利用多层阻隔技术释放PET包装的潜力

http://www.plas.hc360.com2017年08月07日14:32 来源:荣格T|T

    自包装行业采用PET的早期,人们就已认识到这种材料的优异性能,它能在许多食品、饮料、家居和个人护理产品中取代玻璃和铝质包装。除了具有容纳和分配产品以及向消费者传递营销信息的作用以外,包装还必须为其内容物提供必要的保护,比如至少在计划的保质期内。一些简单的应用例子包括防止碳酸饮料所含的二氧化碳逸出,防止氧气接触敏感的果汁和酱汁产品,以及限制乳制品暴露于光照(包括可见光、紫外线或红外线)下。虽然PET比许多其他包装聚合物有着更好的阻隔性,但它仍然是可透气的,并且包装的内容物会与环境之间发生一定程度的气体交换,这通常成为限制产品保质期的因素。

    随着包装尺寸的减小,如何为产品提供充分的保护已成为一项日益严峻的挑战。气体进入(或损失)的速率与包装的表面积成正比,而允许进入或离开包装的气体总量由产品体积决定。随着包装体积的减小,表面积与体积之比不可避免会增大,这就需要通过改善包装阻隔性来满足必要的产品保质期的要求。在消费者对小包装(含量控制和随时随地消费)的偏好以及品牌所有者对上架产品实行差异化的需求不断增长的推动下,小容量包装将越来越普遍。小容量包装还能让品牌所有者以广大潜在消费者能够接受的价格点向新兴市场推出产品,而不会侵蚀价值。

    改进PET包装阻隔性能的传统方法

    扩展PET包装的阻隔性能有多种方法,最终选择哪种技术将取决于多个因素。这些因素包括阻隔性能所需改善的程度、保持生产灵活性的需要、物流链的局限,当然还有生产的总成本。

    二氧化碳损失的比较——单层、单层混合与多层阻隔技术的比较

    改进传统PET包装的阻隔性能最简单的解决方案是在注塑系统的挤出机上将PET与一种市售的阻隔材料混合。混合产物的耐透气性(被动阻隔)得到改善,甚至可以主动捕获聚合物基质中的氧分子(活性氧清除剂)。这种方法除了聚合物计量和混合助剂之外,不需要任何设备更换,这在某些情况下或许是一种适当的解决方案。但最简单的解决方案往往也会有严重的局限性,甚至会带来害处。阻隔性改善因子与添加到混合物中的阻隔材料的量成正比。随着添加剂水平的增加,PET瓶的清晰度和透明度通常会下降,这就限制了在保持需要的包装外观的情况下所能达到的改善程度。更为重要的是,与多层包装相比,混合方案会增加阻隔材料的成本,并且对可回收性有着潜在的影响。

    给瓶子涂层是改善单层PET包装耐气体渗透能力的另一个可选择的方案。在瓶子内表面涂一薄层玻璃状涂层可以形成高效的防气体渗透被动阻隔。可在吹塑工序之后的等离子处理时进行涂层。氧化硅涂层清澈透明,而无定形碳涂层则会给透明的包装增加浅黄的颜色。这种涂层的效果可能受到瓶子变形的限制,会破坏瓶子的完整性,使阻隔性改善的净效果下降。相比之下,多层共注塑阻隔解决方案则提供了更大的包装设计自由度,因为这样一来包装变形程度对阻隔性能就不那么重要,甚至是无关紧要。这样还可以加入活性氧清除剂材料,防止氧气进入,以降低顶部空间中的氧含量。在有应用需要时,还可以创造出能够提供光阻隔的多层结构。

    在操作层面上,由于耗材成本低,因此涂层方案具有吸引力。同时,由于等离子涂层系统是吹瓶和灌装之间额外增加的工艺步骤,对瓶胚注塑厂商而言,要供应多个吹瓶生产点成为了一项挑战。系统供应商的选择,除其他因素外,还要考虑所选涂层的类型。阻隔涂层的质量控制是通过监测工艺参数完成的。氧化硅涂层本身只能使用实验室级仪器,如扫描电子显微镜来检测。多层瓶胚中的阻隔层分布的质量可以通过非破坏性和破坏性的检查手段来确认。

