[摘要] 包裝材料學(xué)是材料學(xué)和包裝行業(yè)交叉的一門學(xué)科,同時(shí)也是一門新興的產(chǎn)業(yè),針對(duì)所屬行業(yè)特點(diǎn),作者就包裝功能材料作相應(yīng)闡述,從當(dāng)今各種功能材料的分類,性能,功能劃分等方面入手,總體介紹包裝功能材料的特點(diǎn),前景以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)背景,積極探索其發(fā)展方向,就我國(guó)的包裝材料產(chǎn)業(yè)遇到的問題諸如:環(huán)保,效益,產(chǎn)業(yè)水平等作一定的探討。
關(guān)鍵詞:包裝 功能材料
功能材料是伴隨工業(yè)化革命誕生出來的一門材料分支,也可以描述成對(duì)材料的一種分類,所謂功能材料就是指某種具備特殊性能的材料劃分,既可以依據(jù)所屬材料門類定義,也可以根據(jù)材料應(yīng)用領(lǐng)域來劃分;也就是說功能材料是以它的主觀和客觀屬性來具體定義。舉個(gè)例子:陶瓷在它發(fā)明之初是作為容器材料應(yīng)用的,它的功能特點(diǎn)限于隔阻性好,剛度好,穩(wěn)定性好。但是現(xiàn)在陶瓷應(yīng)用在機(jī)械制造業(yè)中,更多地利用了它硬度高,耐高溫,耐磨損的特色功能,在已經(jīng)投入生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)中,陶瓷被用于汽缸,活塞,軸承等高溫,高磨損的環(huán)境,并越來越多的用于其他零件制造。
事實(shí)上對(duì)功能材料的定義源于貝爾實(shí)驗(yàn)室,1965年J.A.Morton博士提出了功能材料的定義即:“具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)功能及其相互轉(zhuǎn)化的功能被用于非結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)材料。”
回到我們的主題上來,包裝功能材料就是在產(chǎn)品包裝工藝中,使用的具有特殊功能的材料,具體到包裝實(shí)際生產(chǎn)過程,就分門別類使用了各種功能材料,例如食品包裝廣泛使用無(wú)毒,遮光,易降解的材料;而在航運(yùn)業(yè)中則廣泛采用耐腐蝕,強(qiáng)度高,剛度高的工程塑料等作為首選材料。
今天,隨著材料工業(yè)的迅速發(fā)展,越來越多的新材料被制造出來,并具備著以前的材料無(wú)法迄及的優(yōu)異性能,就以包裝材料而言,就有復(fù)合軟包裝材料,保鮮包裝材料,阻隔性包裝材料,分解性包裝材料等等。近年來納米技術(shù)的發(fā)展同樣在包裝材料行業(yè)引起巨大革新,我們知道:納米材料(nanomaterial)一般是指尺寸在1-100nm之間的粒子,是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域,是一種典型的介觀系統(tǒng)。將普通材料制成納料量級(jí)后,納米材料具有卓越的光、力、聲、電、熱、磁、投射、吸收等敏感的特殊功能,它就會(huì)出現(xiàn)極其特有的四大效應(yīng):①小尺寸效應(yīng)或稱體積效應(yīng);②表面效應(yīng)與界面效應(yīng);③量子尺寸效應(yīng);④宏觀量子隧道效應(yīng)。由于以上四個(gè)效應(yīng),納米材料呈現(xiàn)如下性能:①高強(qiáng)度和高韌性;②高熱膨脹系數(shù)、高比熱和低熔點(diǎn);③異常的導(dǎo)電率和磁化率;④極強(qiáng)的吸波性;⑤高擴(kuò)散性。正是因?yàn)檫@些原因,使得納米材料在包裝行業(yè)得以迅猛發(fā)展。
首先,我們來看納米材料的制備技術(shù)納米材料的制備方法包括:物理法和化學(xué)法。物理制備方法主要涉及到蒸發(fā)、熔融、凝固、形變和粒徑縮減等物理變化過程,具體包括粉碎法、蒸發(fā)凝聚法、離子濺射法、冷凍干澡法、電火花放電法、爆炸燒結(jié)法等。化學(xué)制備納米微粒的過程通常包含著基本的化學(xué)反應(yīng),在反應(yīng)過程中物質(zhì)之間的原子進(jìn)行組織排列,決定著物質(zhì)的存在形態(tài);瘜W(xué)法主要有氣相化學(xué)反應(yīng)法、沉淀法、水熱合成法、噴霧熱導(dǎo)法、溶膠-凝膠法、r射線輻照法、相轉(zhuǎn)移法等。在此基礎(chǔ)上,考慮納米復(fù)合材料的制備工藝我們能利用的有五種:納米復(fù)合材料的制備方法:(1)高能球磨法;(2)燃燒合成法;(3)化學(xué)氣相沉積法(CVD);(4)熔融共混法;(5)扦入法(扦層復(fù)合技術(shù))。如此一來我們就能得到納米復(fù)合材料了,那么納米復(fù)合材料究竟有什么樣的用途呢?
