PVA涂布阻隔膜助力单一材质可回收包装研究

PVA涂布阻隔膜助力单一材质可回收包装研究

霍彦君

山东亚新塑料包装有限公司 山东临沂 276600

摘要：近年来，人们对食品安全给予高度重视，对包装材料也提出较高要求，要求包装材料具有较强的阻隔性、保鲜性、绿色环保等等，可将PVA涂布阻隔膜与其他材质相结合，通过复合膜提高包装的环保性、可回收性。对此，本文对PVA材料阻隔机理进行分析，并通过实验阐述BOPE薄膜、CPE薄膜与PVA阻隔膜作为复合材料，在力学性能、阻隔性能以及热封性能等方面的优势。根据实验结果可知，复合材料可充分发挥不同薄膜的性能特点，利于回收再利用，在保障食品安全的同时，与环保要求充分符合。

关键词：PVA涂布阻隔膜；单一材质；可回收包装

引言：人类生产活动以材料为基础，聚合物材料在包装工业得到普及应用，主要作用是阻隔水蒸气、氧气与二氧化碳等渗透，使食品与果蔬始终保持新鲜。我国是塑料包装薄膜生产大国，为满足消费者对食品包装的视觉与品质要求，PVA涂布阻隔膜诞生，不但功能齐全，且无毒无害，具有可回收性，与绿色环保要求充分符合，适用于食品、工业产品等多领域包装。

1PVA材料阻隔机理

一般情况下，材料阻隔性能主要为特定的渗透对象，如CO2、O2与水蒸气等，由材料一侧渗透到另一侧的容易度。透过物的类型决定了物质对PVA材料的渗透性。聚合物种结晶结构链段排列有序，小分子渗透物很难顺利透过，主要依靠非晶区、结晶缺陷位置使聚合物薄膜渗透过去，如若材料存在轻微裂纹或者其他质量缺陷，均会导致渗透性提升。小分子对聚合物的渗透性主要可分成以下阶段：首先，小分子吸附在聚合物薄膜表面，然后在其表面发生相互作用，并逐渐溶解；最后小分子在高压强一端实现溶解平衡，再逐渐朝着低压强的一侧移动，并最终解吸。小分子在聚合物内的扩散主要受自由体积影响，当自由体积增加时，渗透性便会增强，且温度提高时，聚合物自由体积也会随之增加，此时渗透系数便会加大。此外，不同型号分子相互作用将影响小分子的扩散与溶解，而高分子材料交联、结晶度提升等均会阻碍链的移动，导致材料无法溶胀，渗透性降低，阻隔性提升^[1]。

2PVA材料可回收高阻隔包装的实验分析

2.1材料与仪器

主要材料为PVA涂布阻隔膜、BOPE基材膜、CPE薄膜；主要设备为双向拉伸薄膜生产线，德国生产，8.2m；无溶剂复合生产线，国内生产，300m/min；场发射扫描电子显微镜，日本生产，型号为TM3030；万能力学测试机、MTS系统、热风测试机、水蒸气透过滤测试仪。氧气透过量遵循ASTM D 3985规定测试、水蒸气透过量按照ASTM F 1249规定测试。在SEM测试中，将薄膜喷金，开展SEM测试观察样品表面的形态；热封性能参考GB/T 27740-2011标准进行测试。

2.2实验方法

选择中国石化生产的双向拉伸聚乙烯原料、上海生产的防粘开口母料、低温热风材料，在上述材料与仪器设备的应用下，对PVA材料、BOPE基材膜、CPE薄膜的力学性能、阻隔性能、热风性能进行研究。

2.3实验结果

2.3.1穿刺强度测试

与硬包装相比，软包装更容易被尖锐物质刺穿，导致外部气体渗透其中影响食品味道，甚至导致受潮变质等等。对此，本文通过穿刺强度检验包装的抗刺穿性能。在LLDPE生产期间，利用复合催化剂制备C6（1-乙烯）与乙烯共聚树脂，共聚单体中含碳量越高，意味着聚合物综合性越强。聚乙烯树脂在拉紧状态下定型，大分子结构固定，冷却成型后进行处理获得薄膜，在力学性能、光学性能、耐高温、阻隔性等方面具有较大优势。本文选择不同厚度的基材膜开展穿刺强度实验，根据实验结果可知，BOPE的穿刺厚度为40 、PE吹膜厚度为130 、CPE穿刺厚度为100 ，可见BOPE的抗穿刺性能远远超过另外两种。

