功能材料綜述

1、第一章緒論1. 1功能包裝材料的發(fā)展人類進行包裝活動的歷史悠久，甚至可以追溯到人類產(chǎn)生之初，但包裝實際上形成產(chǎn)業(yè)的時間并不長。尤其是作為現(xiàn)代包裝行業(yè)，還是在世界工業(yè)革命之后。世界資本主義興起并將電子、化工、機械、生物工程、能源開發(fā)等現(xiàn)代科技應用于開發(fā)新包裝是20世紀30年代末開始的。包裝隨著人類的進化、社會的變革、生產(chǎn)的發(fā)展和科學技術的進步逐漸發(fā)展起來。功能材料是1965年美國貝爾實驗室的J.A.Momrton博士提出的。他提出此概念后得到了世界各國學者的廣泛認同，并從此在世界范圍內(nèi)掀起了一股功能材料研究的熱潮。經(jīng)過近50年的發(fā)展，功能材料的研究已取得了累累碩果。功能材料是指具有特殊功能的材料

2、，包括光電性能、磁性能、熱性能、力學性能、聲性能以及化學性能、生物性能和環(huán)境性能等。現(xiàn)在功能材料已廣泛應用與信息記錄材料、光電材料、阻尼材料、阻燃隔熱材料、功能陶瓷、環(huán)境材料以及生物醫(yī)藥材料和包裝材料等眾多領域。世界塑料包裝材料發(fā)展趨勢是向高效、節(jié)能、環(huán)保方向發(fā)展。利用現(xiàn)在加工技術，將各種材料的功能巧妙的組合在一起，形成具有多功能的高阻隔性復合包裝材料迅速風靡世界。這類包裝材料適應不同的市場需求，可以實現(xiàn)諸如高阻隔性、保香性、保鮮性、環(huán)境降解性、抗菌性、可食性、防偽性、緩釋性、抗靜電性、阻燃性、耐高溫性、耐低溫性、抗老化性等不同功能以及他們之間的選擇性組合。隨著高分子合成技術的不斷改進以及新型

3、高分子復合材料的大量開發(fā)，促使綜合性能優(yōu)異的工程塑料在包裝領域的應用已成為包裝研究的主要方向。所謂功能性包裝材料就是以包裝材料自身的性能為主，在有關技術領域發(fā)揮高水平功能的材料。功能性包裝材料在復合材料或普通功能材料的基礎上包含了化學、生物、環(huán)境等性能在內(nèi)的可以滿足某些特殊物理特性的特殊材料。不同的產(chǎn)品包裝需要不同的功能性包裝材料。功能性包裝材料具有同類包裝材料所不具有的特殊性能。比如，一般的塑料薄膜阻隔性能比較差，而阻隔性塑料薄膜則具有很好的阻隔性，可應用于對材料阻隔性要求很高的食品和藥品等的包裝。再如，一般的塑料材料是很難自行降解的，塑料包裝廢棄物給環(huán)境保護帶來了很大的壓力，而可降解性塑料

4、薄膜可以在自然狀態(tài)下載光和微生物等的作用下自行降解。另外，功能性包裝材料匯集了現(xiàn)代高新技術的結(jié)晶，是知識和技術密集型材料，具有非常高的科技含量。包裝工業(yè)發(fā)展至今已廣泛采用電子技術、激光技術、微波技術、材料工程、生物工程、計算機技術等現(xiàn)代化技術，包裝的各個環(huán)節(jié)已達到連續(xù)化、自動化、使整個包裝工業(yè)形成了一個為生產(chǎn)、流通，消費三者服務的完整的包裝工業(yè)體系。1.2 功能包裝材料的分類及功能化設計原理包裝材料按傳統(tǒng)的材料分類方法，可以分為：紙質(zhì)材料，合成高分子材料，金屬材料，玻璃與陶瓷材料，復合材料，纖維材料，木材，其他材料。但是隨著材料科學的發(fā)展，特別是新材料的不斷涌現(xiàn)，包裝行業(yè)的材料出現(xiàn)了功能材料的

