| 绿色包装材料的研发 |
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| http://news.pack.net.cn 2007年03月22日 中国包装网 |
| 绿色包装材料是发展绿色包装的关键,世界各国均高度重视,并取得了一系列重要成果。为使国内包装界了解绿色包装的发展动态,更好促进我国绿色包装的发展,本文分类介绍了绿色包装材料研发的进展情况,包括可回收再用或再生包装材料,轻量化、薄型化、无氟化、高性能化包装材料,可降解塑料,天然植物纤维包装材料,可食性包装材料,农副产品高分子包装材料,纳米包装材料,转基因包装材料,绿色包装辅助材料和绿色包装材料助剂。 可回收再用或再生的包装材料 世界上许多国家重视开发制品重复利用技术,并通过押金回收制度,使啤酒、饮料、酱油、醋等玻璃包装瓶或聚酯瓶多次重复使用。如瑞典等国开发出一种灭菌洗涤技术,使PET 饮料瓶和PE 奶瓶的重复再用达20 次以上;再生利用是解决固体废弃物的好方法,也是解决材料来源、缓解环境污染的有效途径。塑料废弃物的回收再生技术包括原料型直接回收再生、物理改性回收再生、化学改性回收再生等技术。物理方法是指直接彻底净化粉碎后回收塑料,再直接用于生产包装容器,或将聚酯粉碎洗涤后作为夹层材料置于两层原生树脂层中,制成一种多层PET 包装容器;化学方法是指将回收的PET 粉碎洗涤之后,用解聚剂甲醇、水、乙二醇或二甘醇等在碱性催化剂作用下使PET 全部解聚成单体或部分解聚成低聚物,纯化后再将单体或低聚物重新聚合成再生PET 树脂材料。 玻璃和金属包装容器废弃后,一般均是通过回炉熔融或重熔铸锭,作为原材料,重新加以利用。纸和纸板使用废弃后,则通过碎解、疏解、漂白后,获得纸浆,生产再生纸。 可降解塑料包装材料 目前,已确认的可完全生物降解聚合物仅有生物合成的脂肪聚酯,如发酵法合成的PHB和PH - BV、淀粉和纤维素等含醚键和多羟基的聚合物,以及人工合成的聚酰胺、聚氨酯、含醚键的聚合物和PVA 等。在这些高分子材料中,聚氨酯、聚酰胺、聚酯和PVA 都是性能良好的包装材料,广泛用作包装薄膜、包装容器或捆扎材料。但这些可完全降解的包装材料品种有限,还远远不能满足众多包装技术和包装保护性能的要求。而PHB、PHBV 和聚醚等因熔点和强度较低,用途不很大。 以淀粉掺合共混型的不完全降解塑料(淀粉+ PE 型) ,又称生物分裂塑料,是目前研究发展快、产业化成果多并有望继续降低成本的材料。为了改善淀粉与高聚物的共混相容性,必须对淀粉进行改性处理,改性后的淀粉颗粒表面被烷基等覆盖,减弱了氢键的作用,从而增加了与聚乙烯、聚乙烯醇等高聚物的相容性。 通过加入光敏剂所获得的光降解材料,如在PE、PP 等中加入合适的光敏剂就可以获得。瑞典Filltec 公司研制的TPR 绿色包装材料,由碳酸钙经过特殊工艺与加入光解剂的聚丙烯复合而成,其成分与鸡蛋壳极为相似,对环境几乎无害,可以热成型、吹塑成型、注塑成型及挤压成型等,TPR 光洁平滑,不同厚度的膜在光照下经4 - 18 个月即降解成粉末,现已用于黄油、冰淇淋等包装。 光降解包装材料目前还存以下问题: ①光降解速度与光降解聚合物使用性能的矛盾。若光降解速度太快,虽然有利于废弃塑料的处理,美化环境和减少污染,但是对使用性能和寿命显然不利。②光降解产物对生态环境的影响。如果经光降解后的产物能继续发生生物降解,最终成为被微生物吸收的碳或无害物,当然最理想。但实际上,乙烯、丙烯与乙烯基酮的共聚物,经光降解后在土壤或地下水道中的生物降解能力非常小,而光降解产物是否对生态环境有害也是值得研究的问题。 目前进入市场的生物与光双降解塑料,主要是通过用淀粉或纤维素等可降解的高聚物对通用型聚合物如PE 和PP 等进行共混改性或接枝改性,并且加入可诱导光降解的光敏剂而获得的,这一领域中的研究与应用十分活跃。