热封性、卫生安全性好、价格便宜,常作复合材料的热封层,大量用于各类食品的包装。
②低压高密度聚乙烯(HDPE):大分子呈直链线型结构,分子结合紧密,结晶度高达85%~95%,密度为0.94~0.96g/cm3,故其阻隔性和强度均比LDPE高;耐热性也高,长期使用温度可达100℃,但柔韧性、透明性、热成型加工性等性能有所下降。HDPE也大量用于薄膜包装食品,与LDPE相比,相同包装强度条件下可节省原材料;由于其耐高温性较好,也可作为复合膜的热封层,用于高温杀菌(110℃)食品的包装;HDPE也可制成瓶、罐容器盛装食品。
③线型低密度聚乙烯(LLDPE):大分子的支链长度和数量均介于LDPE和HDPE之间,具有比LDPE优的强度性能,抗拉强度提高了50%,且柔韧性比HDPE好,加工性能也较好,可不加增塑剂吹塑成型。LLDPE主要制成薄膜,用于包装肉类、冷冻食品和奶制品,但其阻气性差,不能满足较长时间的保质要求。为改善这一性能,采用与丁基橡胶共混来提高阻隔性,这种改性的PE产品在食品包装上有较好的应用前景。
2.聚丙烯(PP)
聚丙烯塑料的主要成分是聚丙烯树脂,密度为0.90~0.91g/cm3,是目前最轻的食品包装用塑料材料。
(1)主要包装特性。阻隔性优于PE,水蒸气透过率和氧气透过率与高密度聚乙烯相似,但阻气性仍较差;机械性能较好,具有的强度、硬度、刚性都高于PE,尤其是具有良好的抗弯强度;化学稳定性良好,在一定温度范围内,对酸碱盐及许多溶剂等有稳定性;耐高温性优良,可在100~120℃范围内长期使用,无负荷时可在150℃使用,但耐低温性比PE差,-17℃时性能变脆;光泽度高,透明性好,印刷性差,印刷前表面需经一定处理,但表面装潢印刷效果好;成型加工性能良好,但制品收缩率较大;热封性比PE差,但比其他塑料要好;卫生安全性高于PE。
(2)包装应用。聚丙烯主要制成薄膜材料包装食品。薄膜经定向拉伸处理(BOPP、OPP)后的各种性能,包括强度、透明光泽效果、阻隔性比普通薄膜(CPP)都有所提高,尤其是BOPP,强度是PE的8倍,吸油率为PE的1/5,故适宜包装含油食品,在食品包装上可替代玻璃纸包装点心、面包等;其阻湿耐水性比玻璃纸好,透明度、光泽性及耐撕裂性不低于玻璃纸,印刷装潢效果不如玻璃纸,但成本可低40%左右,且可用作糖果、点心的扭结包装。PP可制成热收缩膜进行热收缩包装;也可制成透明的其他包装容器或制品;同时还可制成各种形式的捆扎绳、带,在食品包装上用途十分广泛。
(二)聚苯乙烯(PS)和K-树脂
1.聚苯乙烯(PS)
聚苯乙烯由苯乙烯单体加聚合成,分子结构,因大分子主链上带有苯环侧基,结构不规整、不易结晶,柔顺性很低,因此,PS是线型、无定型、弱极性高分子化合物。
(1)性能特点。PS阻湿、阻气性能差,阻湿性能低于PE;机械性能好,具有较高的刚硬性,但脆性大,耐冲击性能很差;能耐一般酸、碱、盐、有机酸、低级醇,其水溶液性能良好,但易受到有机溶剂如烃类、酯类等的侵蚀软化甚至溶解;透明度好,高达88%~92%,有良好的光泽性;耐热性差,连续使用温度为60~80℃,耐低温性良好;成型加工性好,易着色和表面印刷,制品装饰效果很好;无毒无味,卫生安全性好,但PS树脂中残留单体苯乙烯及其他一些挥发性物质有低毒,对人体最大无害剂量为133mg/kg,因此,塑料制品中单体残留量应限定在1%以下。
