茂金属聚乙烯薄膜在食品包装的应用.pdf

包装塑料茂金属聚乙烯薄膜在食品包装的应用?彭立群1,李雄辉1,张志友2,董建华2(1.湖南省塑料研究所,长沙?410001;2.湖南省盐业公司塑料包装厂,长沙?410002)?摘要:介绍了食品包装薄膜的使用要求及茂金属聚乙烯薄膜的生产工艺。茂金属聚乙烯薄膜用作食品包装试验证明:茂金属聚乙烯薄膜综合性能优异,广泛适应食品包装及其他领域的包装,是一种理想的包装材料。关键词:茂金属;聚乙烯;薄膜;食品包装中图分类号:TQ325.12,TQ320.721?文献标识码:A?文章编号:1001-9456(2003)03-0074-04Application of Metallocene PE Film in Food PackagingPENG Li?qun1,LI Xong?hui1,ZHANG Zhi?you2,DONG Jian?hua2(1.Hunan plastics Research Institute,Changsha Hunan 410001,China;2.Plastics Packaging Factory of Salt Industry Company of Hunan Province,Changsha Hunan 410002,China)?Abstract:;The usage requirement of the packaging film for food and the processing technology formetallocene PE film are introduced.The investigations of metallocene film used for food packageing showthat the metallocene PE film has excellent combined properties and can be widely used in food packagingand the packaging material in other fields.The metallocene PE film is an ideal packaging material.Key words:metallocene;polyethylene(PE);film;processing technology1?茂金属聚乙烯薄膜的特性及食品包装膜的需要随着经济增长和城镇居民收入的提高,我国食品消费结构显著变化,食品消费总量呈上升趋势。与之紧密相联的食品包装也在迅速发展,塑料薄膜这一必不可少的包装材料起着举足轻重的作用。传统的包装薄膜难以适应快速发展的食品包装要求,新一代茂金属聚乙烯薄膜以其独特的性能备受食品包装业的青睐。?茂金属 一词来源于二茂铁(C5H5)2Fe,它由KamisKy 等人发现并将其运用到聚合物的合成。二茂铁化合物中的个别成员在过量甲基铝氧烷存在的条件下,适宜于用作乙烯聚合物的催化剂。此后茂金属催化剂在聚合反应中的应用及茂金属聚合物的应用开发成为一种浪潮,而使用最早、最普遍的聚合物为茂金属聚乙烯树脂(简称 mPE)。Exxon 公司首先采用单活性中心催化技术开发成功,并生产了近 40 个牌号聚合物产品。随后 Dow 公司开发了流动性更好的 mPE,与普通的 LLDPE 相比mPE 分子量较高,且分布狭窄。该高聚物所制得的薄膜强度高,纵横强度均衡性好。由于聚合完全,低分子物含量极少,因此抗化学萃取和抗污染性能好,薄膜粘性低。由于无超高分子分布,所以晶点少。mPE 薄膜热封性能好,起封温度低,热封温度范围宽,熔点峰值低,缩短了热封时间,密封性能好,渗漏断裂现象大大减少。mPE 薄膜具有优良的耐穿刺性和综合性能,较EVA、OPP 薄膜更具有刚性和表面平整性等。此外!74!茂金属聚乙烯薄膜在食品包装的应用?塑?料2003 年?第 3 期(32 卷)?收稿日期:2002-12-13?作者简介:彭立群(1963-),男,工程师,天津轻工学院化工系塑料工程专业毕业。