包装材料学 (课堂PPT)

（塑料原料与助剂、塑料制品及复合包装材料部分）,包装材料学（二）,1,参考书：,1.段予忠等主编，塑料原料与助剂，科技出版社2.上海合成树脂研究所，塑料工业，石油化学出版社3.化工部科技情报所，合成树脂及塑料手册4.橡胶塑料加工助剂，化工出版社5.李祖德主编，塑料加工技术应用手册，机械出版社6.黄锐等主编，塑料成型工艺学，轻工业出版设7.江谷，软包装材料及复合技术，印刷工业出版社8.何新快等主编，软包装材料复合工艺及设备9.曾秉芳，包装材料与容器手册，广东科技出版社10.韩永生，塑料包装薄膜成型与实例，化学工业出版社11.高学文，新型塑料包装薄膜，化学工业出版社,2,一、包装材料的分类,根据材料功能：可将包装材料分为主要包装材料和辅助包装材料。主要包装材料：是指用来制造包装容器的器壁或包装物结构主体的材料；辅助包装材料：是指装潢材料、粘合剂、封闭物和包装辅助物、封缄材和捆扎材等材料。不同的国家有不同的分类习惯，但按照原材料种类的不同进行分类是被普遍采用的方法。,3,按照原材料种类可把包装材料分为：（1）纸质材料（纸、纸板、瓦楞纸板）；（2）合成高分子材料（塑料、橡胶、粘合剂、涂料等）；（3）金属材料（钢铁、铝、锡、铅等）；（4）玻璃与陶瓷材料；（5）复合材料；（6）纤维材料（天然纤维、合成纤维、纺织品）；（7）木材；（8）其他材料。,4,按照新材料科学的学术观点，提出了功能包装材料的概念。按照包装功能和目的可把常用的包装材料分为7类：,（1）阻隔性包装材料,包括气体阻隔型、湿气（水蒸汽）阻隔型、香味阻隔型、光阻隔型等。（2）耐热包装材料。如微波炉用包装材料。（3）选择渗透性包装材料。其中包括氧气选择渗透、二氧化碳气选择渗透、水蒸汽选择渗透、挥发性气体选择渗透等。（4）保鲜性包装材料。如既有缓熟保鲜功能又有抑菌功能的材料。（5）导电性包装材料。其中包括抗静电包装材料、抗电磁波干扰包装材料等。（6）分解性包装材料。包括生物分解型、光分解型、热分解型等。（7）其他功能性包装材料。包括防锈蚀包装、可食性包装、水溶性包装等。,5,上述各个领域的功能材料，其功能涉及多种学科，大多数属于高新技术开发的新材料领域，代表了当前新型包装材料的发展趋势。,6,二、包装材料的选择,为了得到一种成功的包装，在选择包装材料时，必须研究以下几个问题：（一）包装材料的规格一般来说，同一种包装材料可以有一系列不同的性能参数或各种不同的规格。所选择的材料必须有足够的机械强度和其他适当的物理和化学性能，能够经受加工，贮存和运输过程中各种环境和条件下的考验，保护被包产品不损坏，不污染，并确保被包物品中的任何成分不向外泄漏、渗透。为了利于机械化充填、封合，包装材料对于包装设备必须有良好的适应性。,7,（二）包装材料与产品的适应性或相容性,必须根据被包装物的理化性质和对包装的不同要求选择与被包装物相适应的或相容的包装材料，使产品不与包装材料相互作用并得到全面保护。例如，液体产品需用防渗透材料；对氧气敏感的产品需要用阻氧性好的材料并可使用脱氧剂；对易吸湿性产品应选用防潮材料并可使用干燥剂；对易锈蚀产品应选用阻氧阻湿材料并加入防锈剂；对于某些带有香气的产品，应使用保香阻隔材料并防止异味侵入；对某些油脂食品除了需要阻氧遮光包装材料防止油脂氧化外，还应防止油脂和包装材料中的添加剂在包装有效期内发生化学迁移等等。相容性的问题既有物理方面的因素，又有化学方面的因素，是一个很复杂的问题，在采用一种新的包装材料之前，往往要做许多试验才能确定。,8,（三）商品的流通环境和保质期,必须研究从产品最初包装到产品到达消费者手中的全部流通环节和环境。充分考虑到可能遇到的劣气候、装卸条件、运输工具的冲击和振动并以此为依据选择确定包装材料的阻隔性、强度、所需的缓冲充填物、捆扎材料等。根据被包产品的保质期和包装有效期确定合理的包装材料是一件相当困难的工作。随着科学的进步和计算机的应用，根据产品性质和流通环境对包装结构、包装材料、包装有效期的科学设计已经成为可能。,9,（四）市场调研在开发研究一种新包装和采用一种新型的包装材料时，必须研究不同国家和地区的不同包装要求、习俗和法律，了解新材料的市场情况及消费者的消费心理和购买力。（五）包装材料必须符合环保要求除了具备良好的包装功能外包装材料还应具备方便回收、减少污染、保护环境等问题。