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塑料啤酒瓶技术解决方案

时间:2021-08-19 来源网站:榆树市化工机械网

塑料啤酒瓶技术解决方案

1、产品功能定位

中国啤酒业发展迅速,产量已突破2000万吨,并以每年5%左右的速度递增,同时品种也不断增加,有熟啤、生啤、干啤等,传统的10度、20度黄色啤酒一统天下的局面已被打破。在2000万吨的啤酒中,近80%采用玻璃瓶包装,其它为金属易拉罐或短期桶装。与玻璃啤酒瓶相比,塑料啤酒瓶有许多优点:一是比玻璃轻得多,可降低储运成本;二是安全性好,不易破碎,不易发生爆炸;三是避免用于生产玻璃包装瓶的高能耗。那么如何选择一种与玻璃啤酒瓶价格相当,既具有相同的气密性和保质期(3~6个月),又具有重量轻、不易破碎、可回收的塑料啤酒瓶材,是国内乃至国际啤酒业共同关心的焦点。

目前新型高阻隔性树脂 EVOH(乙烯-乙烯醇共聚物)、 PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)等还处于开发阶段,未能实现大批量生产,因此价格昂贵,应用一时难以得到推广。而高阻隔性树脂 PVDC(聚偏二氯乙烯) 虽然得到了广泛生产,但由于其在加热和燃烧时会分解出HCl 气体,光氧化会使包装物变色和发脆,以及抗冲击和耐寒性能不佳等原因,食品包装行业已有不使用该材料的倾向。PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)因其化学性质稳定、力学强度高、质轻、卫生性能好、透明性高等优异的综合性能,自 20世纪 80 年代初起,逐步成为世界包装工业中用量增长最快的树脂。但PET阻隔性一般,限制了其应用范围的进一步扩大。为了既能充分利用PET材料的已有优势,又能解决阻隔性缺乏的问题,人们致力于开发提高PET阻隔性的技术解决方案[1]。

2、阻隔功能

啤酒瓶是阻止和隔离啤酒与周围大气环境直接接触的硬包装。阻隔性是气体分子沿垂直于瓶壁表面方向扩散、迁移、渗透快慢的量度。对于给定的瓶体规格(包括瓶体容积、瓶壁总表面积以及瓶壁厚度)、指定的啤酒品种、恒定的大气环境,啤酒存放寿命主要取决于瓶体材料平均渗透系数P,平均渗透系数P越小(阻隔性越好),存放寿命则越长。所以瓶体材料的选择、组成结构设计就成为塑料啤酒瓶能否成功的关键。下面针对塑料啤酒瓶阻隔功能设计特点,具体讨论多层复合、层状共混和纳米复合三大类技术解决方案。

3、多层复合

多层复合包装材料是塑料包装工业中最有活力、发展最快的一种包装材料,代表当今包装材料的发展方向。近年来,这类材料以20%的年增长率发展。多层复合材料制造包装容器,可以大幅度提高阻隔性能,效果很好。将PET与其它高阻隔性材料形成多层复合瓶体是提高阻隔性的一个主要方法。

目前有三种工艺方法制作多层复合塑料啤酒瓶:其一为外涂膜[2],主要是高阻隔树脂材料的外层喷涂(如环氧胺胶乳、PVDC胶乳等);二为无机材料的内镀成膜(如氧化硅蒸镀[3]、无定形碳等离子沉积等);三为多层树脂材料夹层[4](如PET/EVOH/PET、PET/MXD6尼龙系5层等)。

3.1、外涂膜

PPG公司提供一种阻隔性高于PET 200倍的环氧胺阻隔涂层,将其喷涂在PET瓶外表面上。该涂层对温度和湿度不敏感,而且可用含有表面活性剂的碱性浴清除。涂层厚度只占瓶厚的1% ,可使瓶内啤酒保质期延长至3个月。该涂层1996年由Carlton United Breweries, Australia公司率先用于世界上第一条工业化一次性啤酒瓶(500毫升)生产线。

3.2、内镀膜

氧化硅阻隔性高于PET 1500倍,将其蒸镀在PET瓶内表面上,镀层厚度仅占瓶厚的0.13%,可使阻隔性比PET瓶提高 3倍。已成功地在美国、日本、德国、意大利、瑞士等发达国家生产和使用。