首先我們來看納米包裝的定義。納米包裝的定義:盡管目前尚無(wú)納米包裝的準(zhǔn)確定義,但從納米科學(xué)的角度出發(fā),納米包裝是反映使用納料材料、納米技術(shù)對(duì)包裝產(chǎn)品進(jìn)行納米合成、納米添加、納米改性,使其具備納米結(jié)構(gòu)、尺度、特異功能的包裝新物性的總稱。納米包裝具備四個(gè)要素、納米包裝材料要素、納米包裝容器要素、納米包裝技術(shù)要素、納米包裝信息要素。納米包裝材料:就是指分散相尺寸為1-100nm納米顆;蚓w與其他包裝材料合成或添加制成的納米復(fù)合包裝材料的體系。納米包裝研究的對(duì)象和任務(wù)是:研究納米包裝物在物流過程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和規(guī)律,納米包裝物的物性功能變化的規(guī)律與制備技術(shù);研究納米包裝與多學(xué)科的關(guān)系,從而提出全新的包裝概念,改進(jìn)及創(chuàng)造新的包裝技術(shù)和裝潢技術(shù),縮短現(xiàn)有包裝企業(yè)與納米包裝的工程化、產(chǎn)業(yè)化和商品化的進(jìn)程。
如此來看,納米包裝的前景必將廣闊無(wú)限了。綜觀現(xiàn)在納米包裝應(yīng)用,不外乎以下幾類。
1.納米復(fù)合包裝材料
隨著21世紀(jì)包裝對(duì)特種功能需求的增加,諸如防殉爆包裝、防電磁包裝、迷彩包裝、高阻包裝、隱身包裝、防雷達(dá)包裝等要求的出現(xiàn),促進(jìn)了納米包裝技術(shù)的發(fā)展。由納米材料復(fù)合而成的納米包裝材料就成了我們所需要的一類高新材料。就包裝領(lǐng)域而言,近幾年來,國(guó)外研究得最多的納米復(fù)合材料是聚合物基納米復(fù)合材料(PNMC)。例如在高分子聚合物中加入10%的納米TLCP(熱致液晶聚合物)就會(huì)使材料的拉伸強(qiáng)度提高到470Mpa,從而大大拓展其用途,亦節(jié)省了稀缺資源。
2.納米抗菌包裝材料
納米抗菌包裝材料已成為熱門話題。日本在包裝材料中添加一種新型無(wú)機(jī)抗菌劑,在聚烯烴薄膜中加入抗菌劑和增效劑制成的。目前應(yīng)用較廣的是抗菌薄膜。純天然的基礎(chǔ)材料在納米技術(shù)的改造下,能夠發(fā)揮出驚人的殺菌效果,抗菌、無(wú)菌包裝,能使菌體變性或沉淀,一旦遇到水,便會(huì)對(duì)細(xì)菌發(fā)揮更強(qiáng)的傷力。且吸附能力強(qiáng)、摻透力也很強(qiáng),多次洗滌后也還有較強(qiáng)的抗菌作用。
3.納米型功能(智能)包裝材料
目前研制的納米型功能、智能包裝材料,通常是用光電、溫敏、濕敏等功能材料與包裝材料復(fù)合制成的,它可以識(shí)別和指示包裝空間的溫度、濕度、壓力以及密封的程度、時(shí)間等一些重要參數(shù)。這是一種很有發(fā)展前景的功能包裝材料,有防止變色型、防銹型、防霉型、保鮮型,通常制成功能袋或片材。適用于高檔包裝和軍品包裝。
