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复合软包装材料及其性能研究
毕业设计（论文）
设计（论文）题目：
复合软包装材料及其性能研究
学生姓名：
指导教师：
二级学院：
龙蟠学院专 业：
材料科学与工程
班 级：
学 号：
0921501005
提交日期：
2011年05月19日答辩日期：
2011年05月20日
复合软包装材料及其性能研究
摘要
包装的用途主要是保护商品，方便运用，促进消费，保护资源等方面。
其用途广泛，按软硬程度可分为硬包装，半硬包装和软包装。
近二十年来，复合软包装作为包装业的重要分支发展迅速，其已成为零售商品最主要的包装形式。
其中软包装中最典型的就是铝塑复合袋。
铝塑复合袋适用于化工、食品、医药茶叶、高纯金属、电子元器件、精密仪器、大型器械以及国防尖端产品的真空包装或一般包装。
本文主要阐述了复合软包装基材的特性和复合包装材料机械性能的测试方法，测试条件及其影响包装材料机械性能的因素。
关键字：
复合软包装；性能检测；机械性能；
Compositeflexiblepackagingmaterialisextremelyperformancestudy
Abstract
Themainpurposeistoprotectthepackagingofgoods,convenientuse,promoteconsumption,conserveresourcesandsoon.Thewiderangeofuses,accordingtodegreeofhardnesscanbedividedintorigidpackaging,semi-rigidpackagingandflexiblepackaging.Pasttwodecades,flexiblepackagingasanimportantbranchofthepackagingindustryhasdevelopedrapidly,ithasbecomethemainretailpackaging.Oneofthemosttypicalistheflexibleplasticcompositebag.Plasticbagusedinchemical,food,medicinetea,highpuritymetals,electroniccomponents,precisioninstruments,largeequipmentanddefenseproducts,cutting-edgevacuumpackagingorgeneralpackaging.Thisarticlefocusesonthemechanicalpropertiesofaluminum-plasticcompositepackagingmaterialstestingmethods,testconditionsandthemechanicalpropertiesofpackagingmaterialfactors.
Keywords:
flexiblepackaging;performancetesting;mechanicalproperties;
1绪论
1.1引言
软包装是在充填或取出内装物后，容器形状可发生变化的包装。
该容器一般用纸、纤维制品、塑料簿膜、铝箔、复合材料等材料制成。
塑料软包装（或称软塑包装）是指用塑料薄膜或塑料复合材料进行的软包装。
软包装具有质轻、柔软、废料少、占有空间少、成本低和成本有效性高（单位重量包装的体积和重量）等优点，所以用途广泛。
除了用于包装食品、医药和纺织品外，还可以用来包装玩具、日用品和小五金用品等。
复合软包装材料是指两层或两层以上不同的挠性材料，通过一定技术组合而成的多层材料，所用复合基材有塑料、铝箔、纸、玻璃纸等。