5、說法，按照功能包裝材料的概念，功能性包裝材料包括：可食性包裝材料，分解性包裝材料，保鮮性包裝材料，選擇吸收性包裝材料，高阻隔性包裝材料，耐熱性包裝材料，無菌和抗菌性包裝材料，導電性包裝材料以及納米性包裝材料等。(1)高阻隔性塑料包裝材料高阻隔性塑料包裝材料是隨著食品工業(yè)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的，在包裝工業(yè)特別在食品包裝行業(yè)獲得了迅速發(fā)展和廣泛應用。它對食品起到了保質(zhì)、保鮮、保風味以及延長貨架壽命的作用。保存食品的技術多種多樣，像真空包裝、氣體置換包裝、封入脫氧劑包裝、食品干燥包裝、無菌充填包裝、蒸煮包裝、液體熱充填包裝等等。在這些包裝技術中許多都要使用到塑料包裝材料，雖要求其具備多種性能，但重要

6、的一點是都須具備良好的阻隔性。在包裝行業(yè)，比較常見的高阻隔性薄膜材料有如下幾種：乙烯-乙烯醇共聚物，聚偏氟乙烯，聚酰胺和聚酯類塑料等。獲得高阻隔性包裝材料的主要方法如下：表面處理法：常采用的表面改性方法有表面化學處理、等離子體表面改性和表面光接枝共聚等。共混改性：共混是指將兩種或兩種以上的聚合物經(jīng)混合制成宏觀上均勻的材料的過程。聚合物共混可以使共混組分在性能上實現(xiàn)互補，是實現(xiàn)聚合物功能化、多樣化的最為簡便且卓有成效的方法。按實施方法可分為熔融共混、溶液共混、乳液共混等。雙向拉伸：雙向拉伸塑料薄膜是指在低于薄膜熔點、高于玻璃化溫度下對厚膜或平板進行縱向和橫向拉伸，然后在緊張狀態(tài)下進行熱定型處理。

7、薄膜由于雙向拉伸，使其在縱橫兩個方向上分子鏈取向，排列規(guī)整有序，結(jié)晶度提高。因此可以有效的提高薄膜的阻隔性能多層復合：多層復合通常是將阻隔性較差的聚合物與阻隔性較好的聚合物基材以一定的加工工藝組合在一起，形成對氣體等介質(zhì)具有阻隔特性和特殊機械性能的復合材料。表面涂覆技術：表面涂覆技術是指在材料表面涂覆一層新材料的技術。表面涂覆與表面處理相比，由于約束條件少，而且技術類型和材料的選擇空間很大，因而屬于表面涂覆類的表面工程技術非常多，應用非常廣泛。這一類表面工程技術主要包括物理氣相沉積、化學氣相沉積、原子層沉積、磁控濺射、熱噴涂、熱浸鍍、電鍍、電刷鍍、化學鍍、堆焊、激光束或電子束表面熔覆等。納米復

8、合材料：納米復合材料提高阻隔性能主要是由于納米粒子在聚合物基體中良好的分散和取向，形成了更為曲折的擴散路徑，從而使?jié)B透分子難以滲透通過報紙材料，以獲得優(yōu)異的阻隔性能。分子結(jié)構(gòu)設計：可以通過改善聚合物結(jié)晶行為；在聚合物分子鏈上引入極性基團，增加分子鍵作用力；合成分子鏈堆砌更為緊密，自由體積更小的新型聚合物。從而獲得新型高阻隔材料的方法也是獲得高阻隔包裝材料十分重要的發(fā)展方向之一。(2)可降解包裝材料為了解決包裝材料廢棄物的污染問題，以及為了解決日趨枯竭的材料原料尤其是以石油資源為基礎的塑料工業(yè)的原料資源問題，可降解包裝材料的研究已成為21世紀的重點攻關課題?？山到獍b材料的設計原理在材料的化學結(jié)

9、構(gòu)中引人易分解的基團，易斷裂的化學鍵，易轉(zhuǎn)移的原子或基團，或分子上連接或整體成分中摻合了一些微生物可吞食的成分。只有在這樣的結(jié)構(gòu)條件下，分子才能在光照或微生物的作用下使分子鏈斷鏈，結(jié)構(gòu)被破壞，而后很快地在自然中分解，達到不污染環(huán)境，而且能回收再利用的目的?？山到獠牧系姆N類很多，分類方法也很多。按照其降解機理可分為生物降解和非生物降解材料兩大類。目前，在包裝領域中應用價值較大的可降解材料有光降解聚合物、生物降解聚合物和光/生物雙降解聚合物材料?？山到獍b材料目前主要是用于代替那些不易回收處理的一次性塑料包裝制品。(3)防偽包裝材料防偽材料主要依靠材料的某種特殊性質(zhì)實現(xiàn)防偽功能。當前市場上主要的防