    多层瓶胚是通过顺序注塑或同时共注塑工艺而实现的。用上述两种工艺得到的瓶胚都包含一个独特的阻隔材料层,夹在PET的内层和外层之间。尽管在食品和饮料行业中通常会批准使用阻隔材料,然而另一个好处是,只有PET能与内容物直接接触。注塑之后的吹瓶和灌装步骤不需要改变现有的生产线,这就意味着在需要时,生产商能够保持灵活性,通过运作一家中央注塑设备工厂来供应多个吹瓶和罐装地点的需求。

    赫斯基多层阻隔技术

    赫斯基的多层技术是一种完全集成的系统解决方案,它以公司的HyPETHPP产品线一流的单层瓶胚性能和可靠性为基础。同时,由于PET和阻隔材料可同时通过浇口流入模腔,共注塑能缩短注塑周期并具备注塑薄壁瓶胚的能力。多层熔融流在共注塑热流道的注嘴中形成,假设能保持相同的热流道注嘴间距和界面,标准模具的冷半模可以在单层和多层系统之间互换。虽然共注塑系统必须配置有两个注塑单元和一个共注塑热流道,以及必要的辅助和控制系统,赫斯基的多层系统则有着充分的灵活性,既可以运行单层模具(完整模具和热流道)也可以出于需求、季节性或目标市场的变化,在不更换模具的情况下生产单层瓶胚。

    

    多层阻隔技术可将阻隔层精确地放在需要的地方。左图是偏置黑色层,远离表面趋向核心。右图是一个完全密封的瓶胚圆顶。

    与PET的单层混合物相比,被动和主动阻隔材料在多层包装中的浓缩层中使用时均更有效。只需使用约50%或更少的混合阻隔材料,即可在多层阻隔包装中获得相同的阻隔改进因子以及相关的保质期。共注塑系统的效果已有报道,并在实验室研究中得到证实。尽管二者的机理不同,它对于必须防止氧气接触产品的氧气清除剂应用,以及必须将碳酸化保持在包装内部的被动阻隔应用均适用。对于被动阻隔层的情况,通过为气体分子产生更密集的“栅栏”来降低气体渗透率。对于活性清除剂的情况,通过确保只有到达阻隔层的氧分子与清除剂反应并被捕获来延长清除剂材料的作用能力。

    尽管光阻隔应用不涉及气体扩散机制,但仍能从多层技术中获得类似的材料成本和包装性能优势。在室温下,为更长时间保存乳制品(如超高温处理牛奶)的保存能力受制于多种因素,包括核黄素(维生素B2)的分解以及光照引起的蛋白质和脂肪的氧化,导致营养价值和口味的损失。单层瓶胚的TiO2母料(氧化钛通常用于产生强烈不透明的白色)含量很难显著高于12%,并且在某些点上不可能拉伸吹瓶,从而限制了其所能达到的光阻隔能力。相比之下,由于多层瓶胚在白色PET中包含一个隐藏的黑色PET层,其透光性大大降低,最高可阻挡99.99%650nm波长的光,同时又减少了对昂贵的不透明白色添加剂的需求量。

    由于能够通过瓶胚拱顶提供不间断的阻隔层覆盖,提高了整个包装的阻隔性能,这对于对氧气和光敏感的产品尤为重要。特别地,某些食品类型(例如意粉酱汁)在包装内不容易被混合,导致在未被阻隔层覆盖的包装部分可能发生局部氧化,从而造成变质。赫斯基的热流道设计和控制系统允许以圆顶端部封闭或开放(瓶底有无阻隔层均可)的方式来注塑多层瓶胚,在前一种情况下,可提供出色的端部处理(后缘)控制或阻隔层。

    2015年,赫斯基开始选择性地与一些早期采用客户合作,在市场上推出该多层技术。

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