复合软包装材料属于软包装材料中的一类。
复合软包装材料在食品包装、医药包装、化妆品包装中应用极为广泛。
复合软包装材料综合性能好，具有高强度、高阻隔性，耐高低温、包装操作适应性好、卫生安全、能够满足食品包装、化妆品包装、医药包装等对材料的全方位要求。
用于食品包装时，内层材料要求无毒、无味、耐油、耐化学性好，具有热封和粘合性。
常用有PE、CPP、EVA等热塑性材料。
外层材料要求光学性能好、印刷性好，具有较高的强度和刚性。
常用的外层材料有PET、PA、BOPO、铝箔及纸类等材料。
复合的工艺方法大体有层合法、涂布法、共挤法、真空镀膜等。
软包装材料不同的用途，使用环境对其性能的要求是不同的，例如聚丙烯类薄膜由于其不耐低温不能应用在使用温度较低的环境，包装粉末状固体的产品热封层需要良好的抗污染性，盛装形状不规则的产品需要极好的耐穿刺性能，堆码的产品外包装需要较大的摩擦系数使其不容易滑落，盛装易氧化及吸水的产品时需要包装具有较好的阻隔性能，盛装需要在高温环境中使用的产品需要具有耐高温蒸煮性。
并不是各种性能都是越高越好，这样生产的成本就会很高，可以根据其不同用途选择包装的材质，在一定程度上即节约了成本，又达到了使用者的要求。
因此，在铝塑软包装材料的生产过程中，各种性能的测试是保证生产厂家及使用者利益的方法。
1.2国内外发达国家软包装发展现状
在世界塑料工业中，用量最大的是包装企业，一般占塑料总用量的25%～70%。
以塑料工业最发达的美国、日本和德国为例，包装用塑料占塑料总消费份额的27.2%、32.8%和27.2%（我国塑料包装占塑料消费比例的25%左右）。
塑料材料发展的方向是提高性能、降低成本和有利于环保。
随着塑料新品种开发，加工技术和机械的改进，提高了材料和包装制品性能。
既可降低材料消耗和成本，又符合人们对环境的要求。
据欧洲塑料生产厂家协会研究报告表明，近十年用于包装的塑料平均重量下降28%，每年减少用量180万吨以上，节省了资源，其中的塑料包装薄膜最为有效，占节省的70%以上。
塑料软包装消费年均增长率过去和未来都高于其他包装方法，不仅比纸质包装增加快，而且也高于塑料硬包装。
美国著名的商务通讯公司在《变化中的塑料软包装工业》专项报告中提供的数据为:
世界塑料软包装市场总用量仅2001年达631万吨。
从国际上看，尽管塑料包装材料一直经受环境问题的严重挑战，但从近年来发表的数据看，塑料包装在包装工业中仍成为需求增长最快的材料之一。
据美国Freedonia集团的统计分析和预测，美国包装领域中纸和塑料1996～2001年间平均增长率为2.4%，其中纸板为1.6%，塑料为3.4%。
根据日本《包装技术》统计资料，日本塑料包装材料销售量在各类包装总销售量中所占比例为15.4%，仍位于纸和纸板（57.5%）之后居第2位，其余为金属12%，玻璃为9.2%，木制品为5.20%，其它为0.7%。
21世纪是环保世纪，环境问题日显重要，资源、能源更趋紧张，塑料包装材料将迎来新的机遇，也将经受严峻的挑战，为适应新时代的要求，塑料包装材料除要求能满足市场包装质量和效益等日益提高的要求外，还进一步要求其节省能源、节省资源，用后易回收利用或易被环境降解为技术开发的出发点。
为此塑料包装材料正向高机能、多功能性、环保适应性、采用新型原材料，新工艺、新设备及拓宽应用领域等方向发展。
高机能，多功能性塑料包装材料成为许多国家热点开发的包装材料，并已有部分产品投入了工业生产。
这类材料包括高阻隔性、多功能保鲜性，选择透气性、耐热性、无菌（抗菌）性以及防锈、除臭、形状记忆、能再封、易开封性等塑料包装材料，其中以高阻隔性多功能保鲜、无菌包装材料等发展更为迅速，将成为21世纪初发展的重点。
另外，当今已是信息化时代，各种频率、波长的电磁波充满整个地球空间。
这些电磁波对电子元件、电路板、计算机通讯设备等产生不同程度的干扰，造成数据失真，通讯紊乱。
