復(fù)合軟包裝材料的設(shè)計研究

http://www.sxbltgs.net 　　時間:2010年4月26日　　關(guān)注數(shù):1895 次

摘要：塑料包裝應(yīng)該最小化環(huán)境／包裝、產(chǎn)品／包裝之間的相互作用以及降解反應(yīng)導(dǎo)致的產(chǎn)品質(zhì)量下降：營養(yǎng)含量、味道、新鮮程度、顏色等

   眾所周知，全世界生產(chǎn)的塑料主要消耗在包裝應(yīng)用上。2000年，全球合成樹脂的產(chǎn)量達(dá)到13億噸，其中塑料包裝材料的發(fā)展最迅速，占塑料總產(chǎn)量的 41％，2001年，美國產(chǎn)量占38％，歐洲占37％。而包裝中應(yīng)用最多的又是食品和飲料。食品塑料包裝的主要要求是確保產(chǎn)品在一定的貨架壽命期內(nèi)到達(dá)消費者手中仍然能保持產(chǎn)品的感官質(zhì)量(色香味)。塑料包裝應(yīng)該最小化環(huán)境／包裝、產(chǎn)品／包裝之間的相互作用以及降解反應(yīng)導(dǎo)致的產(chǎn)品質(zhì)量下降：營養(yǎng)含量、味道、新鮮程度、顏色等。
針對食品和飲料的包裝，需要準(zhǔn)確回答下列問題：
(1)要保證產(chǎn)品在貨架壽命期內(nèi)的質(zhì)量，其包裝的氣體阻隔性能如何?
(2)考慮多層結(jié)構(gòu)時應(yīng)如何設(shè)計塑料包裝，使包裝成本合理又滿足產(chǎn)品要求?
    要回答第一個問題，就需要建立復(fù)合塑料薄膜的水蒸氣透過性的模型，使這種多層結(jié)構(gòu)能滿足特定食品飲料的包裝要求。該理論模型可以應(yīng)用于共擠出塑料薄膜、擠出涂布塑料薄膜和層合塑料薄膜。
    下列因素要重點考慮：(1)食品或飲料的生產(chǎn)、運輸和儲存條件；(2)包裝特征；(3)產(chǎn)品貨架壽命；(3)塑料材料的選擇；(4)包裝結(jié)構(gòu)最大層數(shù)的選擇：(5)多層薄膜結(jié)構(gòu)設(shè)計的厚度范圍(最大值和最小值)。
計算方法
1、確定產(chǎn)品最大滲透率一般來說，食品和飲料在與水蒸氣和氧氣、二氧化碳、一氧化碳等氣體接觸時會發(fā)生化學(xué)變化和物理變化，特別是水蒸氣和氧氣。為了防止被包裝物品吸收或排出水分／氧氣，保證產(chǎn)品的性能穩(wěn)定，需要采用低透濕率和低透氣率的包裝材料。
    食品允許獲得或失去的最大氣體量是指在觀察到食品發(fā)生變質(zhì)或感官變化前，進入到包裝內(nèi)或離開包裝的最大氣體量。表1是一些食品和飲料產(chǎn)品典型的允許最大吸氧量。在產(chǎn)品中氧氣的存在加速了氧化反應(yīng)和味道的變化。有了這些數(shù)值，就可以計算出確保給定貨架壽命的最大允許滲透量。

和

式中：

：允許氣體最大滲透量，單位：ml／(m2·天·atm)；
V氣體：氣體進入或離開包裝的量，單位：ml；
θ：貨架壽命，單位：天；
A：接觸空氣的包裝表面積，單位：m2；
P2：包裝外的氣體分壓，單位：atm；
P1：包裝內(nèi)的氣體分壓，單位：atm；
G：允許氣體獲得量或丟失量，單位：mg／g(每克產(chǎn)品的氣體獲得量或失去量mg)；
W產(chǎn)品：產(chǎn)品重量，單位：g；
ρ氣體：滲透氣體的密度，單位：g／ml。
對水蒸氣滲透情況比較特殊，允許最大滲透量的計算相當(dāng)不同，由于獲得或失去水分的任何一種產(chǎn)品，水分含量是相對濕度或水分活性的函數(shù)，因此我們可以獲得吸附等溫線。在給定溫度條件下，產(chǎn)品吸濕等溫線顯示獲得了水分(見圖1)，而產(chǎn)品解吸等溫線顯示失去了水分。產(chǎn)品中濕度的存在促進了水解反應(yīng)、微生物和細(xì)菌的生長和色、香、味等感官性能的丟失等。通過計算允許水蒸氣的最大透過量，確保給定的貨架壽命，如(3)式所示：

