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塑料包装容器的气体阻隔技术
时间:2013-05-08   来源: 包装前沿   阅读:3219次

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    前言
    包装容器是人们日常生活中不可或缺的物件,它肩负着物品存储、运输中保护物品形态及质量的功能。容器所使用的材料有金属、玻璃、纸以及塑料等。在这些材料中,塑料具有质轻、柔软、透明等特点,应用面广、使用方便,预计今后其使用范围将进一步拓展。然而塑料与玻璃、金属等材料相比,对气体的阻隔性差,见图1。 在饮料、食品领域,包装容器的阻隔性是一个重要的因素,饮料、食品会由于氧化而导致品质下降。为解决塑料容器阻隔性差的问题,传统的方法是以EVOH等阻隔性树脂为中间层,制多层塑料容器,见图2。

      
    近年来人们对气体阻隔性的要求进一步提高,日本东洋制罐公司为适应这一需求,着手开发了具有比传统阻隔性容器更高阻隔性的透明吸氧多层聚烯烃容器,并实现了容器的商品化。本文以介绍透明吸氧多层阻隔性聚烯烃容器的阻隔性技术、多层化技术及其阻隔性为中心,其次也介绍一些其他类型的气体阻隔容器。
    1、透明吸氧多层阻隔性聚烯烃容器マムチプロック
    本容器可抑制氧气从容器的外部进入容器的内部,防止内容物因氧化而导致的品质下降。历来的一层EVOH树脂等惰性(被动)阻隔层,不能完全防止氧气透过,因此使用吸收氧气的材料之活性阻隔层与EVOH层积层(复合),从EVOH层透过的极少量的氧,被氧气吸收层捕获,抑制氧气透过到容器的内部,本容器的层结构如图3所示。下面将详细地介绍其技术要点(气体阻隔技术与多层化技术)以及容器的性能。

      
    1.1气体阻隔技术
    本品阻隔技术的特征,是通过通用树脂的熔混改性制吸氧材料,并将吸氧材料作为活性阻隔性材料使用。吸氧材料以吸氧性聚烯烃为基体,在其中分散聚苯乙烯、过度金属盐而得,见图4。

      
    吸氧反应是利用树脂的自动氧化,通过添加聚苯乙烯系树脂使基体树脂出现吸氧现象。图5是PE/过度金属盐体系与PE/苯乙烯系树脂/过度金属盐体系的吸氧性的比较。后者的粒子,初期即能发现吸氧现象。以此为基础,对树脂种类、组成比、混炼条件等进行了研究,将吸氧材料的吸氧性提高到了实用化的水平。
    1.2 多层化技术
    本品的特点是在吸氧层的两旁设置EVOH层,如图6所示。采用这种结构的理由是:⑴抑制通过氧气的量;⑵防止容器失去活性。通过降低从外部进入的氧气量,使吸氧材料能更有效地捕捉氧气。又,在两侧没有EVOH的情况下,由于吸氧材料以PE为主体,氧气透过量大,吸收性能下降,特别是成型后,容器不仅要防止氧气从容器的外部进入导致吸氧材料失去活性,也需要防止氧气从容器的内部进入导致吸氧材料失去活性,因此有必要设置惰性阻隔层。

     
    为了作成这样的结构,将EVOH层分为两层;为实现比传统EVOH层更薄层的、均匀的挤出,开发了新的模头,其多层化的方法如图7所示。当采用传统的方法时,由于薄壁层的树脂的压力低,它与其它树脂积层时,会产生压力差,薄壁层不能均匀挤出,发生该层缺料或厚度波动的问题。新的方法是在模内预先使EVOH和粘合剂积层,以提升树脂压力,减少积层时的压差,使薄壁的EVOH层均匀挤出成为可能。
    1.3容器的性能
    本品与传统的、以EVOH为中间层的阻隔性容器之性能的比较,如图8。在30℃、80%RH的环境中,传统的阻隔性容器,随着时间的推移,氧气会进入容器之中,引起容器中内容物的品质下降;本品能够在一个相当长的时间内,保持氧气的透过率为零,表明吸氧材料是有效的。
    以维生素C随时间推移的变化作为内容物氧化变质的试验模型,如图9所示。在40℃75%RH的条件下,在6个月内,随着时间的推移,传统的阻隔瓶所包装的维生素C会发黄,而本品所包装的维生素C几乎不发黄,色相测试数据相差显著。试验虽然是在高温高湿条件下进行的,在常温下,亦确认了吸氧性阻隔性容器是比传统阻隔性容器具有更高阻氧性能的容器。本品可用作蛋黄酱的包装容器。