现就业于湖南省塑料研究所,主要研究塑料成型加工、改性?及特种高分子材料。mPE 薄膜还具有食品包装需要的防潮、隔气、抗氧化、耐油、耐冻、耐蒸煮、耐化学腐蚀,无毒、无味、不影响食品营养成份、保持食品香味、印刷性能好、容易开口等特性,因此特别适应下述发展形势:(1)动物性食品(肉、水产品、奶、蛋)消费量的增长;(2)酒、饮料、烟、干鲜、瓜果消费明显增加;(3)快餐业与甜食、方便食品和微波食品大量的增加(如:净菜、半成品菜、速冻食品、方便食品、休闲食品和居民在外就餐的食品包装);(4)?绿色 商品和?与环境友好 与健康有益的食品的增长。同时 mPE 膜也适应于作一些特别的液体的包装,如:酱油、果汁、豆奶、洗发精等物品的包装。一般性的LLDPE 薄膜在油脂存在情况下易产生迁移、氧化,在碱、酸或强力表面活性剂的作用下,热封焊缝往往会破裂,造成污染。然而 mPE 薄膜具有传统的 LDPE、LLDPE、PP、EVA 等材质薄膜所不及的诸多优点。目前正在逐步取代一部分传统包装材料,它将以优异的性能在包装业占据相当重要的地位。2?食品包装用 mPE 薄膜的生产工艺控制茂金属聚乙烯树脂由于有独特的分子量分布范围及为数不多的支链结构,决定了该聚合物要采用特殊的加工工艺及加工设备生产。在茂金属薄膜的生产过程中必须保证设备的正常运行和严格控制好工艺条件,以达到稳定产品质量的目的。2.1?茂金属聚乙烯薄膜的生产工艺流程mPE 薄膜的生产工艺与普通聚乙烯薄膜工艺基本相同(见图 1),但工艺条件控制有所区别。配料 搅拌 挤出 旋转管膜 吹胀 冷却 电晕处理 牵引|检验收卷 包装图 1?mPE 薄膜的生产工艺流程2.2?mPE 薄膜吹塑工艺的控制由于目前茂金属聚乙烯树脂价格高于普通聚乙烯树脂,为减轻消费者的负担,采用 mPE 与通用级LDPE 树脂混合使用。当原料计量进入挤出机加料段时,树脂处于熔融阶段,粘度徒然增大,通过螺杆传递扭矩,驱动电机电流上升。如果控制不好会造成停机或其他现象出现,机内物料的温度也随之上升,融体出口模时造成牵引不平稳,出现破膜、断膜、膜泡不稳定,进而影响薄膜的幅宽和厚薄均匀性。如果降温,则薄膜塑化不好、晶点多、透明度差,薄膜的力学性能下降,膜质较硬,且粗糙。与其他薄膜复合时出现局部收缩、脱层、热封效果差等一系列问题。因而 mPE 吹塑工艺必须遵循挤出由:低高 中 中温区挤出工艺的规律,从而使融体塑化均匀,出料平稳,牵引、收卷正常。这样在加料段必须保持低温,以确保送料及时和强大的推力;在压缩段应迅速升温,使树脂提前熔融,减少融体因粘度增大而产生的超扭矩反应;融体进入均化段应采用急降温的办法,便于转移更多的热量积累,使物流处于平稳的粘流状态,保证融体均衡通过滤网,形成稳定的管膜,杜绝融体破裂现象,为牵引、冷却打好基础。冷却也是 mPE 薄膜加工中很重要的一环,由于mPE 树脂融体挤出温度比 LLDPE 高而结晶温度比LLDPE 低 4#7#,及时转移融体热量尤其重要。应采用双层风环及时散热以满足工艺要求。双层环风量的调整高度限制了薄膜的吹胀比。适宜的吹胀比有助于膜泡冷却,提高薄膜的均衡取向,也保证薄膜厚薄的均一性。在 mPE 薄膜的生产过程中吹胀比保持在 1.8 3.5 之间为佳,霜线高度应控制在 2D 左右,薄膜的综合质量得以保证。2.3?mPE 薄膜加工过程中对设备的要求mPE 树脂在进入挤出机后物料从受挤压到熔融,物料进入熔融中期时融体粘度陡增,物料的磨擦力增大,造成螺杆扭矩增大,产生压力传递,挤出机的驱动部分承受很大负荷,使主机电流升高,因而在设备选型时,必须选择驱动功率能足够承受生产中出现的扭矩及负荷的设备。在生产过程中,控制合理的工艺条件也可在一定范围内改善主机承受的负荷,确保生产正常进行。挤出机螺杆长径比选择也是 mPE 薄膜生产设备的一个关键,选择螺杆的长径比合理可生产优质的mPE 薄膜,同时也能保证生产能力的实现,从而减少浪费获得一定的效益。目前对 mPE 薄膜加工要采用的螺杆技术参数看法不一致,但挤出机螺杆应有足够的挤出压力,使螺杆在压缩段具有足够的剪切作用;进入均化段后又必须减少剪切,使融体松弛,并迅速转移热量,快速出模以稳定生产能力。