啤酒包裝是塑料應(yīng)用關(guān)注的焦點(diǎn)之一,也是迄今塑料并未占領(lǐng)的zui大食品包裝領(lǐng)域。由于啤酒包裝對(duì)于瓶體阻隔性能的要求比較苛刻,為了提高塑料啤酒瓶的阻隔性,人們開(kāi)發(fā)出高性能聚萘二鉀酸乙二酯(PEN)樹(shù)脂、多層瓶技術(shù)(中間層為阻隔性樹(shù)脂等)、有機(jī)和無(wú)機(jī)涂層技術(shù)、高阻隔性共混物和共聚物、添加氧清除劑以及閉光保護(hù)等多種技術(shù)。本文主要對(duì)這些提高PET啤酒瓶阻隔性能的技術(shù)進(jìn)行介紹。
高阻隔性單層容器
可以用于制備高阻隔性單層容器的樹(shù)脂主要有:丙烯腈樹(shù)脂如丙烯腈-苯乙烯共聚物(Barexa)、PEN以及杜邦的高阻隔性聚酰胺樹(shù)脂(SELARPAa)。但這些材料的成本都比較高,只有PEN有望用于啤酒包裝。與PET相比,PEN具有以下優(yōu)點(diǎn):耐溫性能更佳,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)為124℃,比PET高78℃,熔點(diǎn)為286℃,比PET高248℃;氣體阻隔性更高。PEN對(duì)O2的阻隔性是PET的4倍,對(duì)CO2的阻隔性是PET的5倍,對(duì)水分的阻隔性是PET的3.5倍;此外,機(jī)械強(qiáng)度、抗紫外線等性能也更好。PEN可用作可以回收的啤酒瓶,熱灌裝溫度達(dá)100℃的果汁瓶,加熱到100℃以上的熱灌裝沙拉等容器,以及在130~138°下保持不變形和耐高壓的蒸煮包裝。
PEN的合成單體為乙二醇和2.6-萘二甲酸(NDC)。不過(guò)由于NDC的合成難度較大,目前只有BP一家公司實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
美國(guó)和西歐相關(guān)立法都已批準(zhǔn)PEN用于食品接觸包裝領(lǐng)域,日本也已經(jīng)批準(zhǔn)PEN、PEN/PET共聚物及共混物用于除軟
飲料包裝以外的所有包裝領(lǐng)域。
多層瓶技術(shù)
1.純阻隔性聚合物
目前,用于多層瓶中作為高阻隔性?shī)A層的材料主要有3種:乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)、聚偏氯乙烯(PVDC)和MXD6聚酰胺。此外,液晶聚合物(LCP)也是1種不錯(cuò)的高阻隔性材料。
含萘二甲酸酯的PET共聚物具有較高的阻隔性,成本低于PEN,但阻隔性還不足以提供啤酒4個(gè)月的貨架壽命。MXD6聚酰胺可提供比PET高19~20倍的阻隔性,加工溫度與PET相似,以30%的比例與PET共混,存在霧度和成本較高的問(wèn)題;此外,目前尚不清楚MXD6聚酰胺與PET共混對(duì)PET結(jié)晶性、定向性及熱和濕敏感性的影響。MillerandAnheuser—Busch已經(jīng)試銷(xiāo)以純MXD6為阻隔層的PET多層啤酒瓶。
EVOH的阻隔性能要比等厚度的MXD6高4~7倍,EVOH與PET的相容性小,很難使PET與足夠的EVOH共混,達(dá)到阻隔性明顯提高。此外,濕氣對(duì)EVOH會(huì)產(chǎn)生不良影響,可通過(guò)擠出前干燥物料或?qū)⑵溆米髦虚g夾層等方式來(lái)克服。
PVDC的阻隔性和EVOH相當(dāng),但由于含氯,存在回收問(wèn)題,影響了其在包裝材料中的應(yīng)用。
LCP對(duì)O2的阻隔性比。PET高200倍,將4.5%的LCP與PET摻混即可使O2的透過(guò)性降低約70%,而且不受濕度的影響。用量很小就可以獲得很好的阻隔性能,有利于降低生產(chǎn)成本。不過(guò)由于其加工難度較大且制品不透明。應(yīng)用受到了一定的限制。
2.納米