(2)包装应用。PS塑料在包装上主要制成透明食品盒、水果盘、小餐具等,色泽艳丽,形状各异,包装效果很好。PS薄膜和片材料经拉伸处理后,冲击强度得到改善,可制成收缩薄膜,片材大量用于热成型包装容器。发泡聚苯乙烯EPS可用作保温及缓冲包装材料。目前大量使用的EPS低发泡薄片材可热成型为一次性使用的快餐盒、盘,使用方便卫生,价格便宜,但因包装废弃物难以处理而成为环境公害,因此将被其他可降解材料所取代。
(3)PS的改性品种。PS最主要的缺点是脆性。其改性品种ABS由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三元共聚而成,具有良好的柔韧性和热塑性,对某些酸、碱、油、脂肪和食品有良好的耐性,在食品工程上常用于制作管材、包装容器等。
2.K-树脂
K-树脂是一种具有良好抗冲击性能的聚苯乙烯类透明树脂,由丁二烯和苯乙烯共聚而成,由于其高透明和耐冲击性,被用于制造各种包装容器,如盒、杯、罐等。K-树脂无毒卫生,可与食品直接接触,经γ射线(2.6mGy)辐照后其物理性能不受影响,符合食品和药品的有关安全性规定,在食品包装上尤其是辐照食品包装应用前景看好。
(三)聚氯乙烯(PVC)和聚偏二氯乙烯(PVDC)
1.聚氯乙烯(PVC)
聚氯乙烯塑料以聚氯乙烯树脂为主体,加入增塑剂、稳定剂等添加剂混合组成,PVC树脂的分子式,大分子中C—Cl键有较强极性,大分子间结合力强,柔顺性差且不易结晶。
(1)性能特点。PVC树脂热稳定性差,在空气中超过150℃会降解而放出HCl,长期处于100℃温度下也会降解,在成型加工时也会发生热分解,这些因素限制了PVC制品的使用温度,一般需在PVC树脂中加入2%~5%的稳定剂。PVC树脂的分子结构决定了它具有较高黏流化温度,且很接近其分解温度,同时其黏流态时的流动性也差,为此需加入增塑剂来改善其成型加工性能。根据增塑剂的加入量不同可获得不同品种的PVC塑料,增塑剂量达树脂量的30%~40%时构成软质PVC,增塑剂量小于5%时构成硬质PVC。
(2)包装特性。PVC的阻气阻油性优于PE塑料,硬质PVC优于软质PVC;阻湿性比PE差;化学稳定性优良,透明度、光泽性比PE优良;机械性能好,硬质PVC有很好的抗拉强度和刚性,软质PVC相对较差,但柔韧性和抗撕裂强度较PE高;耐高低温性差,一般使用温度为-15~55℃,有低温脆性;加工性能因加入增塑剂和稳定剂而得到改善,加工温度在140~180℃范围;着色性、印刷性和热封性较好。
(3)卫生安全性。PVC树脂本身无毒,但其中的残留单体氯乙烯VC有麻醉和致畸致癌作用,对人体的安全限量为1mg/kg体重,故PVC用作食品包装材料时应严格控制材料中VC残留量;PVC树脂中VC残留量≤3ppm、包装制品小于1ppm(1ppm=10-6)时,满足食品卫生安全要求。
稳定剂是影响PVC安全性的另一个重要因素,用于食品包装的PVC材料不允许加入铅盐、镉盐、钡盐等较强毒性的稳定剂,应选用低毒且溶出量小的稳定剂。增塑剂是影响PVC安全性的又一重要因素,用作食品包装的PVC应使用邻苯二甲酸二辛酯、二癸酯等低毒品种作增塑剂,使用剂量也应在安全范围内。
(4)包装应用。PVC存在的卫生安全问题决定其在食品包装上的使用范围,软质PVC增塑剂含量大,卫生安全性差,一般不用于直接接触食品的包装,可利用其柔软性、加工性好的特点制作弹性拉伸膜和热收缩膜;又因其价廉,透明性、光泽度优于PE且有一定透气性而常用于生鲜果蔬的包装。硬质PVC中不含或含微量增塑剂,安全性好,可直接用于食品包装。
