食品包裝塑料薄膜的機械性能及檢測方法研究
發布時間：2021-04-28作者：admin來源：點擊： 次
食品包裝是指采用適當的材料、容器對生產出來的各種食品進行保護的技術措施,在裝卸、運輸、保管、供應或銷售的整個過程中使用到的所有材料可以保護食品的質量和使用價值。食品包裝的材料類型包括紙、金屬、陶瓷、塑料、橡膠和玻璃等,其中塑料包裝是包裝材料領域中應用最多的。塑料是一種可塑性很好的高分子材料,與傳統的包裝材料(紙、金屬、玻璃等)相比,其包裝材料質輕,對熱、電具有良好絕緣性,比強度、比剛度高、韌性強,且具有粘彈性和優異的防腐耐蝕性[1] 。在塑料包裝材料中,各種塑料薄膜、復合塑料薄膜具有不同的力學、阻隔、耐熱及衛生性能[2] 。
食品包裝材料的安全性包括力學性能、阻隔性、生物安全性和化學安全性4個部分,見圖1。其中,力學性能是保障食品在裝卸、運輸、保管、供應和銷售的整個流通過程中順利進行的最基本性能[3,4,5,6,7] 。
圖1 食品包裝材料安全性的影響因素和指標[8] Fig.1 Influencing factors and indicators of food packaging safety
2 塑料薄膜的機械性能特點
包裝用塑料薄膜的物理性能包括機械性能、光學性能、熱性能和阻隔性能等[9] 。塑料包裝材料的機械性能[10] 主要包括拉伸強度、斷裂伸長率、剝離強度、熱封強度、耐撕裂性能、耐沖擊性能(落鏢與擺錘)和抗穿刺性能等。
普通包裝膜的性能主要取決于塑料的品種。常用的食品包裝塑料單膜有:聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、尼龍、玻璃紙、聚酯、聚偏二氯乙烯及聚碳酸酯等。由于各種塑料膜的性能不同,因而應根據產品的不同包裝要求,合理選擇塑料包裝膜。
低密度聚乙烯伸長率大,抗沖擊性與耐低溫性較優。聚丙烯膜拉伸膜的性能有所改善,由于拉伸分子定向,所以此薄膜的機械強度較高,堅韌耐磨,但是熱封性差,所以一般用做復合薄膜的外層薄膜。聚氯乙烯熱收縮膜的收縮率強、易操作,堅韌抗撕,韌性好,不易脆化,抗撕裂性能好。尼龍薄膜較堅韌,并具有良好的光澤,抗張強度及拉伸強度較高,還具有較好的耐熱性、耐寒性、耐油性和耐有機溶劑性,耐磨性、耐穿刺性優良,且比較柔軟,阻氧性能優良,適于包裝硬性物品。玻璃紙的透明性好、剛挺,不產生靜電,但撕裂強度差、熱封性差。聚酯薄膜是一種無色透明、有光澤的薄膜,其機械性能優良,剛性、硬度及韌性高,耐穿刺、摩擦、高溫和低溫,常用做蒸煮包裝的外層材料,印刷適性較好。表1為常用單一薄膜的機械性能對比結果。
表1 常用單一薄膜的機械性能對比結果Table 1 Comparison results of mechanical properties of single film 下載原表
3 食品包裝塑料薄膜的機械性能測定方法
3.1 概述
食品包裝塑料薄膜的機械性能是塑料機械性能中最重要、最基本的性能之一。包裝材料在使用前必須對其機械性能進行嚴格的檢測,在經過一定的加工處理后,也需再次檢測其機械性能。塑料包裝材料可靠的機械性能是產品在包裝之后對產品保護的最基本指標,可以防止因機械性能不足而導致的包裝破損與泄漏。食品包裝塑料薄膜的機械性能測定通常參考國家標準中規定的方法進行,食品用塑料包裝膜、袋產品的拉伸性能、剝離性能、沖擊性能以及撕裂性能的測試標準參見表2。