这就是近几年来兴起的“绿色包装”。因此，包装材料的选择应满足绿色包装工程的需要。,10,本课程的主要内容：,塑料原料与助剂塑料包装制品复合包装材料,11,第一章绪论,一、塑料定义：塑料是以树脂（有时用单体在加工过程中直接聚合）为主要成分，一般含有添加剂，在加工过程中能流动成型的材料。（目前塑料一词尚无确切的定义，一般不包括弹性体、纤维、涂料、粘合剂。）或塑料是以树脂为主要成分，在一定的温度和压力下，可塑制成一定的形状，并在常温下能保持既定形状的材料。另：塑料是以合成或天然的高分子化合物为基本成分，在将其制造或加工过程中的某一阶段能流动成型或原地聚合或固化而定型，其成型的状态为柔性或刚性固体（非弹性体）的材料。聚四氟乙烯可以不加任何助剂。,12,二、发展概况：,1863年将纤维素硝化，用樟脑做增塑剂制成世界上的第一个塑料品种，称为赛璐珞；1909年出现了第一个人工合成塑料，酚醛塑料,从二十年代直四十年代，是塑料品种迅速发展的时代。至今塑料的体积产量早已远超过钢铁等主要原材料，其产值也位居国民经济的首位。塑料原料的品种很多，基本可分为十八大类树脂，二（三）百多个品种。,13,1.世界塑料工业概况,1998年世界塑料总产量为144308kt，其中亚洲占30.2%，欧洲占31.4%，北美洲占32.7%，其他地区占5.7%。2000年情况，亚洲占32.2%，欧洲占32.1%，北美洲占27.2%.,14,美国塑料原料产量在上世纪90年代初就已超过3000万吨，1997年后超过4000万吨，2001年和2002年分别达4600万吨和4880万吨，占世界总产量的1/4上下。,15,16,2.中国塑料工业,塑料加工机械产量位居世界第一，合成树脂产量排名世界第二，塑料表观消费量占全球五分之一，中国正在成为全球“塑料价值链”中极为重要的一环。2007年中国合成树脂产量已达3073.55万吨，同比增长18.54；进口量1896.92万吨，同比增长5.04；出口量382.37万吨，同比增长52.70；表观消费量4578.04万吨，同比增长12.1。进口依存度较上年下降，比去年同期降低2.8，达到41.4。,17,塑料行业分布情况,塑料行业地区分布集中在东南沿海省市从塑料制品产量的地区分布上看，广东、浙江、江苏三省位居全国之首列，三省塑料制品产量合计为1041.8万吨，占塑料制品产量总计的56.4。,18,塑料制品品种分布,各省塑料制品分品种产量占全国同类产品产量的比重:广东省的塑料薄膜、塑料包装箱及容器、日用塑料制品、其他塑料制品产量居全国首位；浙江省的塑料棒管材、塑料人造革、塑料合成革位居全国之首，江苏省的泡沫塑料产量为全国第一。辽宁省的塑料板片材产量跃居全国榜首，2003安徽省为首位；山东省的塑料丝及编织品超过了浙江省而居全国之首。2004年塑料制品分品种产量前三位的地区（详见表4）。,19,三、塑料分类,塑料原料的品种很多，基本可分为十八大类树脂，二百多个品种（有资料介绍有300多品种），但其中常用的品种有二十几种。不同是目的有不同的分类方法。1、按受热行为分为：热固性塑料（thermohardeningorthermosetting）：是指树脂在加热过程中发生化学反应，由线形分子变成体形高分子结构，此后遇热不再熔融，也不溶于有机溶剂。如果加热温度过高，只能炭化。典型品种有酚醛（PF）、环氧（EP）、氨基（UF）、不饱和聚酯UP）、呋喃（FA）、有机硅树脂（SI）等。热塑性塑料(thermalplasticity)：是指在一定温度内可以软化乃至熔融流动，冷却后又能固化成一定形状的塑料。这个过程可以反复进行多次，其典型品种有PE、PP、PVC、PS、ABS、PA、POM、PC、PSF、PET、PTFE等。,20,2、按用途分为：,通用塑料：产量大，用途广，价格低。如PE、PP、PVC、PS（四种占塑料总产量的80%）酚醛（PF）、氨基（UF）六大通用塑料。工程塑料：适用于工程结构，机械部件和化工设备等工业用途的塑料，其特点是成本高，产量低。ABS、PA、POM、PC等四大工程塑料。另：按化学结构分：聚烯烃类（PE、PP）、聚苯乙烯类（PS、AS、ABS）、聚酰胺类（各种尼龙）、聚醚类（PC、POM、PPO）、聚酯类（聚对苯二甲酸丁二酯PBT、乙二酯PET）、聚芳杂环类（聚酰亚胺）、含氟聚合物类（聚四氟乙烯）等。