(5)改性品种。PVC树脂中加入无毒小分子共混而起增塑作用,故改性塑料中不含增塑剂,在低温下仍保持良好韧性;具有中等阻隔性、卫生安全,价格也便宜;其薄膜制品可用作食品收缩包装,薄片热成型容器用于冰激凌、果冻等的热成型包装。
2.聚偏二氯乙烯(PVDC)
PVDC塑料是由PVDC树脂和少量增塑剂和稳定剂制成。PVDC树脂的分子结构式为:
(1)性能特点。PVDC软化温度高、接近其分解温度,在热、紫外线等作用下易分解,与一般增塑剂相溶性差,加热成型困难而难以应用;工程上采用与氯乙烯单体共聚的办法来改善PVDC的使用性能,大分子有极性、分子结合力强,结构对称、规整,故结晶性高,加工性较差,制成薄膜材料时一般需加入稳定剂和增塑剂。
(2)包装特性。PVDC树脂用于食品包装具有许多优异的包装性能:阻隔性很高,且受环境温度的影响较小,耐高低温性良好,适用于高温杀菌和低温冷藏;化学稳定性很好,不易受酸、碱和普通有机溶剂的侵蚀;透明性光泽性良好,制成收缩薄膜后的收缩率可达30%~60%,适用于畜肉制品的灌肠包装,但因其热封性较差,薄膜封口强度低,一般需采用高频或脉冲热封合,也可采用铝丝结扎封口。
(3)适用场合。PVDC膜是一种高阻隔性包装材料,其成型加工困难,价格较高。目前除单独用于食品包装外,还大量用于与其他材料复合制成高性能复合包装材料。由于PVDC有良好的熔黏性,可作复合材料的黏合剂,或溶于溶剂成涂料,涂覆在其他薄膜材料或容器表面(称K涂),可显著提高阻隔性能,适用于长期保存的食品包装。
(四)聚酰胺(PA)和聚乙烯醇(PVA)
1.聚酰胺(PA)
聚酰胺通称尼龙Ny(Nylon),是分子主链上含大量酰胺基团结构的线型结晶型高聚物,按链节结构中C原子数量分为Ny6和Ny12等。PA树脂大分子为极性分子,分子间结合力强,大分子易结晶。
(1)性能特点。在食品包装上使用的主要是PA薄膜类制品,具有的包装特性为如下。
①阻气性优良,但因分子极性较强,是一种典型的亲水性聚合物,阻湿性差,吸水性强,且随吸水量的增加而溶胀,其阻气阻湿性能急剧下降。
②化学稳定性良好,PA具有优良的耐油性,耐碱和大多数盐液的作用,但强酸能侵蚀它,水和醇能使Ny溶胀。
③PA抗拉强度较大,但随其吸湿量的增多而使强度降低;抗冲击强度比其他塑料明显高出很多,且随吸湿量增加而提高。
④耐高低温性优良,正常使用温度范围在-60~130℃,短时耐高温达200℃。
⑤成型加工性较好,但热封性不良(180~190℃),一般常用其复合材料。
⑥卫生安全性好。
(2)适用场合。PA薄膜制品大量用于食品包装,为提高其包装性能,可使用拉伸PA薄膜,并与PE、PVDC或CPP等复合,提高防潮阻湿和热封性能,可用于畜肉类制品的高温蒸煮包装和深度冷冻包装。
2.聚乙烯醇(PVA)
PVA由聚醋酸乙烯酯经碱性醇液醇解而得,分子结构式为:
是一种分子极性较强且有高度结晶的高分子化合物。
(1)性能特点。包装上PVA通常制成薄膜用于包装食品,具有如下特点:阻气性能很好,特别是对有机溶剂蒸汽和惰性气体及芳香气体;因其为亲水性物质,阻湿性差,透湿能力是PE的5~10倍,吸水性强、易吸水溶胀,且随吸湿量的增加而使其阻气性能急剧降低;化学稳定性良好,透明度、光泽性及印刷性都很好;机械性能好,抗拉强度、韧性、延伸率均较高,但因承受吸湿量和增塑剂量的增加而使强度降低;耐高温性较好,耐低温性较差。