而电磁感应和摩擦产生的静电对电子元件、仪器、仪表因静电积累产生的高压放电将有破坏性，因此，开发防静电、导电的软塑包装材料，具有广阔的发展前景。
21世纪初，随着世界经济的日益增长，高科技不断发展，产品日新月异，人们生活更趋向方便，休闲，无论是日用品包装、食品包装、工业包装都有了更高的要求，另一方面随着环保呼声日烈，在满足包装功能的前提下，尽量减少垃圾的产生量，从而呈现包装薄膜、容器、片材向轻量化、薄壁化发展趋势，其关键技术是积极采用具有超韧性、能加工较薄、较易加工的新型原料，如双峰高分子HDPE、茂金属催化剂的聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯塑料合金等，给塑料包装提供了更多的原料选择。
特别是聚乙烯、聚丙烯的开发，进一步提高了软包装结构的许多性能，如韧度、透明性、阻隔性、耐热性和抗穿刺性能等，并可降低热封温度、改进加工性、提高包装生产线速度等。
聚乙烯食品包装膜的特点之一是可以控制氧气、二氧化碳以及水蒸气的渗透率，可用于可控气调包装，大大延长食品的货架寿命，主要用于超市色拉、胡萝卜片、椰菜花及肉类等半成品包装以及农产品保鲜袋、阻渗性收缩袋等。
被喻为明日塑料之星的塑料共混物、塑料合金、无机材料填充增强的复合材料在20世纪发展的基础上，通过基础研究两方面共同努力，生产和加工技术将获得进一步提高和完善，产品性能改进和系列化、功能化方面也将取得更大的进展，对提高塑料包装质量，附加值和环保适应性以及开发新产品将产生更大的影响。
随着塑料包装产品质量的提高，功能性增加及新品种的不断开发，其用途也进一步拓宽，特别是高阻塑料包装材料由食品包装为主逐步更多地拓宽到非食品包装领域，其中工业包装、医药包装、农副产品包装、建材包装、航海用品包装等都将会获得进一步发展。
进入21世纪，世界经济大调整，继续深化及可持续发展战略的转变是世界产业变革的总背景，也是塑料工业环境变化的背景，塑料包装材料与传统包装材料比较，从产品整个生产同期评价分析，节省能量、节约资源、废弃物产生量减少、环境负荷也较轻，因此在21世纪初发展仍占据重要地位和发挥重要作用，但塑料包装材料相当一部分为一次性消费品，用后在自然环境中较难降解，也不可忽视。
目前用量最大的是食品包装，约为168万吨。
总之，多姿多彩的塑料软包装以其优良的综合性能，不断取代其他包装，用途日益扩大，合理的价格和有利于环境而成为包装业中发展最快的制品，预计未来几年仍将保持良好的增长势头。
我国塑料包装材料经过20多年的发展，已形成一定规模，在包装市场中占有重要地位，对国民经济的建设起了积极作用。
1980年产量仅有19.1万吨，产值30亿元;2002年产量达到401万吨，产值达到680亿元，占包装工业产值2500亿元中的27%。
行业装备水平不断提高，有的已经达到发达国家的先进水平，涌现了一批新产品、新技术、新材料，市场需求迅速增长，应用广泛，快速发展，平均年增长率为12%，2002年比2001年增长14.20%。
复合包装基材克服了长期进口双向拉伸薄膜的局面，现在每年出口薄膜在30万吨左右，创汇在30亿美元。
塑料包装材料规模以上企业共有8000多家，其中薄膜制造业2240家，丝、绳编织制品4300家，泡沫塑料500家，包装箱及包装容器679家。
据统计，预计今年塑料原料增长16%，塑料制品增长15.8%，出口交货值增加12%。
塑料包装材料产量预计达到460万吨，比去年401万吨增长15%，其中双向拉伸薄膜、软塑复合塑料包装材料和包装容器（瓶、箱、桶）增幅较大，双向拉伸薄膜增长最快。
美国软包装协会的《2002年行业状况报告》指出，软包装市场是价值200亿美元的行业，占包装市场总量1140亿美元的17%，成为包装市场的第二大部门（而美国纸制品加工市场至今为止仍是最大的）。
