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等离子表面处理技术在食品包装行业的应...

现代包装材料采用薄膜和箔片形状的聚合物材料(如聚乙烯(PE))、聚丙烯(PP)和聚酯(PET))。

小分子气体、水蒸气、有机蒸汽以及液体对于上述材料均具有渗透能力。在采用上述聚合物作为包装材料时,口味或气味组成成分、添加剂、低分子量残余物组分等,都可能渗透穿过包装薄膜材料,并在被包装食品和外部环境之间发生内外双向移动,从而导致食品出现连续性变质。

气体成分渗透通过上述材料的过程是由气体分子的自由扩散所致。自由扩散指气体分子在浓度梯度作用下向所有方向移动所形成的一种随机运动。气体分子扩散通过固体物质的特性由多种因素所决定。固体物质的晶体结构、结晶度、材料中的针孔缺陷及其他缺陷、气体分子和固体分子的极性以及气固体之间可能得化学反应等因素都决定着材料的阻隔性能。自由体积空隙直径和渗透率之间存在某种关联,从而使得聚酯和共聚酯材料具有低渗透率以及良好的化学稳定性和生物相容性。渗透率因材料的不同而各异,它是指某种特定气体通过渗透或扩散作用穿过该种材料的能力。在包装行业中,渗透率为厚度与穿过率的乘积。人们对这一过程的理解仍然建立在经验基础之上。

在聚合物表面增设一层无机膜可以改善其性能。无机膜可阻隔气体扩散,同时提高聚合物的强度。然而,这种无机膜阻隔材料必须同时满足下述要求,即在材料进行回收利用时,无机膜应很容易被去除。为了在高附加值市场中获得竞争力,重新利用的PET必须几乎不含污染物。另一个问题在于,这种硬质薄膜应具备加工性。通过将PVD工艺与等离子体聚合工艺相结合,实现有机改性的氧化硅涂层沉积,从而可以大大提高氧化硅涂层的弹性。采取上述措施后,防微小裂缝能力已经从单纯PVD涂层的0.8%,提高到了有机改性的氧化硅涂层沉积,从而可以大大提高氧化硅涂层的弹性。

在食品包装领域,薄膜涂层应具备以下功能。

  1. 高透明度
  2. 对于12μm厚的涂覆层薄膜,水蒸气的透过率≤1gm(m2·d)
  3. 对12μm厚的涂覆层薄膜,氧气的透过率≤5cm³/(㎡·d)
  4. 在对成品进行涂覆处理的整个过程中,涂层的阻隔性能应保持稳定不变
  5. 为了避免开裂,薄膜涂层的压应力≤5×109dyn/㎡
  6. 在软塑料薄膜表面进行涂覆处理后,涂层应赋予塑料薄膜耐磨性能
  7. 高涂覆率

为了确保聚合物具备良好黏结性能,同时增加其机械和光学性能,必须对其进行表面处理。决定真空沉积阻隔涂层特性的一个重要因素为涂覆处理前的基底表面条件。很多常用聚合物的表面能较低,因此很难通过涂层处理获得性能良好的阻隔层。采用高能离子、自由基、电子和中性粒子对材料进行表面处理,可以实现在材料表面上几个分子深度内的改性。表面改性工艺不仅可以去除附着于表面的污染物质(如有机物),还可以产生一些功能性极性基团,从而促进共价键联,并通过交联作用产生稠化效果。电晕放电技术通常用于卷绕涂覆工艺中,对许多聚合物而言既有效又经济。近期研发的表面处理工艺则根据实际应用,在射频场中对混合气体进行电离,并结合采用直流磁控管溅射技术,可对表面进行氧化、氮化、胺化或水解等处理,从而增强材料的表面能,提高黏结性能。此外,所选材料的表面形态也会对阻隔层的性能产生重大影响。


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