3.3、多层树脂材料夹层

eval公司报道新型EVOH阻隔性比PET 高100倍,三层复合PET/EVOH/PET,阻隔层EVOH厚度占瓶厚的4%,可使瓶内啤酒保质期延长至5个月。该夹层复合塑料啤酒瓶(330毫升)由Bass Breweries, U.K. 公司1997年工业化。

4、层状共混

聚合物基体中混合其它聚合物,克服单一组分的弱点,获得综合性能理想的聚合物材料,是开发新型塑料的一种通用方法。该法的一个应用实例便是通过共混改善材料的阻隔性能。高阻隔性对应于分散相具有大长厚比的分散相层状共混物,据此发展了一种新兴的共混技术—层状共混 。

层状共混技术是通过对共混组成的选择,采用合适的加工设备和相应的成型加工工艺条件,实现阻隔性树脂在基体树脂中的层状分布,以达到提高基体树脂阻隔性能的目的。PET与高阻隔性树脂(如液晶聚合物LCP、PEN)共混,获得高阻隔性共混料,再通过吹塑获得高阻隔性的PET瓶。

5、纳米尺度高阻隔层复合

插层聚合复合法制备聚合物纳米复合材料是当前高分子材料科学的热点和前沿,它将单体插入到蒙脱土层状硅酸盐片层之间,然后进行聚合。在聚合过程中将层状硅酸盐剥离为纳米量级片层并均匀分散在聚合物中,形成纳米复合聚合物。插层聚合复合法降低了填料与聚合物基体间的界面张力,实现了理想的界面粘接,所制备的纳米复合聚合物材料具有优异的力学强度、耐热性、耐溶剂性和阻隔性能。可将现有大品种高分子材料的性能价格比大幅度提高[6]。

聚合物基体中纳米尺度分散的、具有相当大长厚比的、沿瓶壁表面取向的无数层高阻隔层状硅酸盐,组成了无数层纳米复合膜,使气体分子的迁移处处受阻,气体分子被迫绕开这些阻碍曲折前进,如同在迷宫中行走一般,增加了迁移距离,从而减慢了迁移速度,表现为阻隔性大幅度提高。

6、综合分析

塑料啤酒瓶新产品开发的成功与否不仅取决于关键性因素阻隔性,还与可回收性、透明性,以及成本和技术易操作性等重要因素的妥善解决密切相关。下面对塑料啤酒瓶不同解决方案进行综合分析比较。

6.1、阻隔性

阻隔性是啤酒瓶的基本功用,是塑料啤酒瓶成功的必要条件,阻隔性不过关,其它方面再好也没用,所以阻隔性是否达标是塑料啤酒瓶成功的关键。对于目前的几种塑料啤酒瓶解决方案,阻隔性由高到低排序:内镀膜>纳米复合>外涂膜~夹层>层状共混。

6.2、可回收性

塑料产品的可回收性不仅与用户使用成本有关,还直接与国家的环保政策相关,从而决定新产品进入市场的政策门槛,所以可回收性是塑料啤酒瓶进入市场的重要影响因素。对于目前几种塑料啤酒瓶解决方案,可回收性由高到低排序:纳米复合>内镀膜>层状共混>外涂膜>夹层。

6.3、透明性

透明性是消费者在长期使用玻璃啤酒瓶过程中,形成的对啤酒瓶外观要求的消费习惯。塑料啤酒瓶早期市场引入阶段的难易程度,在一定程度上受消费者对透明性偏好的消费心理影响。对于目前几种塑料啤酒瓶解决方案,透明性由高到低排序:外涂膜~夹层~内镀膜~层状共混>纳米复合。

6.4、成本

塑料啤酒瓶的成本高低,首先反映在早期市场引入阶段与玻璃啤酒瓶的替代竞争能力,也表现在随后的市场扩散阶段塑料啤酒瓶不同解决方案持续盈利竞争能力。对于目前几种塑料啤酒瓶解决方案,成本优势排序:纳米复合>内镀膜>外涂膜~夹层>层状共混。

6.5、易操作性

产品技术的易操作性是指原料的良好供应状况、现存制造工艺设备的可利用性、现有生产人员技能的适应性等。它与项目的初始投资、生产效率、成本、产品质量控制等方面都有关系。对于目前几种塑料啤酒瓶解决方案,易操作性优劣排序:纳米复合>层状共混>外涂膜~夹层>内镀膜。

转载自:中国塑料工程师网

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