(2)适用场合。PVA薄膜可直接用于包装含油食品和风味食品,吸湿性强使其不能用于防潮包装,但通过与其他材料复合可避免易吸潮的缺点,充分发挥其优良的阻气性能而广泛用于肉类制品如香肠、烤肉、切片火腿等包装,也可用于黄油、干酪及快餐食品包装。
(五)聚酯(PET)和聚碳酸酯(PC)
1.聚酯(PET)
聚酯是聚对苯二甲酸和乙二酯的简称,俗称涤纶,具有较高的强韧性和较好的柔顺性。
(1)性能特点。PET用于食品包装,与其他塑料相比具有许多优良的包装特性:具有优良的阻气、阻湿、阻油等高阻隔性,化学稳定性良好;具有其他塑料所不及的高强韧性能,抗拉强度是PE的5~10倍,是PA的3倍,抗冲强度也很高,还具有良好的耐磨和耐折叠性;具有优良的耐高低温性能,可在-70~120℃温度下长期使用,短期使用可耐150℃高温,且高低温对其机械性能影响很小;光亮透明,可见光透过率高达90%以上,并可阻挡紫外线;印刷性能较好;卫生安全性好,溶出物总量很小;由于熔点高,故成型加工、热封较困难。
(2)适用场合。PET制作薄膜用于食品包装主要有四种形式:
①无晶型未定向透明薄膜,抗油脂性很好,可用来包装含油及肉类制品,还可作食品桶、箱、盒等容器的衬袋。
②将上述薄膜进行定向拉伸,制成无晶型定向拉伸收缩膜,表现出高强度和良好热收缩性,可用作畜肉食品的收缩包装。
③结晶型塑料薄膜,即通过拉伸提高PET的结晶度,使薄膜的强度、阻隔性、透明度、光泽性得到提高,包装性能更优越,可大量用于食品包装。
④与其他材料复合,如真空涂铝、K涂PVDC等制成高阻隔包装材料,用于保质期较长的高温蒸煮杀菌食品包装和冷冻食品包装。
PET也有较好的耐药品性,经过拉伸,强度好、又透明,许多清凉饮料都使用PET瓶包装。PET不吸收橙汁的香气成分d-柠檬烯,显示出良好的保香性,因此,作为原汁用保香性包装材料是很适合的。
(3)改性品种。新型“聚酯”包装材料聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)与PET结构相似,只是以萘环代替了苯环,PEN比PET具有更优异的阻隔性,特别是阻气性、防紫外线性和耐热性比PET更好。PEN作为一种高性能、新型包装材料,将有一定的开发前景。
2.聚碳酸酯PC(Polycar Bonate)
(1)性能特点。PC大分子链节结构的规整性决定了它能够结晶,又难与熔体结晶,具有很好的透明性和机械性能,尤其是低温抗冲击性能,故PC是一种非常优良的包装材料,但因价格贵而限制了它的广泛应用。
(2)适用场合。在包装上,PC可注塑成型为盆、盒,吹塑成型为瓶、罐等各种韧性高、透明性好、耐热又耐寒的产品,用途较广。在包装食品时因其透明而可制成“透明”罐头,可耐120℃高温杀菌处理。存在的缺点是:因刚性大而耐应力开裂性差和耐药品性较差。应用共混改性技术,如用PE、PP、PET、ABS和PA等与之共混成塑料合金可改善其应力开裂性,但其共混改性产品一般都失去光学透明性。
(六)乙烯—醋酸乙烯共聚物(EVA)和乙烯—乙烯醇共聚物(EVAL)
1.乙烯—醋酸乙烯共聚物(EVA)
EVA由乙烯和醋酸乙烯酯(VA)共聚而得,EVA的性能取决于VA的分子量及其在共聚物中的含量,当EVA分子量一定时,共聚物中VA含量低则接近于PE的性能,VA含量在10%~20%时能部分结晶而用于塑料;VA含量在10%左右时,EVA刚性较好,成型加工性、耐冲击性比PE还好些;当VA含量增大时,它的弹性、柔软性、透明性增大,VA含量大于30%时的EVA性似橡胶;当VA含量大于60%时便成为热熔黏结剂。