聚酮可采用双氧水、过氧酸等氧化剂进行化学改性,而氧化成为同时含有聚酯和聚酮结构的高聚物,成为既具有生物降解性能,又具有光降解性能的包装材料。 可食性包装材料 可食性包装材料现已广泛用于食品、药品包装。可食性包装材料的原料主要有淀份、蛋白质、植物纤维和其它天然物质。在以玉米、小麦、土豆、豆类、薯类等农作物为基材制作的可食性包装材料中,以玉米淀粉改性加工成可食性包装材料最为典型,且加工技术与实际应用都较成熟。根据其所加入的添加剂、酸碱处理、酶处理或氧化处理的方法不同,可以制成薄膜,也可挤出成型,作小食品的膜衣,还可制成既防水又防油的饮料杯和快餐盒等。用蛋白质制作可食性包装材料,有动物蛋白质与植物蛋白质之分。动物蛋白质取材于动物皮、骨、软骨组织等,此类的可食性材料具有非常好的强度、抗水性和透氧性,特别适用于肉类食品的包装。由大豆等提取的植物蛋白质,可加工成膜进行包装,具有较好的防潮隔氧性,并具有一定的抗菌性,适合含脂肪食品的包装,不仅提高保质期,而且保持油性食品的原味。 植物纤维类可食性包装材料以农副产品如麦麸、豆渣等和海草、海藻等海生植物为主要原料。这一类材料虽然营养价值不高,但多有减肥与保健的作用,如海藻酸钠,它不为人体所吸收,但却有降血糖,调理肠胃的作用,并且可使胆固醇排出体外和具有减缓中毒的功效。植物纤维可制成各种容器,连同食物在热烹后一起食用,或用于包装方便面调料时,遇热即化,遇水即溶,可不必拆包。还可制成果蔬的保鲜包装纸。以海藻酸钠为主要成份的可食性材料,对脂肪、植物油具有不渗透性,是优良的耐油包装材料。 可食性包装材料还可以虾蟹蚌蛎等可食用贝类的壳为主要原料制成。甲壳素在碱性条件下可从中提取壳聚糖,壳聚糖经改性后具有极好的成膜性,且耐油性好、隔水防潮性好、透明。这一类可食性包装材料现已广泛用于水果、面包、冰淇淋等食品的包装。 天然植物纤维包装材料 由木浆和草浆制作的纸材是应用最广泛的纤维包装材料。近年又开发出一些新型的绿色纸包装制品,典型的品种是纸浆模塑和蜂窝纸板制品。纸浆模塑制品以废纸和植物纤维作原料,在模塑机上由不同的模具塑造出一定形状的制品,是一种立体造纸技术,其制品被用作取代发泡塑料EPS 的制品,广泛应用于餐具、禽蛋托盘、鲜果托盘、工业托盘、食品及医疗器具包装等。蜂窝纸板由上下两张面纸和六边形的蜂窝芯纸粘合构成,具有质轻、强度高、刚度大、缓冲、隔热、隔音性能好的优点,是节木代木和取代EPS 作缓冲衬垫的理想环保材料。 特指的天然植物纤维一般是指除树木以外的天然植物如蔗渣、棉秆、谷壳、玉米秸秆、稻草、麦秆等和废纸的纤维,天然生植物是一种来源十分丰富的可再生自然资源。近年,利用芦苇、稻草、麦秸、甘蔗渣、竹子等天然植物纤维开发出了一系列绿色包装制品。以竹为原料,生产出竹胶板包装箱、丝捆竹板箱,用于机电产品和重型机械的包装;将竹、稻草等植物纤维经高温杀菌后压制成纤维板,再经粉碎,加入填充料、粘合剂等搅拌后挤压成形,可制一次性快餐具,如经发泡膨化处理还可制作缓冲衬垫。 转基因植物包装材料 虽然目前利用微生物发酵合成生物降解包装材料的研究和开发工作已取得突破性进展,但仍存在生产效率低、熔点和降解起始温差不大、结晶速度慢、加工困难、价格昂贵、实际应用受到限制等问题。因此培育转基因植物生产脂肪聚酯PHB 和PHAs 等就成为研究和开发生物降解塑料的热点。 随着植物基因工程的迅速发展,针对微生物发酵生产PHB 存在价格昂贵等问题,一些大公司相继开展了利用转基因植物作为反应器生产的PHB 等包装材料的研制工作。英国的ICI/ Zeneca 种子公司确立的长期目标是将细菌生物合成PHB 的途径导入合适的作物,以利用转基因植物大规模生产PHB/ V 包装材料; 美国Monsanto 公司1996 年启动了一个重大项目,旨在建立用转基因油菜生产包装材料的技术体系。 