美国的另一份报告认为，美国软包装的市场前景非常广阔。
该报告指出了2005年，美国最具发展潜力的三大市场:
一是新鲜农产品，目前已有一半农产品采用软包装:
二是医药品;三是食品市场，宠物食品市场是其中一个新亮点。
现在的绿色包装发展迅速，因为它同时具备三个基本条件，即安全、卫生，环境保护适应性与节约资源。
近年来在塑料软包装领域，绿色包装有明显的进展，主要表现在以下几个方面：
1、环境保护适应性好的生产工艺，特别是清洁生产，越来越受到业界欢迎。
在软包装生产中，清洁生产的工艺所占比例不断扩大。
使用不产生三废物质的生产工艺，替代对环境影响较大的干法复合工艺。
如采用无溶剂复合、共挤出复合、挤出复合等工艺，替代干法复合工艺，生产塑料软包装材料;利用真空蒸镀的方法，生产含镀铝层、含镀氧化铝层以及含镀氧化硅层的高阻隔性软包装复合基材，减少铝材的用量等方面的开发研究工作，也取得了良好的进展；
2、环境保护适应性较好的原料及辅助材料的应用不断增加。
干法复合中水剂粘合剂的应用、醇溶剂油墨的应用、高浓度聚氨酷粘合剂的应用以及利用PVA、改性PVA溶液，通过涂布加工制造高阻隔软包装基材等；
3、废弃软包装材料的无害化处理。
塑料购物袋的无害化回收利用（废水的处理达标排放），塑料薄膜的易焚烧化（填料高填充化）以及降解塑料薄膜的产业化等。
塑料软包装材料耗用原料少、成本低廉、同时具有携带使用方便的优点，因而具有很强的市场竞争力，特别是在采用塑料袋替代中空包装容器方面效果显著。
近几年来，具有特定功能的塑料软包装袋的开发成功，使以前一直沿用瓶子包装的许多商品，例如牛奶、酱油、醋类、白酒、药品以及农药等商品，均已部分为塑料软包装袋所替代。
以食品工业为例，美国人对食品消费需求向多规格、多样化的方向发展。
为使食品包装方便美观，易于开启、储藏，企业不断向市场推出新食品包装产品。
在小食品包装的边沿采用聚丙烯/亚乙醛烯醇/聚丙烯材料，这样易于开启。
快餐小甜面包采用聚酷薄膜包装和用固体漂白硫酸盐纸板制成的盘子盛放，可解决过去需就地烘焙，花费大量劳动力且质量不一的问题，亦可延长保存期。
高功能化、提高产品质量并降低成本，是市场经济中商品提高竞争能力的需求，也是软包装材料发展的主要方向之一。
为了实现高功能低成本化的需求，目前软包装材料生产方面的发展有以下一些特征:
1、多种复合方法的综合应用。
a.多层共挤复合工艺与拉伸制膜工艺的结合使用。
通过这种组合，在生产线中经过一次加工，同时完成复合与拉伸的加工，可提高产品质量或者降低产品成本，或者同时达到提高产品质量和降低生产成本的目的。
b.多层共挤复合与干法结合使用。
利用多层共挤复合生产具有PE/LDPE结构的热封合基材，然后再通过干法复合工艺与其他基材，例如承载或者阻隔基材，以PE做热封面改善热封性;以LDPE为主层降低成本。
这种多层结构的热封基材，已用于洗发液等多种产品的包装，在不增加生产成本的情况下，可明显地减少破损率。
2、生产工艺与设备的改进。
通过科技创新，改进生产工艺和设备，对于提高软包装产品质量与降低成本具有积极的意义。
例如蒸镀铝前薄膜的表面预处理，可以大幅度提高蒸镀层的牢度，制造出高阻隔型软包装基材。
3、新型原材料的开发应用。
塑料新品种的开发应用是软包装材料发展的重要方面，特别是茂金属聚乙烯的工业化生产以后，在软包装材料热封层中的应用，具有良好的性能价格比，效果十分显著。
近年来新型原材料的开发应用中，值得注意的还有双峰聚乙烯，聚乙烯醇涂布聚乙烯薄膜、聚乙烯醇涂布聚丙烯薄膜，蒸镀铝型PET薄膜，蒸镀铝型薄膜，蒸镀氧化硅型PET薄膜，蒸镀氧化硅型薄膜等。
总之，软包装发展的特点是:
前途广、环保化、多样化、高功能低成本化。
1.3本课题主要研究的内容以及准备
1.3.1研究内容
研究本课题，主要分以下几个阶段的工作：
1、了解复合软包装测试项目、条件，以及掌握其测试仪器