2.3.2阻隔性测试

在塑料软包装材料中，阻隔性属于必备性能之一，强大的阻隔性可延长食品的货架时间，使其质量与安全得到切实保障。将多种特性材料相结合，有助于促进各层材料阻隔性的发挥，提高综合阻隔性能。

1. 气体阻隔

聚合物分子结晶缺陷位置带有空隙，使小分子气体很容易渗透进来。在聚合物薄膜内气体扩散流程为：首先，渗透气体分子与膜相碰撞，在膜表面汇集并溶解，在膜两侧产生浓度梯度；然后，在浓度梯度影响下，渗透气体在膜内扩散转移；最后，气体原子传递到膜的另一端，从聚合物薄膜低压位置以气体分子的形式解吸。可见，气体在聚合物薄膜中的渗透系数受浓度梯度、溶解度等因素影响。当薄膜被双向拉伸完毕后，分子链取向，解释分子链排列更加紧密，渗透系数大大降低。可见，BOPE基材膜的渗透系数低于PVA材料与CPE薄膜。当环境湿度不断提升时，亲水聚合物的渗透值逐渐增加。与其他聚合物材料相比，只有具备较强的水溶性、耐溶剂性，才可形成表面有光泽、耐撕裂的膜。因PVA分子链中带有较高的亲水性羟基，可有效吸收环境中的水分，气体在PVA内的渗透与环境湿度关系较大。对此，可将改性PVA材料制备出高阻隔水性胶水，为包装提供阻隔胶粘材料。聚乙烯层的应用可使水汽阻隔性进一步提升，使PVA粘合层得到切实保护，极大提高PVA氧气阻隔性

^[2]。

该实验利用相同的上胶量与操作条件，即温度为23℃，0%RH，对四种样品氧气透过量进行对比。测试结果为：一号的氧气透过量为0.46ml/(m²·24hr)、二号氧气透过量为0.98ml/(m²·24hr)、三号透过量为126.14ml/(m²·24hr)、四号透过量为1521.80ml/(m²·24hr)。通常情况下，如若氧气透过量不超过5ml/(m²·24hr)，便可满足高阻隔材料要求；如若透过量不超过1ml/(m²·24hr)，便是超高阻隔材料。根据测试结果可知，PVA材料的氧气透过量远远低于常规材料，在气体阻隔方面具有极大优势。

2. 水蒸气阻隔

因不同类型食品包装的结构、添加剂与成分的含量有所区别，对包装材料阻隔性能的要求也不尽相同，如何科学设计产品结构十分重要。H2O作为极性分子，PE作为疏水性分子，双方相互作用较弱，因此PVA材料自身便带有较强的阻水性。在本次实验中，在上胶量与操作条件相同的情况下，及温度为37.8℃，90%RH，对水蒸气阻隔情况进行对比。根据测试结果可知，一号水蒸气透过量为3.989g/(m2·24h)、二号透过量为3.996g/(m2·24h)、三号透过量为3.526g/(m2·24h)、四号透过量为11.854g/(m2·24h)。

2.3.3热风性测试

该性能主要为热封温度与强度，前者是PE薄膜热封强大满足特定值时所需温度，可达到较为理想的黏流态，使热封层互相粘合起来，实现热封目标。在热封期间，微观表现为两类相融高聚物在密切接触后，因链段摆动与布朗运动互相扩散，此种扩散在高聚物界面产生。待热量充足时，分子布朗运动加快。在实验条件不变情况下，结晶度与温度具有正比关系。待热熔焓增加时，熔点也会随之提升，薄膜的热封温度也随之提高。在操作条件不变时，BOPE薄膜起热封温度与CPE薄膜相比较高。本实验在105℃条件下对四个样品的热合强度进行对比，根据测试结果可知，一号为13.18N，二号为16.76N，三号为17.96N，四号为16.88N。

结论：综上所述，PVA涂布阻隔膜作为绿色环保型材料，在阻隔性方面具有较大优势，在产品包装中得到广泛应用。将其与BOPE薄膜、CPE薄膜相结合，形成复合材料不但可弥补单一材料的性能缺陷，还可全面提高力学性能、阻隔心梗以及热封性能，在实际应用中充分发挥不同薄膜的性能特点，利于回收再利用，在保障食品安全的同时，与环保要求充分符合，拥有广阔的发展前景。

参考文献：

[1]胡焱清,李子繁,孙红旗.耐水改性聚乙烯醇(PVA)高阻隔涂布膜[J].广东包装,2019(06):35-36.

[2]韦丽明.材质一体化可回收高阻隔复合软包装的研究[J].塑料包装,2019,029(005):24-30.