据报道,我国也已从真养产碱杆菌中克隆了PHB 合成的两个关键酶基因(phbB 和ph2bC) ,构建原核载体导入大肠杆菌获得了成功,还成功地将此基因导入马铃薯中。为了增加PHB 产量,他们完成了phbA 基因的克隆,并构建了种子特异性表达载体,用以转化油菜,基因产物将定位于油菜籽的按需质体中。 轻量化、薄型化、无氟化、高性能化的包装材料 这是绿色包装材料发展的一个重要方向,主要是对现有的包装材料进行开发、深加工,在保证实现包装三大功能的基础上,改革过分包装,发展适度包装,尽量减少使用包装材料,降低包装成本,节约包装材料资源,减少包装材料废弃物的产生量,努力研制开发出轻量化、薄型化、无氟化、高性能化的新型包装材料。 对用量巨大的缓冲包装材料,人们正积极寻找取代发泡聚苯乙烯( EPS) 的无氟轻量化的包装材料,如采用新型的轻质发泡聚酯或发泡PP 作包装容器,用于食品、化妆品以及电子产品的包装,对于用来制备缓冲材料的发泡剂,各国纷纷采用新的发泡剂,如二氯甲烷等来替代造成环境污染的氟里昂(CFC) 。 对使用量很大的包装用纸和纸板,为满足产品包装的特殊要求,也通过多种方式向多功能,高性能方向发展。 纳米包装材料 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸长度范围或由它们作为基本单元构成的材料,它是纳米技术最基本的组成部分。纳米包装材料指分散相尺寸为1～100nm 粉体与其他包装材料合成或添加,或对传统包装材料进行纳米化改性后制成的新型包装材料,也指纳米材料中可用于包装产品的部分,它们可分别称为纳米复合包装材料、纳米改性包装材料和纯纳米化包装材料。就纳米复合包装材料而言,其材料结构体系更加细微,更加分散,会因为纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应,使得纳米复合包装材料具有传统复合包装材料无法比拟的一些特殊性质,如高强度、高硬度、高韧性、高阻隔性、高电阻率、低热导率、低弹性模量、低密度、高降解性和高抗菌能力等。 纳米改性包装材料是指通过添加少量表面改性的纳米粉料或使用纳米涂层做成的包装材料。利用纳米技术对传统包装材料进行改性可“量身定制”生产出既满足特殊包装功能要求,又具有优异绿色性能的新型纳米包装材料。如用纳米粒子添加到塑料中对其进行改性,使塑料变得致密,不仅能提高塑料包装材料的强度、韧性和防水性,起到补强作用,还能提高塑料包装品的使用寿命,也能使塑料包装材料的透明度大大增加,因而可作为特殊用途的高级塑料包装薄膜。 绿色包装辅助材料 包装辅助材料是指包装中经常用到的粘合剂、印刷油墨和涂料等。 有机溶剂型油墨在制造与使用过程中,常用汽油、甲苯、二甲苯、煤油、松节油、醇类、芳香族类等有机溶剂调配,它们在干燥时,或在使用过程中,或废弃后焚烧处置时,均会挥发出有毒的碳氢化合物气体而污染环境,伤害人身,故目前开发水溶剂性油墨取代有机溶剂性油墨受到各国高度重视。水溶剂性油墨以水为溶剂,连接料由树脂和水组成,价格便宜,对环境对人身均无害,是一种良好的绿色油墨。随着水性油墨的进一步完善和印刷设备的改善,原来水性油墨存在的干燥速度慢、光泽度低、易造成纸张伸缩等三大弊端已有明显改进。 金属涂装过程使用的涂料由于多属油剂溶剂(有机溶剂) ,给生产环境造成严重污染,近年来国内外研发出多种新型环保涂料,使钢桶涂装生产在绿色化道路上前进一大步。自泳涂料是继阴、阳极电冰涂料之后开发的一种新型水性(水溶剂) 涂料,它由泳丙酸系乳液与炭黑、助剂等混合而成,其乳液由丙烯酸单体及苯乙烯在引发剂、乳剂存在下共聚而成。