復(fù)合材料 與塑料啤酒瓶相關(guān)的納米復(fù)合材料研究工作主要有:
Honeywell公司實(shí)現(xiàn)了原位改性納米復(fù)合聚酰胺材料的工業(yè)化生產(chǎn)。與普通聚酰胺6相比。復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛性、對(duì)O2等氣體的阻隔性以及耐熱性均有所提高;其中,對(duì)O2的阻隔性提高3~4倍。日本宇部興產(chǎn)、尤尼奇卡和德國(guó)拜耳等公司則實(shí)現(xiàn)了原位聚合法聚酰胺-6納米復(fù)合材料的工業(yè)化生產(chǎn)。三菱瓦斯化學(xué)公司和蒙脫土生產(chǎn)公司Nanocor聯(lián)手開(kāi)發(fā)的MXD6聚酰胺納米復(fù)合材料,不僅保持了MXD6原有的透明性,而且阻隔性能也得以提高。
伊士曼化工公司在開(kāi)發(fā)聚酯納米復(fù)合材料方面非?;钴S。早在1999年2月,伊士曼就與Nanocor建立合作伙伴關(guān)系,共同開(kāi)發(fā)包裝用聚酯納米復(fù)合材料。盡管納米材料的引入可以改善PET的阻隔性、熔體強(qiáng)度等性能.不過(guò)由于納米材料引入會(huì)加速聚酯的結(jié)晶速度。因此制備透明制品還面臨許多挑戰(zhàn)。目前,大多數(shù)啤酒廠商選擇了采用阻隔涂層方法生產(chǎn)PET啤酒瓶,伊士曼公司已經(jīng)中斷該產(chǎn)品的生產(chǎn)和研究工作。
EVOH的生產(chǎn)成本較高,多年來(lái)生產(chǎn)廠商及終端用戶(hù)都致力于EVOH納米復(fù)合材料用于阻隔包裝的研究。不幸的是,EVOH復(fù)合材料很難制備,不能用原位聚合法生產(chǎn),只能采用熔融共混法,而共混法很難使納米材料在基體樹(shù)脂中呈現(xiàn)納米級(jí)分散。
涂層技術(shù)
1.有機(jī)涂層
①非等離子體涂層
ICI公司開(kāi)發(fā)的水基PVDC共聚物乳液是1種PET容器外層用有機(jī)涂層,可用澆塑法、噴涂法及簾式涂布法在容器表面涂敷厚度為0.02mm的涂層,使O2的滲透性降低80‰20世紀(jì)90年代初期曾被MetalBox公司廣泛用于1.5LPET啤酒容器。但由于回收問(wèn)題.該法并不受歡迎。
PPG公司生產(chǎn)的Bairocade是使用1種兩組分環(huán)氧胺外涂層,對(duì)O2和CO2有很好的阻隔性。這種涂層韌性好,耐溫、耐濕,且可賦予透明PET瓶顏色,增加了回收時(shí)的可分檢性。此外,涂層可用含表面活性劑的堿液處理后去除。該產(chǎn)品被澳大利亞Amcot,容器包裝公司用于400ml啤酒瓶。
杜邦正在開(kāi)發(fā)1種兩步法外涂層新技術(shù),命名為Edge,可以增加PET瓶的阻隔性、顏色和裝飾效應(yīng)。與涂敷前相比,PET瓶對(duì)O2和CO2的阻隔性提高了約30倍,產(chǎn)品的貨架壽命可以大于6個(gè)月。此外,研究表明,這種瓶可以通過(guò)普通的PET碎片回收方法進(jìn)行回收。
②等離子涂層
有機(jī)等離子涂層可用于PET瓶的內(nèi)層和外層。日本KirinBrewery、Nessiei和法國(guó)Sidel等公司均開(kāi)發(fā)出這類(lèi)工藝。其中。Kirin的工藝稱(chēng)為類(lèi)金剛石碳工藝(DLC);Sidel的工藝稱(chēng)為“ACTIS”,即在內(nèi)表面上進(jìn)行無(wú)定型碳處理。ACTIS工藝和DLC工藝均可以產(chǎn)生非結(jié)晶的無(wú)定型涂層,二者均采用乙炔作為等離子氣體,涂層的組成也非常相似,含有35%~38%的氫。兩種工藝的主要區(qū)別是采用的能源不同,涂層厚度不同。適用場(chǎng)合不同。ACTIS以微波作為能源,不存在內(nèi)部電極;DLC則以射頻作為能源,具有內(nèi)部和外部電極。ACTIS涂層的厚度可達(dá)0.2μm,而DLC的涂層厚度僅為0.02~0.04μm。ACTIS已經(jīng)于2000年6月獲得美國(guó)FDA批準(zhǔn)可以用于食品接觸領(lǐng)域。另外歐盟TNO組織也認(rèn)可它的食品安全相容性。DLC與食品接觸的相關(guān)認(rèn)可尚不清楚。