2、了解复合软包装材料，对其进行分析
3、了解复合软包装的设计原则
4、了解复合软包装原材料，半成品，成品的性能
5、观察数据，思考不同材质的复合软包装性能的差别。
6、对数据进行备份，以便在生产中出现问题作为解决的依据
1.3.2实验准备
1、测试条件
测试条件包括两个方面，一个是温度，一个是湿度，详见表1。
表1标准环境
标准环境代号
空气温度t
相对湿度U%
备注
23/50
23
50
通常应使用这种标准环境，否则另有规定
27/65
27
50
对于热带地区，如各方商定，可以使用
2、设备明细
表2设备明细
序号
产品单元
名称
精度等级
数量
1
复
合
膜
袋
游标卡尺
0.01mm
1
2
薄膜冲击试验机
0.02J
1
3
电子拉力实验机
0.001N
1
4
测厚仪
1μm
1
5
摩擦系数仪
±2%
1
3、设备操作流程
（1）拉力机操作流程
1）接通电源，先让机器预热至少30分钟。
2）此时操作界面为待机状态，按任意键进入操作界面。
3）调零。
4）使用方向键和数字键，设定实验参数，如标距、试样截面积、实验日期等。
并选择实验内容。
5）开始实验，将试样在夹头上夹紧，按“清除”键清除干扰值，按“实验”键开始实验。
实验结束后，按“数据”键查看数据，如发现数据没有异常，按“有效”键保存数据。
6）重复步骤5，记录多组数据后，取平均值。
（2）SJ-3型薄膜冲击试验机操作
1）将待检测样品固定于试验台上（复合材料时，热封面为冲击面）。
2）将数据指针置于“零”点位置。
3）扳动机关，读数，记录。
（3）摩擦系数仪操作流程
1）将一个试样的试验表面向上，平整地固定在水平试验台上。
试样与试验台的长度方向应平行。
2）将另一试样的试验表面乡下，包住滑块，用胶带在滑块前沿和上表面固定试样。
3）如试样较厚或刚性较大，有可能产生弯曲力矩使压力分布不匀时，应使用63mm×63mm的试样。
在滑块侧面和试样非试验面间用双面胶带固定试样。
4）将固定有试样的滑块无冲击地放在第一个试样中央，并使两试样的试验方向与滑块方向平行且测力系统恰好不受力。
5）两试样接触后保持15秒。
启动仪器使两试样相对移动。
6）力的第一个峰值为静摩擦力。
7）两试样相对移6cm内的力的平均值（不包括静摩擦力）为动摩擦力。
8）记录如在静摩擦力之后出现力值振荡，则不能测量动摩擦力。
此时应取消滑块和负荷传感器间的弹簧，单独测量动摩擦力。
2复合软包装材料的常用基材的特性
复合包装膜为了达到所需要的包装要求，应具备以下性能：
1、机械性能抗张强度、刚性、耐磨性、密封性、伸长率、磨擦力等。
2、物理化学性能阻隔水分及氧气性能、保香性、抗油性、抗化学介质性、避光性等。
3、耐久性能在低温、高温下的使用性能、高湿条件下稳定性、降解能力等。
4、加工性适宜印刷、便于自动化包装、防静电、热收缩能力等。
5、商品展示性透明度、白度、光泽度、开启方便、废弃物易处理等。
对于各种产品，包装的要求重点也不一样，如下：
1、一般工业品包装，主要考虑其保护性、包装作业性、销售的商品性、运输性等。
2、日化产品的包装，大多是直接面对消费者，需考虑其保护性、美观性、方便性、货架展示性等。
3、机械零件的包装，要考虑其保护性、功能性、防锈性、运输性等。
4、对电子产品包装，要考虑其保护性、防震性、抗静电性、屏蔽性、阻隔性等。
5、食品、药品包装，要考虑其保护性、卫生安全性、阻隔性、包装方式等。
复合薄膜各层间的作用也不一样，以典型的三层结构复合软包装材料为例，外层基材（表面层）的作用及要求见表3。
表3外层基材（表面层）的作用及要求
要求
作用
机械强度
抗拉，抗撕，抗冲击，耐摩擦
阻隔性
防湿，阻气，保香，防紫外线
稳定性
耐光，耐油，耐有机物，耐热，耐寒
加工性
摩擦，热收缩卷曲
卫生安全性
低味，低臭，无毒
其他