表2 食品用塑料包裝膜、袋產品的機械性能測試標準Table 2 Mechanical performance test standards of food packaging plastic films and bags 下載原表
3.2 食品用包裝塑料薄膜機械性能檢測方法
3.2.1 拉伸性能測試
拉伸性能是塑料薄膜產品的重要物理力學性能,它能夠直觀反映薄膜的使用性能。該性能通常作為食品包裝材料的出廠檢驗指標以及食品包裝材料的產品質量檢驗指標。
通常針對不同產品會制定不同的拉伸性能測試標準,但是通常測試方法與GB/T 1040.3-2006中的測試方法基本一致,即將試樣制成啞鈴型或者長條形,通過合適的夾具夾持試樣兩端,以一定速度進行拉伸,直至載荷達到最大值。不同產品的拉伸性能測試標準會對試樣尺寸及加載速率進行規定,針對不同拉伸強度的塑料薄膜選擇合適摩擦力的夾持端面,并確保夾持過程中夾持面不會對塑料薄膜造成破壞。
楊金爽等[20] 針對食品包裝用塑料薄膜裁切方向對拉伸性能試驗結果的影響進行了系統研究,發現試樣的裁切方向是影響拉伸性能試驗結果準確性的重要因素之一。韋葦[21] 對塑料薄膜拉伸彈性模量的測定進行了分析研究,提出了分析拉伸試驗數據的方法來計算彈性模量。
3.2.2 剝離強度測試
復合薄膜是通過干式復合或共擠式復合將不同材料復合在一起的,材料間粘合質量的好壞直接影響復合膜的強度、阻隔性及使用壽命。剝離強度也被稱作復合強度或復合牢度,用于檢測復合膜中層與層間的粘接強度。如果粘合強度過低,則極易在包裝使用中出現層間分離而產生泄露、阻隔性差等問題。
剝離強度的測試方法基本與GB/T 8808-1988中規定的方法一致,通常是裁剪一定寬度的長條形復合薄膜,沿試樣長度方向將復合層與基材預先剝開一定長度,初剝開部分不得有明顯損傷。將試樣剝開部分的兩端分別裝夾在試驗機上,使試樣剝開部分的縱軸與上下夾具中心連線重合,并松緊適宜。試驗時,未剝開部分與拉伸方向呈T型,按照一定的拉伸速率進行剝離。需要注意若復合層不能剝離或復合層斷裂時,其剝離強度判為合格。但前提需要確保拉伸強度合格。
任清杰等[22] 對干法復合薄膜剝離強度的影響因素進行了詳細分析,從基材特性、粘合劑、油墨及印刷工藝、復合工藝和生產環境等5個方面闡述了影響復合膜剝離強度的因素,并總結了實際生產過程中應考慮的主要事項。干法復合薄膜各基材的剝離強度是其質量控制的關鍵,王子平等[23] 針對PET/VMCPP復合膜剝離強度的影響因素進行了系統研究,詳細分析了制造工藝對剝離強度的影響。
3.2.3 熱合性能測試
塑料薄膜作為包裝材料,一般采用熱壓封合的方法將被包裝物封裝在內。包裝的密封是否完好很大程度上取決于熱合的質量。熱合強度又稱為熱封強度,用于塑料熱合在塑料或其它基材(如鋁箔等)上的熱合性能評定。在產品的保存和運輸過程中,熱封強度太低會導致熱封處裂開、泄漏等問題。參考QB/T 2358-1998中的試驗方法來確定薄膜適宜的熱封合條件,滿足生產工藝的需要:以熱合部位為中心,打開呈180°,把試樣的兩端夾在試驗機的兩個夾具上,試樣軸線應與上下夾具中心線重合,并要求松緊適宜,熱合強度為讀取試樣斷裂時的最大載荷。