注：食品的水分活性是指在特定溫度壓力下，食品絕對含水量與飽和含水量之比，所以任何溫度水分活性總是介于0～1.0之間(相當(dāng)于相對濕度)。該含水量指的是食品的結(jié)合水(結(jié)晶水的形態(tài))，以前計算食品水分含水量的方式是將食品進行干燥比較其重量，最近采用熱力學(xué)的方法，用水分活性的觀點比較合理。

式中，

：允許的水蒸氣最大滲透量，單位：g／(m2·天·atm)；
me：在內(nèi)外水分均衡時的產(chǎn)品的含水量，單位：g水分／g產(chǎn)品；
mi：產(chǎn)品初始的水分含量，單位：g水分／g產(chǎn)品；
mc：產(chǎn)品的臨界水分，單位：g水分／g產(chǎn)品；
A：接觸空氣的包裝表面積，單位：m2；
W產(chǎn)品：產(chǎn)品重量，單位：g；
Pv：蒸汽壓，單位：atm；
b：mc與mi之間的吸濕或解吸特性曲線的斜率，單位：g水分／g產(chǎn)品；
θ：貨架壽命，單位：天。
2、確定塑料多層結(jié)構(gòu)的滲透性
如果給定的產(chǎn)品(食品或飲料)必須防潮或防氣體滲透，開發(fā)的塑料包裝必須滿足下列形式的阻隔條件：

式中：

：對某種氣體或水蒸氣i，多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合薄膜總的滲透量；

：對于某種氣體或水蒸氣i，產(chǎn)品的允許最大滲透量。
塑料材料本身的大分子結(jié)構(gòu)不同，對于不同的氣體或水蒸氣，在不同的溫度和相對濕度下，每一種塑料表現(xiàn)出不同的阻隔性能。因此，多層復(fù)合包裝要求不同塑料的各層(極性和非極性)都要滿足要求的阻隔條件。極性塑料材料通常是良好的氣體阻隔材料，而非極性塑料材料通常對水蒸氣有良好的阻隔性。多層結(jié)構(gòu)的總滲透量的計算由方程5定義，在這個方程中，下標(biāo)i與透過多層塑料薄膜的氣體或水蒸氣有關(guān)。

式中：n：復(fù)合薄膜的層數(shù)；
xj：第j層薄膜的厚度，單位：μm，
Pj：第j層薄膜的滲透系數(shù)，單位：ml·μm／(m2·天·atm)。
3、溫度對滲透性的影響
    由于滲透系數(shù)隨著溫度而改變，滲透系數(shù)應(yīng)該在多層復(fù)合包裝／產(chǎn)品的儲存或貨架條件下獲得。在一般情況下，氣體滲透系數(shù)是指溫度在23℃、相對濕度0％條件下測量的：而水蒸氣滲透系數(shù)通常在37.5℃、90％的相對濕度下測量的。為了方便比較，通常應(yīng)給定標(biāo)準(zhǔn)狀況(1atm和0℃)下的滲透系數(shù)，溫度對滲透性的影響關(guān)系遵循阿累尼烏斯方程(Arrhenius equation)。

式中，Pj0：第j層薄膜參考溫度下的滲透性系數(shù)，單位：ml。μm／(m2·天·atm)；
T：儲存溫度，單位：K；
TO：參考溫度，單位：K；
Ej：第j層的活化能，單位：J／mol；
R：氣體常數(shù)值，單位：8314J／(mol-K)。
4、相對濕度對滲透性的影響
極性塑料隨著相對濕度的變化，其滲透性能也容易發(fā)生變化，在把這些極性塑料放在外層或內(nèi)層(與食品接觸)的情況下，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，可采用多項式回歸的方法，滲透系數(shù)在多層包裝／產(chǎn)品的存儲或貨架條件下得到修正。如果極性塑料被放在中間層，影響塑料的相對濕度應(yīng)該根據(jù)相鄰層的水蒸氣透過性來進行計算，如方程7所示。