光泽，透明，白度，印刷性
外层材料最重要的是要求强度高，耐摩擦性好，光泽好，耐热，阻隔性性好，印刷性好。
中间层材料的要求及作用见表4。
表4中间层材料的要求及作用
要求
作用
机械强度
抗张，抗拉，抗撕，抗冲击
阻隔性
阻隔，阻气，保香
加工性
双面复合强度
其他
透明，避光
对于中间层材料的最重要的作用是要求具有一定的强度，优异的阻隔性，双面复合性。
内封层的要求及作用见表5。
表5内封层的要求及作用
要求
作用
机械强度
抗张，抗拉，抗撕，抗冲击
阻隔性
保香，低吸附性
稳定性
耐光，耐油，耐有机物，耐热，耐寒
加工性
摩擦系数，热粘性，抗封口污染，非卷曲
卫生安全性
低味，低臭，无毒
其他
透明性，非透明性，防渗，易撕
针对于以上的各种要求，我们在生产过程中就要了解各种基材的特性，才生产出实用的薄膜。
生产中一般经常用到铝箔、尼龙、聚乙烯薄膜、纸等。
2.1铝箔
用高纯度的铝，经过多次压延制成，对光、紫外线、水、氧及水蒸气等气体的阻隔性能好，挺度好，具有金属光泽，漂亮。
但无任何机械强度可言，不能热封，必须与其他材料复合使用。
比重大，成本高。
对铝箔的检测包括针孔数量和油污的程度。
2.2聚乙烯薄膜
常用的PE分为以下几种：
1、LDPE：
密度0.91～0.925。
支链多，结晶度低，很柔软，很有韧性，熔融温度低，易于加工、热封，透明度较好，（与同类比）。
延伸性一般，机械强度不好，用于内层热封，耐撕裂，抗冲击。
2、MDPE：
密度0.926～0.94。
热封范围大，有一定的刚性。
3、HDPE：
密度0.941～0.965。
颜色为乳白色，主要用于超市的购物用袋，吹膜的时候也会用到。
相对于LDPE，HDPE有更好的阻水性，强度也更好，更硬，但抗穿刺能力差，熔融温度高，可以耐水煮。
4、LLDPE：
支链有序，机械强度、伸长率、抗穿刺强度都很好，一般情况下，对水、油等的阻隔性能好，但透明性和加工性都不如LDPE，吹膜时会用到30%～50%的LLDPE（成本低）。
通常有C4、C6、C8，其中C8的强度最好。
C4被广泛用作LDPE的替代品。
5、MLLDPE--茂金属PE：
是用茂金属做催化剂制成的PE，分子量分布窄，抗穿刺性能好，有更高的强度，抗污染性好，即使有杂质也可以照常热封，并且有良好的热封强度，起封温度低，熔程较长，耐热（可水煮）。
热粘性好---即在封口后，封边尚未冷却的情况下，依然有很好的热封强度。
但越好的MLLDPE越不容易加工，因为粘性太大。
一般是C6的，因为C6即可达到普通C8的强度。
吹膜时作为辅助材料添加，100%的MLLDPE吹膜是不可实现的。
2.3聚丙烯薄膜
聚丙烯PP密度低，经济优势明显，熔融温度高于HDPE，无毒，无臭，无味，与PE一样可用做食品包装，耐酸、碱、盐的性能好，化学性能稳定，防水、防湿性能好，具有优良的成型性和热封性，比PE有更好的透明性、阻氧性、耐油性及耐热性（可耐过120℃甚至140℃），但耐寒性不如PE。
同样具有来源方便的特点。
共聚PP：
透明性好，强度高，韧性好，热封性好，熔程宽。
均聚PP：
挺，有型，但不耐低温，0℃就被破坏了。
BOPP-双向拉伸聚丙烯，薄，轻，成本低。
机械强度好，耐寒性能有所改善（可冷冻），透明度好（可里印），但热封性差，一般用作外层，易起静电（吸灰）。
对氧的阻隔性不好，强度不如PET，不适合做大的包装袋。
CPP-流延聚丙烯，热封强度高，适宜做内层，耐撕裂，透明度高，对氧的阻隔性差，韧性不如PE，共聚CPP一般做热封层。
PET-聚酯（聚对苯二甲酸乙二醇酯）具有非常高的机械强度（可做重包装）和刚性，极性大，表面张力大。
耐高温，透明度和光泽度都很好，对氧和水的阻隔性好，有较好的保香性，印刷适应性
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