一般螺杆长径比选择在 251 321 之间才能保证 mPE 薄膜的产能及产!75!茂金属聚乙烯薄膜在食品包装的应用?塑?料2003 年?第 3 期(32 卷)品质量。我们采用两台单螺杆挤出机配以复合旋转吹塑模头生产设备可弥补出料不稳定,解决薄膜厚薄不均匀等缺陷。如生产中出现条纹或其他不正常现象,可用调整口模温度等方法达到控制 mPE 薄膜质量的目的。3?茂金属 PE 膜用于食品包装的性能茂金属聚乙烯薄膜具有传统包装薄膜所不及的许多优异性能,这些特性恰好是食品包装所需要的。它的使用将对保护食品的质量、延长食品的保质期起着重要的作用。3.1?食品包装用茂金属聚乙烯薄膜质量要求食品包装膜种类繁多,其性能也各有差异。单层膜性能单一,复合薄膜性能互补,成为食品包装的主要材料。一般复合薄膜在热封时往往需要的温度高、时间长、压力大、而且热封牢度不够,或者防潮、防渗漏性能差。采用 mPE 薄膜用于食品包装可排除上述材料存在的缺陷。我厂生产的食盐包装膜除了要求与普通包装材料相同的机械强度及纵横均衡性、热封强度、气密性外,还要求具有优良的透明度、易于印刷复合、耐冲击性、耐穿刺性好等性能。现将性能列于表 1中进行对比。表 1?mPE 薄膜力学性能对比编号折径%厚度/?%?拉伸强度/MPa断裂伸长率/%直角撕裂强度/(kN&m-1)纵 向横 向纵 向横 向纵 向横 向01900%0.0512.7611.7030028940!02900%0.03511.5610.615014940!03900%0.0519.4619.9351654012012304900%0.03513.9513.2465480113119注:03、04 为 mPE薄膜;01、02 为普通 LDPE、LLDPE 薄膜。表 2?mPE 薄膜穿刺强度对比编 号01030204平均厚度/mm0.050.050.0350.035穿刺强度/(N&m-1)0.431.240.310.91注:01、02 为 LDPE/LLDPE 薄膜,03、04为 mPE/LDPE 薄膜。3.2?渗油试验本试验将几种规格的膜与尼龙膜印刷复合制成240mm%170mm 袋子,装上腊猪肉、辣椒萝卜、卤豆腐干并封口蒸煮(与通常的食品包装相同的条件)。每组样品为 10 袋,将样品放置在 65#恒温箱 48 小时,分别观察其结果。表 3?mPE 薄膜热封性能对比编号膜 厚/mm热封温度/#热封时间/s热封强度破袋率010.051651.2强度低于本体膜1/1000020.0351601强度低于本体膜1.2/1000030.051200.5 0.8与本体膜相同不破袋040.0351180.5 0.7与本体膜相同不破袋注:用3%15mm 的扁钢穿刺,封口处观察破袋率,用自动封口机完成封口。表 4?mPE 渗油试验对比编号厚 度/mm复合尼龙膜厚/mm制袋规格/mm%mm封缝尺寸/mm渗油情况袋表面其 他010.050.015240%17010少量迁移膜发暗不平整020.0350.015240%1708少量迁移膜发暗不平整030.050.015240%17010不迁移无变化平整040.0350.015240%1708不迁移无变化平整3.3?mPE 薄膜适用于重包装除了广泛适用小食品包装外,还可用于大米、面粉、饲料、化肥等大容量的包装。它可排除这些大包装在贮藏过程因摔破、划破、刺破造成的物料流失等不利因素,还因具有优良的耐油性可广泛用于各种液体化妆品的包装。!76!茂金属聚乙烯薄膜在食品包装的应用?塑?料2003 年?第 3 期(32 卷)4?讨论茂金属聚乙烯薄膜用作食品包装材料的综合性能能满足食品包装的要求,同样也适合其他较重物品的包装。这种包装材料具有良好的发展前景,但目前尚未普及,其主要原因有:(1)目前市场上茂金属聚乙烯树脂价格高于普通聚乙烯 3000 4000 元/吨,成本居高且国内至今尚无大批量生产,而生产 mPE 薄膜的树脂来源于美国Dow 公司和 Exxon 公司等。