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高阻隔塑料材料应用与进展

高阻隔塑料材料应用与进展目前高阻隔性已成为塑料包装材料的重要发展方向之一,尤其是在食品、医药包装中,更是越来越强调高阻隔性。

◆PVDCPVDC(聚偏二氯乙烯)的特点是低透过性、阻隔性和耐化学药品性。

我国PVDC是伴随着火腿肠加工技术引进并得到发展的,2002年国内PVDC产量约为2万吨,目前已广泛应用于食品、卷烟、饮料保鲜和隔味,以及化工、医药、电子和军工产业的防潮包装。

我国浙江巨化公司、大连塑料研究所等单位对其合成与加工研究做了大量工作并取得突破。

单层PVDC薄膜采用双向拉伸吹塑制取,具有收缩性、阻隔性、阻水性,在微波加热的条件下不分解,广泛用于家用保鲜膜;PVDC与聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(HIPS)等合成树脂多层挤出用于真空奶制品、果酱等包装,其拉伸性能较好,适于较大容积的包装;PVDC与PE、聚氯乙烯(PVC)的复合片材适用于易吸潮、易挥发药品的包装。

目前国内许多科研单位和生产厂家集中研究PVDC与其它树脂复合层压薄膜技术及复合薄膜的耐高温技术。

由于PVDC是目前唯一被美国FDA认证可以与食品接触的高阻隔透明材料,因此在许多塑料包装材料上涂覆PVDC胶乳也成为国际食品包装业常用的手法之一。

PVDC使用于多种基材如PE、PP、PVC、聚酰胺(PA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等,以双向拉伸聚丙烯薄膜为例,涂覆后透氧率降低1000倍,透水率降低3倍;涂覆可以单层或多层,一般单层涂覆为2.5μm即可具备良好的阻隔效果。

◆EVOHEVOH的阻隔性能取决于乙烯的含量,一般来说当乙烯含量增加时候,气体阻隔性下降,但难于加工。

EVOH显著特点是对气体具有极好的阻隔性和极好加工性,另外透明性、光泽性、机械强度、伸缩性、耐磨性、耐寒性和表面强度都非常优异。

目前国外主要生产商有美国的EVAL公司,日本可乐丽公司、合成化学工业公司,比利时SOLVAY公司等。

在包装领域,EVOH制成复合膜中间阻隔层,应用在所有的硬性和软性包装中;在食品业中用于无菌包装、热罐和蒸煮袋,包装奶制品、肉类、果汁罐头和调味品;在非食品方面,用于包装溶剂、化学药品、空调结构件、汽油桶内衬、电子元件等。

在食品包装方面,EVOH的塑料容器完全可以替代玻璃和金属容器,国内多家水产公司出口海鲜就使用PE/EVOH/PA/RVOH/PE五层共挤出膜真空包装。

在加快EVOH复合膜研究同时,国外也在研究EVOH拉伸取向,新型EVOH薄膜对气体的阻隔性能为现有的高性能的非拉伸EVOH薄膜的3倍。

另外EVOH也可以作为阻隔材料涂覆在其他合成树脂包装材料上,起到增强阻隔性能效果。

◆PENPEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)的结构与PET相似,不同的是用萘环取代了苯环,但几乎在各方面都优于PET:其阻隔性约为PET5倍,耐热性、耐化学药品性能更好。

随着其原料2,6-萘二甲酸合成技术取得突破,国外ICI公司、Shell公司、阿莫科公司、伊士曼公司等著名化工公司进行了生产并加快了应用研究。

目前在食品、饮料、药品、化妆品等方面已获得应用,如小尺寸碳酸饮料瓶,果汁、矿泉水、牛奶、啤酒瓶,婴儿食品(可蒸煮消毒)包装,要求高阻隔、耐辐射和耐化学药品性的医药包装,要求强度高、耐冲击、耐化学药品、高阻隔的工业包装等。