按结晶形态分：结晶性和非结晶性塑料等。,21,四、塑料的特性,1、质轻、比强度高一般在0.9-2.3之间，有些增强塑料的比强度接近或超过钢材，例如玻璃钢。2、优质的电绝缘性能几乎所有的塑料都具有优异的电绝缘性能。尼龙等例外。3、优良的化学稳定性能一般塑料对酸碱等化学药品均有良好的耐腐蚀能力，特别是聚四氟乙烯的耐腐蚀性比黄金还好，甚至能耐“王水”腐蚀，称为“塑料王”。4、减摩、耐磨性能好5、透光及防护性能多数塑料为透明或半透明，其中PS、PMMA、PC为典型的代表6、减震、消音性能7、加工性能良好8、不足耐热性比金属差，热膨胀系数比金属大3-5倍，易蠕变、老化等。,22,五、应用,1、农业薄膜：地膜、大棚膜：育苗，蔬菜，养殖管材和管件：灌溉，简易自来水、滴灌技术网：遮阳网、养殖，育苗，运动草皮，沙漠绿化水利建设、公路建设、铁路建设、城市建设和机场建设用各种土工合成材料，如土工膜、土工编织布及复合材料、土工膜与无纺布复合材料、土工单向及双向拉伸材料等等，也将得到广泛的应用。,23,2、包装：,在包装中用途广泛，包装至今仍是塑料制品应用中的最大领域，其发展仍大大超过其它传统包装材料。近几年统计塑料包装材料总产量约占包装材料总产量的1/3，居各种包装材料之首。包装容器，代替金属、陶瓷、玻璃、木材等；保鲜软装罐头、果汁、化装品、药品等；防震缓冲包装：PS、PU、PE泡沫塑料；日常包装：包装袋，编织袋，捆扎绳，打包带等。,24,3交通运输：主要用于汽车、轮船的零部件及装修上（比强度大）4电气工业：电线、电缆、录音机、录象机、电视机等。5化学工业：塑料容器和管道、耐腐蚀6仪表工业：制造辅件7建筑工业：化学建材，代替木材，水泥砖瓦，顶棚，地板、塑钢窗8航空材料：飞机上用塑料件，减轻重量9国防与尖端工业：卫星、火箭及原子能工业中做烧蚀材料、耐腐蚀材料，武器中做零部件，塑料地雷，隐身飞机（形状、材料、发动机深埋）10家具：桌椅11体育用品和日用品：钓鱼竿、梳子、玩具、餐具、盆、筐、鞋、衣、塑料跑道、体育器械等。12医疗卫生：一次性注射器，输液器，人造骨骼及气管、血管等。,25,六、塑料包装材料的性能,1、阻隔性(gaspermeability)：是指塑料包装材料，如薄膜、片材和容器等防止各种气体，如O2、N2、CO2、H2O蒸汽、有机溶剂及各种香气等透过的能力。气体具有从高浓度向低浓度扩散的性质。一定厚度的金属与玻璃可以实现完全阻隔，但一般高分子材料不具备。（1）渗透机理：无论材料厚薄如何，机理相同例如：薄膜气体吸附在膜表面气体溶在膜中气体分子由高浓度向低浓度扩散气体从膜的另一面透出,26,Fick气体扩散定律,薄膜的透气率D扩散系数C扩散气体的浓度x薄膜厚度t扩散时间m气体透过量影响透气性的因素：气体与高聚物的相容性-溶解度符合相似相溶原理气体在高聚物中的扩散-其分子直径大小及高分子结构的紧密程度,27,（2）高聚物的结构与阻隔性的关系,化学结构和聚集态结构极性：透水蒸气PA；透气PE、PP、PS、EVA当气体一定时，聚集态结构是影响阻隔性的主要影响因素结晶：气体在无定形区域中溶解和扩散所需的活化能较在结晶区中少。拉伸：如PP经拉伸后，阻隔性可在原有基础上提高一倍。,28,（3）影响高聚物阻隔性的环境因素,A温度的影响：溶解热H和扩散活化能Arrherius经验公式K-透气率A-常数E-渗透活化能R-气体常数T-绝对温度E=E+HE0E-扩散活化能H-溶解热,29,B、相对湿度的影响含有-OH或酰胺基-C-N-的聚合物，当湿度增大时，阻气性降低，如EVOH、PVA、PA等。,温度对塑料材料阻隔性的影响,30,（4）常用阻气阻湿包装材料,乙烯-乙烯醇共聚物EVOH：热封性差，一般为中间层，乙烯含量25%。PVDC聚偏二氯乙烯：易分解（一般为VDC+VC共聚），丙烯氰共聚物：丙烯氰与乙烯类、甲基丙烯酸酯类的共聚物（阻湿性较差），中间层。PVA、PET、PA、PCPP/EVOH/PPPC/EVOH/PP复合材料透气率：,31,2、耐寒性和耐热性热机曲线：Tb、Tg、Tf、Tm、Td影响因素：Tg刚性、侧基，分子间作用力、交联度等。应用：PET：-60150Tm=267，耐220230高温，长期在120下使用;PA：PET/PA和PA66/CPP，120，CPET/PA/铝箔（120135）PC