      

      
    2、其它气体阻隔性容器
    到目前为止,利用多种气体阻隔性技术的塑料容器已实用化。可根据需求采用活性阻隔性技术或者惰性阻隔性技术。下面介绍具有代表性的阻隔性技术。
    2.1铁系吸氧多层容器オキシガ-ド
    オキシガ-ド是一种具有氧气吸收层的多层容器,氧气吸收层是将以铁粉为主的吸氧剂配入聚烯烃中而制得的。オキシガ-ド用于无菌米饭的托盘使用。该容器的基本结构如图10所示,由外层/惰性阻隔层/吸氧层/内层构成。オキシガ-ドオキシガ-ド具有传统的惰性阻隔性容器所没有的新功能:不仅能阻隔容器外面的氧进入容器,而且还能降低容器内残存氧的浓度。铁质吸氧剂的特征是吸氧速度快、吸氧量多、卫生性能优良,而且吸氧性的出现以水为必要条件,这种“触发”功能是一大特点。

      
    图11是オキシガ-ドオキシガ-ド与传统的惰性阻隔性材料的比较,它是用N2将容器中的氧置换以后,在22℃、60%RH条件下测定的结果。传统的阻隔性容器中初期有0.3%左右的氧,在6~8个月以后,容器中的氧达到1.0%左右;与之相反,容器オキシガ-ドオキシガ-ド,存放初期氧的浓度徐徐下降并长期保持在低浓度状态下。根据这样的结果可以看出,它不仅捕捉透过的氧气而且还能吸收容器内残存的氧气。虽然该容器不透明,可用于微波炉加热,沸煮、蒸煮灭菌。

    
    2.2吸氧多层PET瓶ォキシブロックTM
    吸氧多层PET瓶ォキシブロックTM是中间层具有吸氧性的功能性容器。可用于果汁、功能性饮料、茶水等包装,特别是加热销售的商品的包装。吸氧多层PET瓶ォキシブロックTM的结构如图12所示,是PET/吸氧层/PET/吸氧层/PET的2种材料的5层结构。吸氧层的阻隔性高,由耐热性与PET相当的芳香尼龙MXD6、吸氧成分和触媒组成,该容器以透明性不下降及高阻氧性为特征。

       
    图13是单层PET瓶和活性阻隔性容器——吸氧多层PET瓶ォキシブロックTM的阻氧性能的比较,由图可以看出,吸氧多层PET瓶ォキシブロックTM在室温及加热条件下,均可将容器中的氧的浓度,抑制到几乎等于零的水平。
    2.3涂覆SiOx膜的PET高气体阻隔性瓶SiBARD ○R 
    SiBARD ○R是惰性阻隔容器。前面所介绍的活性阻隔技术,特别针对氧,抑制容器内容物因氧化而引起的变质。然而,不仅对氧,必须对水分、二氧化碳等阻隔的内容物也很多,对于这些商品,采用活性材料就不能解决问题,在这种情况下,具有对多种气体阻隔性的惰性阻隔材料则是有效的。SiBARD ○R的阻隔膜通过微波等离子体技术(CVD)涂覆到PET瓶的内表面,其结构如图14所示,它是两层结构,膜厚10~20nm,第一层是柔软、致密性优的有机硅聚合物膜,第二层是阻隔性优的氧化硅膜。以兼具高阻隔性、镀膜的致密性及柔软性为特征。另外,SiOx膜无色透明,具有良好的再生性能。

    
    SiBARD ○R容器与未蒸镀的PET瓶相比,具有很高的阻隔性,对氧的透过性在未蒸镀的PET瓶的1/35以下(见图15)、对水蒸汽的透过性在未蒸镀的PET瓶的1/10以下(见图16)、二氧化碳压力减小量降低到未蒸镀的PET瓶的1/4以下(图17)。另外它对香气的吸收量小(见图18),因此具有优良的保香性。现在SiBARD ○R容器已用于须对氧和水分有阻隔性的食用油的包装。 

              
    结束语
    本文以吸氧透明多层聚烯烃容器为中心,介绍了塑料包装容器的阻隔性技术。今后还会基于消费者的意愿、环境意识的提高、全球化等种种因素,对包装提出更多要求。其中气体阻隔性是重要是功能之一,对它将有更高的要求,将得到更大的发展。

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