在啤酒、饮料包装方面,更是弥补了PET和玻璃的缺陷,成为近年来热点话题。

西欧一些国家已经开始在市场上使用PEN啤酒瓶,保鲜效果与玻璃瓶相同,且耐冲击、易回收。

近年来我国也进行一定研究,如仪征化纤股份公司产品技术开发中心进行PEN的合成与工艺优化,桂林电科所也尝试合成PEN。

目前制约其发展的是原料合成技术不成熟,国内许多科研机构进行研究,但是没有取得突破性进展,国内有企业计划引进国外原料生产技术,进而合成PEN。

尽管近年来国外对PEN合成技术进行了相当改进与完善,但是应用成本依然偏高,因此合金化成为扩大PEN应用范围的有效途径之一。

一方面在PEN性能变化不大前提下,降低生产成本,另一方面在价格提高不多情况下,大幅度提高合金的阻隔性及其他性能。

目前PEN合金化研究成为包装业热点话题,由于PET与PEN结构相似、来源丰富价格便宜、在包装业中应用广泛,因此研究最多的是PEN/PET合金。

PEN/PET共混成型关键在于二者相容性,其衡量指标是酯交换率,因此选择合理酯交换率是关键。

PEN/PET合金可以在现有用于PET的拉伸吹塑机上稍作修改后生产容器;把PEN含量高共聚物与PET共聚形成多种嵌段共聚物,可以在传统的拉伸、吹塑、注射设备上进行加工,从而使PEN在包装领域中处于更有利的地位。

目前利用PEN/PET共聚物和共混物可以制作耐热瓶、高阻隔瓶、紫外线吸收瓶、热成型容器等。

◆腈基树脂腈基树脂是聚合物,是由大约70%丙烯腈和甲基丙烯酸甲酯或苯乙烯及冲击改性单体丁二烯共聚而成,具有良好气体阻隔性、耐化学药品和保鲜性能,可以加工成吹塑容器和热塑性塑料容器,用于调味品、加工肉类等包装;非食品方面包括挤塑容器,用于包装家用产品、汽车和工业产品等;注塑—吹塑容器,用于包装修正液、指甲油、以及热成型的包装物等。

目前国外腈基树脂已经工业化应用,国内少数科研机构进行研究开发,但是尚未实现产业化。

◆聚酰胺聚酰胺(PA)一直作为多层复合膜的重要阻隔材料而不断发展。

PA与聚烯烃复合,可以满足许多食品需要阻隔气体、香味、保持湿气的要求。

近年来国内外成功开发出PA6纳米阻隔复合材料,在阻透性、拉伸方面有明显提高,如国内岳阳石化研究院转摘于华夏酒报·中国酒业新闻网成功开发的纳米PA6,与普通PA6相比,有更佳的阻氧性和耐热性;中科院化学所与日本尤尼奇卡公司也进行纳米PA6的研究;美国伊士曼公司和Nanolor公司共同开发的PA6/n-MMT复合物,不仅有较高气体阻隔性能,而且与PET加工特性相符,相容性能好,也可以在PET加工机械上进行加工或者与PET进行共混合金化。

MXD6是近年来新开发一种聚酰胺材料,是由间苯二甲胺和已二酸缩聚而成的半结晶性聚合物,气体阻隔性和热性能均明显优于PA6,并具有较好透明性,氧气渗透率比PA6小10倍。

国外研究机构试验表明用特殊聚酰胺MXD6做阻隔层,效果要好于EVOH。

目前国外杜邦公司等数家企业生产MXD6,其与PET的共混料符合FDA有关接触食品的要求,低温阻隔性不如PVDC,当温度升高后阻隔性优于PVDC,而且其气味阻隔性和力学性能非常优异。