式中，RHj：在第j層的平均相對濕度；
RH_外：包裝外的相對濕度；
RH_內(nèi)：包裝內(nèi)的相對濕度。
5、多層結(jié)構(gòu)的組成
    為了進行包裝設(shè)計，計算模型需要考慮產(chǎn)生包裝袋材料多層結(jié)構(gòu)使用的層數(shù)(n)和塑料材料的選擇(m)。在設(shè)計中采用m種材料和n層結(jié)構(gòu)的組合，需滿足下列標(biāo)準(zhǔn)：
(1)塑料材料的相容性：如果相組合的塑料材料的相容性不能保證，那么就需要一層復(fù)合薄膜粘合層包含在兩層不相容的塑料材料中。
(2)外層材料的選擇是根據(jù)塑料的水蒸氣透過性，內(nèi)層材料的選擇根據(jù)塑料的熱封性。
(3)吸濕性塑料通常作為薄膜材料的中間層。
(4)應(yīng)考慮包裝結(jié)構(gòu)的給定最大層數(shù)。
(5)應(yīng)檢查多層塑料薄膜結(jié)構(gòu)設(shè)計中的給定厚度范圍(最小值和最大值)。
6、驗證多層薄膜結(jié)構(gòu)的合理性
    薄膜結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足食品和飲料的要求，該要求在方程4和前面提到的一些標(biāo)準(zhǔn)中得到了體現(xiàn)。另外，要使成本最小化，每平方米包裝薄膜的成本可由以下方程得到：

式中，Cost：夏合薄膜的總成本，單位：元／m2；
ρj：第j層塑料的密度，單位：kg／m2；
Cj：第j層塑料的成本，單位：元／kg；
Xj：第j層薄膜的厚度，單位：μm。
試驗
1、試驗材料：塑料薄膜
(1)中低阻隔性能的復(fù)合薄膜結(jié) 構(gòu)：PET(12μm)／PP(38μm)；PET(12μm)／PP(33μm)；BOPP(25μm)／BOPP(25μm)；BOPP(20μm)／BOPP 珠光膜(30μm)；BOPP(20μm)／BOPP(20μm)；PET(12μm)／BOPP珠光膜(30μm)；BOPP(17.5μm)／金屬化 BOPP(17.μum)。
(2)高阻隔共擠出薄膜結(jié)構(gòu)：PA(46μm)／EVOH—F(8μm)／PP(28μm)／PE-m(25μm)；PP(18μm)／EVOH- F(4μm)／PP(18μm)；PE(21μm)／EVO-L(4μm)／PE(16μm)，其中EVOH-F含32％的乙烯基，而EVOH-L含 27％的乙烯基。
2、采用的標(biāo)準(zhǔn)
    水蒸氣滲透率和氧氣滲透率按照以下國際標(biāo)準(zhǔn)測量：
(1)水蒸氣滲透率(WVTR)：標(biāo)準(zhǔn)采用DIN5338011，條件是40℃和90％的相對濕度，實驗設(shè)備采用Bruger GDP-C。
(2)氧氣滲透率(OTR)：標(biāo)準(zhǔn)采用ASTM3985-95，條件是23℃和0％的相對濕度，實驗設(shè)備采用MOCON潮氣分析儀，OXTRAN 100。
結(jié)果與討論
    塑料薄膜通過試驗得到的滲透性數(shù)據(jù)與模型計算的數(shù)據(jù)進行比較，試驗數(shù)據(jù)由于溫度和相對濕度的變化，進行了適當(dāng)?shù)男拚１?所示是各種復(fù)合薄膜水蒸氣滲透性的實驗結(jié)果�？梢钥闯鲈囼灲Y(jié)果和計算結(jié)果吻合得非常好。
    表3、表4和表5表示了不同阻隔性塑料薄膜的氧氣滲透性的實驗結(jié)果和計算結(jié)果。分析了低、中、高阻隔塑料薄膜結(jié)構(gòu)�？梢郧宄乜闯�，低阻隔的薄膜在測量值和計算值之間偏差最大，中等阻隔的薄膜比低阻隔薄膜偏差小一些，而高氧氣阻隔性薄膜與模型的計算數(shù)據(jù)吻合得非常好。低氧氣阻隔性薄膜偏差比較大，可能是因為OTR設(shè)備對高阻隔性的測量的精度較高。