这些树脂生产时,原辅材料及动力消耗都高于普通树脂,使成本上升,成为推广使用中的最大阻力。将 mPE 树脂按比例加入普通树脂吹塑制膜,性能得到大幅度改善,价格上涨幅度小,目前这种方法已被包装业广泛采用。不过全部采用mPE 薄膜作包装材料,或用作其他工业产品包装,而将薄膜减薄以降低产品成本也同样可行。建议 mPE树脂合成厂扩大生产规模、降低树脂成本、增加树脂销售量,厂家同样可获得较高的利润,与此同时受益的还有食品生产厂、包装材料厂及广大消费者。(2)mPE 聚合物分子结构规则、分子间间距小、分子量分布范围窄、成型加工比普通聚乙烯困难些。特别是在吹塑过程中,当融体粘度陡增时,必须严格控制好工艺条件,不然将给薄膜生产带来不良影响。此外,小部分小型塑料包装厂因生产设备达不到要求,基本上不能生产 mPE 薄膜。上述问题均可以在树脂中加入成核改性剂或通过合理控制 mPE 的成型温度,降低融体粘度,采用已有设备同样可以生产出高质量的mPE 薄膜。同时也希望有关单位在设备上、工艺上和改性材料等方面进行探讨,尽快使 mPE 这类优质的包装材料得到普遍应用。我国茂金属树脂相继投产,mPE 树脂生产厂家也将经历产品生产成本由高到低的发展过程,会在大批量树脂投产后逐渐适应市场需求。5?结论(1)mPE 薄膜具有纵横向拉伸强度均衡、抗冲击、防渗漏、抗污染性能好、透明度高的性能。该膜易于与其他材料薄膜复合,极易热封制袋,热封强度高,广泛适用于食品包装、液体包装和重包装方面,同时也适应化妆品及其他一些特殊要求的包装。(2)由于 mPE 树脂在吹膜过程中对工艺、设备均有一定的要求,mPE 薄膜生产成本受到制约。在生产过程中,我们采用 mPE/LLDPE 共混挤出吹塑方法获得了性能优异的包装材料,降低了薄膜的综合成本,并使融体粘度下降,传递给螺杆的扭矩减少,从而减轻驱动负荷,使大规模生产薄膜得以实现。食品包装膜的生产配比一 般 mPE 为 60%,LLDPE 或 LDPE 为40%,其成本、生产工艺和性能达到较理想的状态。总之,mPE 薄膜是一种综合性能优良的包装材料,广泛适应食品及液体食品包装,能取代传统的塑料包装材料,并广泛应用于其他行业的包装。参考文献:1?Exxon Mobil公司.MLLDPE 技术资料R,1999.2?黄敬良.茂金属聚乙烯薄膜的工艺研究与应用J.中国?塑料,1999,13(5):9-15.3?李新.新型食品包装材料J.中国包装,2002,(3):89.4?钱汉英.IC98 国际塑料橡胶展览会观感J.中国塑料,?1999,13(7):89-108.5?高继志,胡守文,张春生,等.茂金属聚乙烯吹塑棚模的研?究J.中国塑料,2002,16(6):45-50.(本文编辑 WJW)(上接 45 页)3?结论(1)发泡剂用量的增加使橡胶?塑料高分子多孔材料的气泡孔数目增多,气泡孔的尺寸变小,导致多孔材料拉伸强度、断裂伸长率提高,但弹性模量的变化并不显著。发泡剂用量可按照制品性能要求进行合理的选择。(2)成核剂含量的增加同样会使橡?塑多孔材料的气泡孔数目增多,气泡孔尺寸变小,从而提高材料的刚性,但同时降低了材料的拉伸强度。所以成核剂的加入量应该考虑产品的综合性能。参考文献:1?张师军,张薇,翟仁立,等.化学交联聚乙烯微孔材料的研?制J.合成树脂及塑料,2001,18(4):45.2?王贵恒.聚合物成形原理M.北京:化学工业出版社,?1991,2.3?吴舜英,徐敬一.泡沫塑料成型(2版)M.北京:化学工?业出版社,1992,2.4?钱志屏.泡沫塑料M.北京:中国石化出版社,1998.5?Chul B Park,Lewis K Cheung.A study of cell nucleation?in the extrution of polypropylene foams J.Polymer?Engineering and Science,1997,37(1):1-10.(本文编辑 SXQ)!77!茂金属聚乙烯薄膜在食品包装的应用?塑?料2003 年?第 3 期(32 卷)