4.納米涂層材料
(1)二元協(xié)同納米界面材料是力求將二元協(xié)同推廣到納米界面,研討新型界面物性,超雙疏界面物性材料(或稱超雙親納米材料),其基本原理是在特定的表面上建造納米尺寸幾何形狀互補(bǔ)的(如凸與凹相間)界面結(jié)構(gòu),其低凹的表面可使吸附氣體原子、分子穩(wěn)定存在,在宏觀表面上相當(dāng)于有一層穩(wěn)定的氣體薄膜,使油或水無(wú)法與材料的表面直接接觸,從而使材料的表面呈現(xiàn)超常的雙疏性。這時(shí)水滴或油滴與界面的接觸角趨于最大值。在包裝材料領(lǐng)域,紙張制品、紙箱、薄膜等也都獲得奇異的超疏水、超疏效果。
(2)完全的納米涂覆材料現(xiàn)已在軍事上有所應(yīng)用,借助于傳統(tǒng)的涂覆技術(shù)添加少量的納米鈦與樹脂化合后生成全新涂層,使其功能得到升級(jí),耐腐蝕、耐海水、耐高溫、抗氧化和抗老化性。提高硬度、減少摩擦形成的自潤(rùn)滑性,還可以產(chǎn)生抗菌、保潔效果。
5.納米粘合劑和密封膠
粘合劑和密封膠是包裝領(lǐng)域中的重要產(chǎn)品,使用范圍很廣。國(guó)外已將納米SiO2作為添加劑加入到粘合劑和密封膠中,使粘合劑的粘結(jié)效果和密封膠的密封性都大大提高,其作用機(jī)理是在納米SiO2的表面包覆一層有機(jī)材料,使之具有親水性。
6.納米基板包裝材料
飲料罐所用鐵板已經(jīng)經(jīng)歷了馬口鐵(鍍錫)、無(wú)錫鋼板(TFS)的發(fā)展歷程,目前已發(fā)展到所謂第三代納米級(jí)材料,為了改善TES的焊接密封性能,如今研制成功第三代超微米錫TES板材,納米錫粒直徑為100nm,鍍錫量100mg/m2,體積率<12%,鍍錫體積和用量大為減少,新板材既安全且性能又好,容易加工成型,操作參數(shù)范圍放寬,特別是焊接密封性提高,使其成為高級(jí)金屬罐板材。例如焊接電流范圍寬達(dá)300-600A,使其更適于制作飲料包裝容器。
7.納米發(fā)光材料與防偽印刷
(1)新型納米發(fā)光材料,經(jīng)幾分鐘的光照就能在黑暗中自行發(fā)光12-24小時(shí)以上,其發(fā)光強(qiáng)度和維持時(shí)間是傳統(tǒng)熒光材料的30倍以上,且材料本身無(wú)毒、無(wú)害、不含任何放射性元素,其穩(wěn)定性和耐候性優(yōu)良。并可無(wú)限次循環(huán)使用。
(2)采用美國(guó)新型寬幅激光全息防偽及包裝膜材料與制造技術(shù),研發(fā)及工業(yè)生產(chǎn)適合中國(guó)市場(chǎng)的高性能防偽及包裝膜產(chǎn)品,市場(chǎng)潛力極大,設(shè)備成本與投資適中。
8.納米包裝機(jī)械零件與器件
碳納米管還具有高的機(jī)械強(qiáng)度和高的熱導(dǎo)率,由于具有非常大的長(zhǎng)度-直徑比,可以制造出任何復(fù)雜形狀的零件,還是復(fù)合包裝材料的增強(qiáng)纖維。