10、偽材料有熱致變色防偽材料、光致變色防偽材料、電致變色材料、壓致變色材料、濕敏變色材料等。除了常見的變色材料，市場上還存在一些需要儀器讀取數(shù)據(jù)的記錄型防偽材料。記錄型防偽材料本身不一定具有防偽功能，它們通過記錄具有防偽功能的信息，在一定條件下，重現(xiàn)這些信息，起到防偽的作用。目前這類材料多用于激光全息防偽技術的載體。(4)抗靜電包裝材料物體的絕緣性愈高，愈容易產(chǎn)生靜電，塑料制品通常均屬于高絕緣類物質(zhì)，特別是包裝薄膜大量使用的各種塑料，除了聚乙烯醇等極少數(shù)品種之外，都是高絕緣性物質(zhì)。在加工、應用中，產(chǎn)生靜電并造成種種弊端的事例己屢見不鮮。而不同物品對包裝薄膜的抗靜電性的要求亦不相同，有的商品不僅需要

11、具有一般的抗靜電性能，而且需要具有一定的導電性，因此需要根據(jù)包裝材料的電阻的不同，對抗靜電性薄膜進行規(guī)范、分類。目前，高分子材料抗靜電方法的原理主要是通過提高高分子材料的表面電導率或體積電導率，使高聚物材料迅速放電來防止靜電的積聚。改善高分子材料抗靜電性能的方法主要有以下三種：添加抗靜電劑、與導電填料復合、與結(jié)構(gòu)型導電高聚物共混。目前，抗靜電包裝已經(jīng)在電子行業(yè)、航空航天、兵器工業(yè)以及紡織、食品包裝等工業(yè)部門得到了廣泛的應用。(5)阻燃包裝材料對于易燃易爆產(chǎn)品，具包裝材料的阻燃隔熱及防火性要求很高。而目前常用的包裝材料，包括木材、紙和紙板、金屬、塑料、橡膠等幾乎都是非阻燃型材料，這在包裝易燃易爆

12、物品方面存在極大的安全隱患。因此，為了消除消防安全隱患，賦予包裝材料良好的阻燃性能是非常必要的。設計阻燃包裝材料的主要方法是使用阻燃劑對材料進行處理，如聚合物包裝材料，在明火下易燃燒而引發(fā)火災?？梢酝ㄟ^在聚合物基體中添加適當?shù)淖枞紕┮再x予其阻燃性能。如氫氧化鋁和氫氧化鎂在收到高溫的情況下均會發(fā)生分解吸收燃燒物表面熱量起到阻燃作用，同時釋放出大量水分稀釋燃燒物表面的氧氣；而含磷阻燃劑主要在凝聚相中起作用，具阻燃機理：形成的磷酸酯可作為脫水劑,并促進成炭，炭的生成降低了從火焰到凝聚相的熱傳導；磷酸可吸熱，因為它阻止了CO氧化為CO2,降低了加熱過程；對凝聚相形成一層薄薄的玻璃狀的或液態(tài)的保護層，因

13、此降低了氧氣擴散和氣相與固相之間的熱量和質(zhì)量傳遞，抑制了炭氧化過程；此外還有膨脹阻燃劑膨脹型阻燃劑以氮（氣源）、磷（酸源）、碳（碳源）為主要成分，它主要是通過凝聚相阻燃發(fā)揮作用，它可在燃燒早期將燃燒終止，因為膨脹型阻系統(tǒng)在高熱作用下能在被阻燃材料表面形成很厚的膨脹炭層，起到隔熱、隔氧、抑煙、防滴等功效，具有優(yōu)異的阻燃性能；目前還開發(fā)了許多新型高性能的阻燃劑，通過阻燃劑的合理選擇，有希望獲得阻燃性能優(yōu)異的包裝材料。（6）可食性包裝材料隨著高科技在食品包裝領域的不斷發(fā)展利用，各種能食用的包裝材料相繼問世，這些可食性包裝材料一般以人體能吸收消化的天然可食性物質(zhì)如蛋白質(zhì)，淀粉，多糖植物纖維及其他天然物

