纸浆模塑瓶的阻隔材料与生产工艺介绍.pdf
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1、13年第2期纸天津造22年第3期纸天津造13年第2期纸天津造22年第4期纸天津造纸浆模塑瓶的阻隔材料与生产工艺介绍黄煜琪,温嘉琦2,杨泽川2,孙彬青1,2(1.浙江大胜达包装股份有限公司,杭州311215;2.天津科技大学轻工科学与工程学院,天津300457)摘要:本文综述了纸浆模塑瓶的国内外发展现状,重点阐述了纸浆模塑瓶的阻隔材料和生产工艺,简述了纸浆制瓶的成型、干燥和覆膜工艺过程,以期为纸浆模塑瓶的生产研究提供参考。针对成型工艺、干燥工艺和覆膜工艺的改进,将会是未来纸浆模塑瓶加工工艺的研究重点。关键词:纸浆模塑瓶;纸塑覆膜瓶;成型工艺;干燥工艺;覆膜工艺随着各国对生态环境保护的关注,减少使
2、用一次性塑料包装已成为全球共同面临的课题。纸浆模塑产品因具有生产原料来源广泛、绿色可降解等优势,可替代部分一次性塑料包装产品。2021年,纸和纸板容器制品包装占整个行业的26.5%1。根据Mordor Intelligence的报告,2021年至2026年全球水包装的复合年增长率为6.86%2。中国的聚酯塑料瓶(PET)消费量持续增长,从2016年的633万t增长至2020年的949万t,其中瓶装水和瓶装饮料是主要的消费领域,总占比高达75%3。与PET塑料瓶相比,纸浆模塑瓶所占市场份额仅为塑料瓶的0.02%,可见,纸浆模塑瓶的市场空间巨大1。1纸浆模塑瓶的国内外发展现状为了实现饮料包装的可持
3、续发展,许多饮用水企业的包装选用纸包装(即纸浆模塑瓶),其中以利乐、Just Water、Water in a Box、Flow、Earth Water等世界知名企业为主。随着消费水平的提升,饮用水容器已不仅是传统的聚酯瓶,为了顺应不断提高的环保要求,纸质容器设计也在不断创新。目前,已有越来越多的企业推出各类纸瓶设计,100%纸质饮用水瓶已成为共同努力的方向。随着纸浆模塑瓶相关技术的发展,国内外出现了大量纸浆模塑瓶的样例。历史上,我国便有用纸包装作为白酒容器的记载。至今,在我国内蒙古、辽宁地区仍然保留着用桑皮宣纸混合动物血料制作“酒篓”的工艺,这种纸容器不仅轻便、环保,而且能大大增加白酒的营养
4、成分和保健价值1。2006年,利乐公司推出了全球第一款无菌饮用水纸瓶4,其最少6个月的保质期使得纸包装容器迈入了时代的舞台。2013年,“Combidome”纸瓶荣获德国包装大奖5,其将纸盒包装与瓶子外观完美结合,相较于传统聚酯瓶更具环保优势。2014年,全球首款葡萄酒纸瓶Paperboy在美国上市,其质量仅为玻璃瓶的七分之一,且由回收纸制成,包装结构稳定性高6,在运输包装和环保上都体现出了极高价值。2018年,龙湘平等7利用竹纤维和棕榈叶制作了一款纸瓶,该纸瓶通过混合聚乳酸复合而成。同年,英国科学家设计了一款可完全降解的再生纸瓶,并申请了相关专利8。2019年,嘉士伯集团推出世界上第一个纸质
5、啤酒瓶,因其包装采用新型阻隔层技术,使其可以满足各类常规啤酒的需求9。2021年,斯道拉恩索宣布与Pulpex合作生产工业规模的纤维纸瓶,产品以纸浆为原料,可替代PET塑料和玻璃制品10。可口可乐历时7年推出一款一体成形的纯乳白色纸瓶,该款纸瓶的内容物是一种植物饮料。纸瓶外观与结构与250 mL可口可乐瓶型类似,牢固且具有可塑性;纸瓶材料采用可降解北欧木浆,选用环保生物材料的瓶通信作者:孙彬青,。2813年第2期天津造纸22年第3期天津造纸13年第2期天津造纸22年第4期天津造纸盖和内壁,均可回收使用,目前已在匈牙利试售11-12。今后,纸浆模塑瓶的使用将越来越广泛,传统的阻隔材料显然已不能满
6、足纸浆模塑瓶的快速发展需要,对阻隔材料防水防油性能的研究是目前的研发难题,同时对其加工工艺也需进行深入研究,以期满足未来企业大规模生产的需求。2纸浆模塑瓶的阻隔材料纸浆模塑瓶作为纸浆模塑的一种产品,应具有防水防油功能,目前主要通过加入助剂和覆膜的方式提升纸浆模塑瓶的防水防油能力。2.1阻隔助剂材料通过加入助剂的方法制造纸浆模塑瓶是将一定比例的纸浆、水和助剂均匀混合,通过模压成型的方式制得的。所加入的防水剂主要有烷基烯酮二聚体、聚酰胺-环氧氯丙烷树脂、壳聚糖等13;防油剂有有机氟类抗油剂、无氟有机硅乳液、微晶蜡乳液等13。LANG14在添加26.9%大黄果渣(RP)的苹果渣板中加入0.039%的