目前MXD6主要用于高阻透性薄膜和高强度阻隔性结构材料,其最大特点是阻透性不随湿度增加而降低,但是价格较贵,在部分领域使用受到限制。

其主要原料间苯二甲胺国内上海石油化工研究院、浙江温州清明化工厂等有生产,国内也有部分从事聚酰胺合成与改性研究机构对MXD6合成与应用进行研究。

我国对塑料包装材料尤其是高阻隔性能包装材料的开发与生产尚处于起步阶段,在上述典型的高阻隔材料中,国内仅能够生产PVDC和聚酰胺,其他方面开发还处于空白状态。

一方面我国许多塑料包装材料尤其食品、药品要求高阻隔性材料无法满足国际市场竞争;另一方面,国内对食品、药品的高阻隔性包装要求越来越高。

我国目前高阻隔性包装材料研究开发生产均不能适应国内市场快速增长的需求,大力发展高阻隔性包装材料的社会效益和经济效益都非常明显。

七层高阻隔共挤吹塑薄膜生产设备汕头金明塑胶设备有限公司的七层共挤吹塑薄膜机组采用美国美奎公司的28组分自动称重喂料系统、多层共挤叠加机头,该模头利用中心进料,螺旋心轴分配,双锥面叠加结构;自动薄膜厚度调整控制系统;自动双工位卷取机采用表面,中心和间隙卷取方式及计算机集中控制系统等。

最大线速度为60m/min,最大卷径为Ф800mm。

此外,配置了Autoprofile自动风环,根据机头规格,该风环由60-160个加热元件组成,精确地安装在风环圆周上通过在线厚度仪与微处理器组成一个完整的自动厚度变化控制系统。

Reifenhuser公司的Filmtec7-1700IBC七层共挤吹膜生产线的Filmtec7-1700IBC七层共挤吹膜生产线可生产宽1600mm,厚0.02-0.2mm薄膜,最大挤出量达600kg/h。

挤出机为7台ф60,30L/D单螺杆挤出机;机头为BK-F-0500HDS平面叠加机头,口模为300-500mm;牵引采用旋转牵引装置,带电动调节毛刷辊和水平转动杆;定径装置分为滚子轴承定径蓝和带导向套定径蓝。

Reifenhuser的无褶皱人字板包括光滑滚动辊人字板、碳纤维辊人字板、木板人字板和组合式人字板。

卷取装置包括SFAII标准薄膜卷取装置、适用于粘的薄膜和敏感复合薄膜UFAIII高性能薄膜卷取装置和适用于宽薄膜和側插板8折折叠薄膜的FACII卷取装置。

德国KIEFEL公司的九层共挤吹膜设备的9层共挤吹膜设备,采用模块化技术。

挤出机采用了经过特别设计的、剪切力极小的混料段。

该混料段可以保证熔体温度的可控性以及膜泡的稳定性。

此外,为了节省空间、减少维护成本,这种挤出机采用了无需传动皮带的齿轮箱直接驱动技术。

模头采用预分配器均匀地将从各挤出机出来的熔体流分配到多层环形流道。

多层共挤阻隔膜各单独层的厚度和分布的精确度由预分配器、螺旋型芯的设计及其加工精度来决定,各层合流处的口模内部间隙的精度尤其有着举足轻重的作用。

因为开模力很低,同轴分布的螺旋型芯可以精确地保证各层的结构以及厚度分布;优化设计也能够保证较短的多层熔体合流路径,可以显著减少温度很高的尼龙(PA)层对其他温度敏感原料层造成的不良影响。

采用旋转牵引系统,可以设置更小的旋转角度,减少起泡,对于生产平整度要求高的产品有很大的好处。

德国W&H公司的多层共挤吹膜设备完全采用模块化设计,包括薄膜薄厚均匀度自动调节系统OPTIFIL?P2、膜泡内冷却、多功能回旋式并带有直接驱动式转向辊的薄膜牵引装置MULTINIP、粒料称重配比系统等等。

在生产中,所有模块都通过跨系统的操作方案PROCONTROL?TS及客户的模块式自动化系统OPTIFIL?PLUS而组合为一体。

W&H公司的MULTICONE和MAXICONE机头用于生产5层至11层聚烯烃薄膜和阻隔膜(工作宽度最大为3600毫米折径),其流道短、模头中的熔融体量少、流速高,这些特点防止彼此难匹配的原料间的剥离现象,并使设备可迅速地更换产品。

VARIOCAGE和NOSTICAIRCAGE气泡稳定筐可保证宽度偏差极小的薄膜牵引。

VARIOCAGE的特点是结实耐用、极少需要维修。

无接触式气泡稳定筐NOSTICAIRCAGE主要用于生产带粘性的和敏感性薄膜。

模块式回旋牵引装置MULTINIP的标准式配备具有轻质转动性能好的炭素纤维导辊、两根带防粘涂层的吹气转向辊以及电机式遥控装置。

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