(1)性能特点。EVA阻隔性比LDPE差,且随密度降低透气性增加;环境抗老化性能比PE好,强度也比LDPE高,增加VA含量能更好抗紫外线,耐臭氧作用比橡胶高;透明度高,光泽性好,易着色,装饰效果好;成型加工温度比PE低20~30℃,加工性好,可热封也可黏合;具有良好抗霉菌生长的特性,卫生安全。
(2)适用场合。不同的EVA在食品包装上用途不同,VA含量少的EVA薄膜可作呼吸膜包装生鲜果蔬保鲜贮藏,也可直接用于其他食品的包装;VA含量10%~30%的EVA薄膜可用作食品的弹性裹包或收缩包装,因其热封温度低、封合强度高、透明性好而常作复合膜的内封层。EVA挤出涂布在BOPP、PET和玻璃纸上,可直接用来包装干酪等食品。VA含量高的EVA可用作黏结剂和涂料。
2.乙烯和乙烯醇共聚物(EVAL)
EVAL是乙烯和乙烯醇的共聚物,乙烯醇改善了乙烯的阻气性,而乙烯则改善了乙烯醇的可加工性和阻湿性,故EVAL具有聚乙烯的易流动加工成型性和优良的阻湿性,又具有聚乙烯醇的极好阻气性。
(1)性能特点。EVAL树脂是高度结晶型树脂,EVAL最突出的优点是对O2、CO2、N2气体的高阻隔性,及优异的保香阻异味性能。EVAL的性能依赖于其共聚物中单体的相对浓度,一般地,当乙烯含量增加时,阻气性下降,阻湿性提高,加工性能也提高;由于EVAL主链上有羟基而具亲水性,吸收水分后会影响其高阻隔性,为此常采用共挤方法把EVAL夹在聚烯烃等防潮材料的中间,充分体现其高阻隔性能;EVAL有良好的耐油和耐有机溶剂性,且有高抗静电性,薄膜有高的光泽度和透明度,并有低的雾度。
(2)适用场合。EVAL作为高性能包装新材料,目前已开始用于有高阻隔性要求的包装上,如真空包装、充气包装或脱氧包装,可长效保持包装内部气氛的稳定。
EVAL可制成单膜,可共挤制成多层膜及片材,也可采用涂布方法复合,加工方法灵活多样。杜邦公司还采用云母填充EVAL树脂制成高阻隔包装容器,使其阻隔性进一步提高,二氧化碳的渗透性降低了3~4倍。目前由于EVAL的价格较高而限制了其在食品包装上的广泛应用。
(七)离子键聚合物(Lonomer)
离子键聚合物是一种以离子键交联大分子的高分子化合物,目前常用的是乙烯和甲基丙烯酸共聚物引入钠离子或锌离子交联而成的产品,也称离聚体,商品名为Surlyn。由于大分子主链有离子链存在,使聚合物具有交联大分子的特性,在常温下强度高,韧性大,但加热到一定温度时,其金属离子形成的交联可离解,表现其热塑性,影响其再次熔融加工,冷却后可再交联,是一种高韧性的热塑性塑料。
(1)性能特点。Surlyn薄膜用于食品包装所表现的主要特性为:有极好的冲击强度,抗张强度是LDPE的2倍多,且在低温下也性能优良;韧性弹性好,有优良的抗刺破性和耐折叠性;阻气性优于PE,但阻湿性差;耐无机酸、碱和油脂性优良;透明性优良,光泽度高;耐低温性良好,但高温易氧化老化,正常使用温度不应高于80℃;成型加工性较好,印刷适应性好,且无臭、无味、无毒,卫生安全;但脂肪族烃、芳香烃及杂环化合物对Surlyn有溶胀性。Surlyn最大的特点是有极好的热封性,在相同温度条件下封合强度几乎是PE、EVA的10倍,且热封温度低、范围宽(100~160℃)。
(2)适用场合。离子型聚合物薄膜适用于形状复杂或带棱角的食品包装,特别适用于包装油脂性食品,可用作普通包装、热收缩包装、弹性裹包,也可作复合材料的热封层。
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