7、壳聚糖和15.7%的甘油作为防水剂来提高苹果渣板的耐水性,由该方法制得纸板的水接触角和吸水率,相较于对照板的水接触角19.2和吸水率275.7%,分别提升为85.3和降至166.5%。简博星15利用一步法将豆渣纳米纤维(CNF)悬浮液与烷基烯酮二聚体(AKD)乳液共混改性后加入沉淀碳酸钙(PCC)悬浮液,充分搅拌后制成防水剂,通过对防水纸的性能测试得出防水剂的最佳工艺条件为:0.3%CNF,2%PCC,0.1%AKD,经2次涂布,得到的防水纸水接触角为153.8,滑动角为8.1,Cobb60值为15.2 g/m2。采用此防水剂涂布的成纸在可乐、茶水、咖啡等饮料中浸泡60 s后,仍表现出大于15
8、0的水接触角,展示出了优异的超疏水性能。李晶16将0.75%聚酰胺-环氧氯丙烷树脂(PAE)与0.50%木质素等体积混合制得复合物,研究了复合物添加量对纸浆模塑制品防潮性能的影响。在复合物添加量为1.00%时,纸浆模塑制品的水接触角和水蒸气透过率分别为128和543.3 g/(m2d),呈现出明显的防水性能。张海艳等17探究了两种新型无氟有机硅乳液(En和B9)与阳离子淀粉(CS)复配对纸浆模塑包装材料的防水防油性能的影响。将按m(En):m(CS)=31复配改性的无氟有机硅乳液作为防水防油剂喷涂于纸浆模塑包装材料表面,再喷涂具有一定防水性能的B9,使得纸浆模塑包装材料表面的水接触角在5 mi
9、n内仅降低713,有效提高了纸浆模塑包装材料的防水性能。同时,在有机硅乳液用量仅为5 g/m2的情况下,可实现防油等级89级。结果表明,经过CS改性后的有机硅乳液可以发挥CS的成膜性以及有机硅乳液自身较优异的耐温性能及阻隔性能,显著改善纸浆模塑包装材料的防水防油性能及耐温性能。LIU等18通过机械搅拌-均质法制备了微晶蜡乳液(无氟拒油剂),系统研究了乳化剂配比和用量对乳液性能的影响,并将所得稳定的微晶蜡乳液应用于纸张表面,使纸张具有良好的耐油性和耐水性。结果表明,当将6 g/m2的微晶蜡施用于淀粉预处理的纸的表面时,Cobb60值降低到12.5 g/m2,水蒸气渗透率降低81.9%,可以满足食
10、品包装纸的耐油、耐水性能要求。高文龙19将壳聚糖与PVA按质量比14配比,在pH=5、涂布量为1.2 g/m2条件下测试纸张的防油性。结果表明,涂布后在纸张表面形成了致密膜层,防油等级达到10级。朱瑞丰等20按m(壳聚糖)m(海藻酸钠)=82的配比制备防油剂,涂布后纸张的防油等级可达12级。简博星15以大豆分离蛋白(SPI)和钠基蒙脱土(MMT)为原料,通过物理共混制备防油剂,然后在SPI浓度为6%、MMT用量为0.1%、涂布量为2.5 g/m2的条件下,采用刮棒涂布法制备防油纸,所得防油纸的防油等级为8级,透气度为0.005 1 m/Pas,满足食品包装行业的防油标准。2.2阻隔覆膜材料覆膜
11、型的纸浆模塑瓶是通过在纸浆模塑瓶内部覆上防水防油膜来提高其阻隔性的21。ARAYAPHAN等22将SiO2混入木薯淀粉与聚乙烯醇(PVA)中,用于提高了薄膜的阻水性能,采用该薄膜作为内衬材料可实现对纸浆模塑瓶的防水处理。MITTAL等23研发出一种聚乙烯醇-淀粉-纤维素材料基可降解复合膜,并提出可利用大麦壳或接枝大麦壳优化薄膜的性能23。将PHA通过流延挤出成型制备成的塑料膜具有很好的阻隔性能,可以有效地防止液体的泄露或气体的进入,因此可以用于一些液体的防漏包装24。崔飞鹤等25利用烷基烯酮二聚体(AKD)和有机溶剂(无水乙醇)对淀粉薄膜表面形貌修饰,构造出一种“微米-纳米”双尺度AKD涂层结
12、晶结构,可使淀粉膜表面水接触角改善至146。MISSIO等26设计了一2913年第2期纸天津造22年第3期纸天津造13年第2期纸天津造22年第4期纸天津造种简单的一步法,用于制备含有190 mg/g活性分子的纳米纤维素单宁膜。该膜是通过纳米纤维素浆和单宁混合物的机械原纤化将单宁引入纤维素基质中得到的,具有较高的密度和较好的表面疏水性。氢键的引入会提升材料的防油性能,果胶、纤维素等含有广泛氢键网络。HASSAN等27利用从甜菜浆中分离的纤维素纳米纤维(CNFs)和用甜菜果胶、石榴提取物(PGE)制备的纳米乳液制备薄膜,并用作具有抗氧化和抗菌活性的纸张涂层。结果表明,CNFs/果胶/PGE薄膜作为
13、具有抗菌和抗氧化活性的薄膜和涂层材料,具有良好的稳定性,可适用于包装水性、脂肪性和酸性食品。PRIYADARSHI等28以柠檬酸为交联剂、甘油为增塑剂,采用溶剂浇注法制备了壳聚糖食品包装薄膜。由于含水量和吸水率降低,这种改性薄膜表现出更好的耐水性,同时也具有较高水蒸气阻隔效果。3纸浆模塑瓶的生产工艺制作纸浆模塑瓶可以采用加入助剂和覆膜两种不同的防水防油方法,二者的生产工艺也有所差别。3.1加入助剂生产纸浆模塑瓶目前,纸浆模塑瓶生产工艺主要包括制浆、成型、干燥、后加工等29。(1)制浆:制浆的主要环节包括疏浆、打浆、配浆。可以通过在制浆时添加助剂的方式改善纸浆模塑瓶的防水防油性能。(2)成型:S
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