其特点是以水做分散剂,不含任何有机溶液,有利于环境保护,配成的槽液性能也稳定,属于清洁工艺,便于施工操作,也有利于操作工人的健康安全;粘贴涂料是另一类有利环保,取代有机溶剂型液状涂料的新型涂料,它实质是一种涂有彩色涂料和粘结剂的高分子薄膜,可以很方便的粘贴在金属桶外表面,耐久性和耐候性均很好,使用操作简单;近年还开发出粉末涂料,实现了无溶剂的干法涂装生产,从根本上消除了有害溶剂的飞散,喷过的粉末还可回收再用,因而大大减少和消除了环境污染,而且涂装质量好,效率高,是金属包装和钢桶涂装发展的新趋势。 绿色包装材料助剂 无论是绿色包装的主材料,或是绿色包装辅助材料,为了提高其使用性能,均需在制作过程中添加对人体和环境无毒无害的助剂,助剂分无机和有机两大类型。 无机助剂的开发应用 无机助剂主要有以下几种: (1) 价廉色白、加工性能好的碳酸钙,属极性活性物质,在有机助剂的协同下,几乎可以满足造纸、塑料等行业的要求,作为填充、催干、增强剂,是价格最低的品种。 (2) 常与碳酸钙协同作用的滑石粉(单斜晶系) ,能提高造纸纸浆的留存率,提高塑料制品的刚性和耐热性及薄膜散射光的透光率,改善包装薄膜的性能,提高油墨夜间的保温性,并可在水性油墨中起流平、防沉作用,甚至是PVC塑料的成核剂。 (3) 作为无机成核剂的高岭土(又称高粘土) ,能使聚丙烯塑料形成细微的球晶,除提高机械强度外,还可作为聚乙烯的绝缘材料用于生产6 KV 以上的高压电缆。在提高造纸纸浆的留存率方面比钙略优一等,并以白色、灰色、黄色分别加入塑料,经吹塑、挤出、注射、压延和滚塑,制成不向色彩的包装制品。 (4) 占地壳中原子含量16. 7 %的硅灰石,具有较好的长径比(系三斜晶系) ,大多用来替代价格较高的玻璃纤维,常常用其制造耐热纸板,并作为塑料包装材料的增强剂,有效提高制品的耐磨性和包装规格尺寸的稳定性,并能与含卤阻燃剂用于防火塑料包装制品及防火液体印刷油墨中。该材料晶体含有OH ,所以能有效地防止油墨中颜料及填料沉淀。由于硅灰石的晶体在紫外线照射下发出荧光或磷光,常被环氧树脂油墨采用。 (5) 被人们称作“千层级”的云母是极复杂的硅盐材料,因晶体常呈假六方片状,集合体呈柱状、板状和磷片状,除作为造纸、塑料等包装材料的装饰性填充剂外,还是典型的增强剂,能有效提高其制品的刚性、耐热性和规格尺寸的稳定性,促进其散射光的透过率,性能优于其它无机填充剂,并有极高的电气绝缘性及耐酸碱腐蚀性。 (6) 石英在半硬质聚氯乙烯塑料中作为填充材料,其耐磨性是碳酸钙的数倍。 (7) 氧化镁近年来用于印刷油墨,尤其应用于轮转印刷油墨中,能大大提高印刷图文的光泽度。 有机助剂的开发应用 (1) 抗氧剂及辅助抗氧剂。用来改善塑料制品和印刷油墨的抗氧能力,推迟氧化开始的诱导期,延缓和阻止包装物在储藏或使用时变质。 (2) 紫外线吸收剂UV - P、UV - 326 、UV- 327 等是几种光稳定剂,具有吸收天然阳光或荧光源中紫外光部分的能力,能有效防止塑料、油墨等在阳光下的光分解作用。 (3) 偶联剂(分为硅系和钛系两类) 。现已推出第五代偶联剂──有机硅烷、有机钛酸酯、有机铝酸酯、有机锆酸等,作为塑料、油墨、纸张的填充剂能提高树脂的支化度和界面粘合力,并明显减薄包装印刷油墨图文的厚度,实现牢固的附着力。 (4) 润滑抗粘剂。能防止塑料材料和印刷油墨粘脏或粘连。上世纪90 年代后期面世的含有等量阴离子和阳离子的中性分散剂处理颜料和填料是以往所没有的,该助剂能与很多基料有很好的混溶性(配伍性) 。 (5) 增白剂。一般分解温度大于190 -235 ℃,而DBS 能耐360 ℃,具有优良的匀染性、渗染性,其最大光谱吸收波长为370NM ,主要用于纸张、塑料、油墨的增白,并能提高一定的包装外观白度。 |
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