2.無(wú)機(jī)涂層
無(wú)機(jī)涂層是具有良好阻隔性的透明、致密膜,一般通過(guò)化學(xué)氣體沉積(CVD)過(guò)程獲得。無(wú)機(jī)涂層的一個(gè)潛在問(wèn)題是脆性比較大,變形大時(shí)容易破裂。
BestPET是可口可樂(lè)、Krones和Leybold等公司共同開(kāi)發(fā)1種用于PET瓶外表面的氧化硅涂層。涂敷這種涂層的PET瓶的阻隔性是普通PET瓶的2~4倍,額定產(chǎn)率為每小時(shí)2萬(wàn)只500ml瓶。
TetraPak開(kāi)發(fā)的專(zhuān)有Glaskin技術(shù)。采用真空沉積工藝,可以在PET瓶的內(nèi)表面形成一層玻璃狀硅氧化物阻隔性涂層。
3。利用氧清除劑
氧清除劑可用于多層結(jié)構(gòu)的吸氧層和瓶蓋的襯里材料,可以有效地清除通過(guò)PET外層傳人的或通過(guò)瓶蓋進(jìn)入的少量O2。
氧清除劑Amosorlb3000是1種具有很高清氧活性的透明韌性共聚酯,其與瓶用樹(shù)脂相容,已經(jīng)獲得美國(guó)FDA批準(zhǔn)用于多層結(jié)構(gòu)瓶的內(nèi)層。
CrownCork&Seal推出的Oxbar是氧清除劑與MXD6聚酰胺的混合物。
美國(guó)Darex容器產(chǎn)品公司和EVAL公司共同開(kāi)發(fā)的DarEval材料的主要成分為專(zhuān)有氧清除劑和EVOH共聚物,氧清除劑可以被水汽活化。與單一的EVOH不同,這種材料zui主要的特點(diǎn)是在相對(duì)濕度100%的條件下仍可保持阻隔性能。試驗(yàn)表明,含5%DarEval的3層注塑瓶zui少在120d內(nèi)具有類(lèi)似玻璃瓶的性能。
霍尼韋爾公司生產(chǎn)的NC2則為加入專(zhuān)有氧清除劑的原位聚合聚酰胺6。
4.避光保護(hù)
減少光線的直接照射,也是延長(zhǎng)啤酒貨架壽命的有效手段。
伊士曼生產(chǎn)的AmberGuard聚合物,正是這樣1種專(zhuān)門(mén)為啤酒包裝開(kāi)發(fā)的特殊配方PET樹(shù)脂。AmberGuard是一種預(yù)著色PET,有色成分直接聚合入聚合物主鏈,顏色均勻性好,可以較好地屏蔽紫外線和可見(jiàn)光。
此外,上文提及的Edge在提供阻隔性能的同時(shí),也具有避光保護(hù)的作用。
綜上所述。目前多層瓶技術(shù)是1種不錯(cuò)的選擇,在使用高阻隔性樹(shù)脂作為中間層的同時(shí),還可通過(guò)添加氧清除劑或合適的避光助劑進(jìn)一步提高啤酒的貨架壽命。對(duì)于裝瓶前經(jīng)過(guò)冷過(guò)濾和快速巴氏消毒的啤酒可用此結(jié)構(gòu)的瓶體進(jìn)行包裝,操作須在消毒下進(jìn)行。
對(duì)于可以進(jìn)行巴氏消毒的啤酒瓶。多層瓶的PET層需要被含有萘二甲酸酯的共聚物替代,以提高瓶體的耐溫性。
無(wú)定型碳或二氧化硅涂層也是提高PET或低含量萘二甲酸酯共聚物瓶體阻隔性的有效方法。這些方法在回收時(shí)比多層瓶技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)。
對(duì)于可以重新使用和重新灌裝的啤酒瓶領(lǐng)域。PEN是很合適的選擇,其制得的瓶體可以在85℃下進(jìn)行洗滌。盡管PEN樹(shù)脂的生產(chǎn)成本較高,不過(guò)由于瓶體可以多次使用。因此在一定程度上降低實(shí)際使用成本。