14、質(zhì)為基礎原料，通過不同分子間的相互作用，制成具有多孔網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，不影響食品風味的包裝薄膜?？墒承员∧ひ黄鹪县S富，可以使用，對人體無害，具有一定的強度，等特點，作為包裝行業(yè)的一種功能材料，近年來獲得迅猛的發(fā)展，廣泛應用于食品，醫(yī)藥的包裝。（7）新型保鮮性包裝材料這些年來，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的專業(yè)化，以及人們對生活質(zhì)量提高的要求，新鮮果蔬的遠距離運輸越來越多，使得對能夠使新鮮果蔬保存期和貨架期延長的保鮮性包裝材料的需求越來越大。新鮮水果和蔬菜的一個共同特點是采摘后仍繼續(xù)呼吸，而呼吸同時伴隨新陳代謝、水分蒸發(fā)及乙烯生成，促使果蔬進一步成熟直至衰亡。同時，這種環(huán)境還使細菌很容易滋生，并迅速繁殖，導致果蔬很快

15、腐爛。為了延長果蔬儲存和貨架壽命，國內(nèi)外都加強了新型多功能保鮮性包裝材料的研究開發(fā)，其中大部分的保鮮技術就是通過微孔或改進薄膜配方結(jié)構(gòu)、改良包裝袋內(nèi)的氣調(diào)環(huán)境（氛圍）以及使用除氧劑與選擇性透過薄膜組合的方法來達到保鮮的目的，其中尤以下列產(chǎn)品會受到更大的關注。（8）選擇吸收性包裝材料生鮮食品包裝很重視氣體的透過性，并以此選擇不同的塑料材料。隨著食品工業(yè)的發(fā)展以及材料科學的進步，作為食品包裝材料不僅要求高阻氣性，而且進一步要求發(fā)展選擇透過性的功能，即根據(jù)包裝內(nèi)容物的要求，僅僅允許需要的(或不需要的)氣體分子通過，建立一個適宜的氣調(diào)環(huán)境。這類選擇透過性包裝材料在國外已進入實用化階段，主要有添加溶解氣

16、體物質(zhì)的薄膜，添加多孔沸石或氧化硅等粉末的薄膜，用丫射線照射使薄膜性質(zhì)發(fā)生變化以及利用擴散系數(shù)對含水率的依存性、引入含有羥基基團和酰胺基基團的薄膜等。此外還可以在薄膜中加入一些抗菌劑和防腐劑，來抑制細菌和霉菌的生長繁殖。(9)耐熱性包裝材料耐熱性塑料軟包裝材料以前多為耐蒸煮殺菌用，滿足耐蒸煮殺菌的包裝要求在120C、1020分鐘蒸煮殺菌或加熱的情況下，外觀形狀、品質(zhì)均無明顯的變化，包裝食品在儲存過程中不產(chǎn)生容器破損、內(nèi)容物泄漏、微生物二次污染以及光和熱使內(nèi)容物變質(zhì)等情況?；臼且跃哂姓诠庑缘匿X箔為中間層，高阻隔性塑料聚酰胺、聚酯為外層，具有熱封性的聚乙烯、聚丙烯為內(nèi)層的多層復合蒸煮膜制成的蒸煮

17、袋使用的最多。一些新型的含高阻隔性材料的乙烯-乙烯醇共聚物、聚偏氟乙烯、聚酰胺、硅氧化物蒸鍍膜等的多層復合材料也日見使用。(10)無菌和抗菌塑料包裝材料無菌包裝可以在無菌條件下，不用添加防腐劑，在常溫下就能最大限度地保留食品原有的營養(yǎng)成分和風味?？裳娱L貨架壽命，方便運輸和儲存。無菌包裝主要應用于食品、調(diào)味品、醫(yī)藥及化妝品等領域。所使用的軟包裝材料為紙、塑、鋁塑復合膜，含高阻隔性塑料的多層共擠無菌包裝片材等。抗菌塑料包裝材料則是對塑料包裝材料賦予一定的抗菌性能，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)了以含銀離子為無機抗菌劑的全新型母料，銀離子具有顯著的抗菌作用，具特點為抗菌效果持續(xù)時間長，不會因氣化和遷移而高，不會污染環(huán)境。用添加的含銀離子的母料(含量1%3%)制得的薄膜或表面復合一層這種薄膜的容器，經(jīng)試用表明，在無營養(yǎng)源的情況下，含1%銀離子母料的薄膜能在12天內(nèi)完全殺死會引起食品中毒的菌類，廣泛用于熟食肉類、水產(chǎn)品和液體食品包裝。另外，在國外從某些植物中的提取物作為抗菌劑的薄膜也已有生