張紅靜等[24] 對塑料包裝袋熱合強度的失效模式進行了分析,總結出了5種失效模式,即熱封層剝離、熱封邊緣斷裂、薄膜斷裂、薄膜分層、先分離后撕裂,并對熱合強度的試驗過程進行了詳細描述,采用的方法與國標一致。
3.2.4 沖擊性能
沖擊強度是材料重要的機械力學性能之一,用來衡量材料在經受高速沖擊狀態下的韌性或對斷裂的抵抗能力,也稱沖擊韌性。塑料軟包裝的沖擊強度測定通常使用落鏢沖擊法和擺錘沖擊法。擺錘沖擊是利用半球形沖頭在一定的速度下沖擊并穿過薄膜試樣,測量沖頭所消耗的能量,以此評價薄膜的抗擺錘沖擊能力,一般參考GB/T8809-1988中的試驗方法進行測試;落鏢沖擊是在給定高度、一定落鏢頭的自由落鏢沖擊下,塑料薄膜或薄片試樣破壞數量達到50%時的能量,以沖擊破壞質量表示,一般參考GB/T 9639.1-2008中的方法進行測定。
謝新藝等[25] 對GB/T 9639.1-2008中的方法進行了分析與改進,提高了計算結果的準確性,更精確地測量了塑料薄膜與薄片的抗沖擊性能。
3.2.5 撕裂度測試
抗撕裂性能一般有3種類型,即褲型撕裂、擺錘撕裂和直角撕裂。
褲形撕裂法測定一般參照GB/T 16578.1-2008中的方法進行,適用于軟質和硬質材料的薄膜和薄片,試驗時材料不應發生脆性破壞,或材料的不可逆變形引起的兩褲腿變形所耗能量不應影響撕裂所耗能量。其測試原理是在試樣長軸方向上切縫至1/2處,使其切口所形成的兩“褲腿”上經受拉伸試驗,測試沿長軸方向撕裂試樣所需的平均力,計算材料的撕裂強度。
擺錘撕裂即埃萊門多夫法,一般參照GB/T16578.2-2009中的方法進行,適用于軟塑料薄膜、復合薄膜、薄片,不適用于聚氯乙烯和尼龍等較硬的材料。其測試原理是使具有規定切口的試樣承受規定大小擺錘貯存的能量所產生的撕裂力,以撕裂試樣所消耗的能量計算試樣的耐撕裂性。
直角撕裂性能測試一般參照QB/T 1130-1991中的方法進行,適用于薄膜、薄片及其它類似的塑料材料。其測試原理是對標準試樣施加拉伸負荷,使試樣在直角口處撕裂,測定試樣的撕裂負荷或撕裂強度。
孫重曉等[26] 針對過氧化物交聯改性聚丁二酸丁二醇酯薄膜的抗撕裂性進行了研究,參考GB/T 16578.1-2008進行了塑料薄膜的褲形撕裂性能測定。實驗發現在一定范圍內,交聯度增大,耐撕裂性能變強。
3.2.6 穿刺強度測試
針對塑料薄膜、復合膜、軟質包裝材料等進行穿刺力試驗,根據GB 10004-2008中關于穿刺強度試驗儀器的要求設計制造,通過穿刺強度試驗反映復合膜性能。
蔡傳倫等[27] 研究了抗穿刺線型低密度聚乙烯薄膜的制備,采用電子拉力試驗機,按ASTM D4833-07[28] 規定的方法對薄膜的抗穿刺性能進行測試,該測試方法與國標中的測試原理沒有本質差別,僅對穿刺針的尺寸及加載速率有不同的規定。
3.3 食品用包裝塑料薄膜的檢測設備
塑料薄膜的檢測設備主要分為2種,分別是拉力試驗機和沖擊試驗機。拉伸試驗、剝離試驗、撕裂試驗、熱封強度測定均可以在配備一定配件的拉力試驗機上完成。沖擊試驗機包括落鏢沖擊和擺錘沖擊2種。
3.3.1 拉力試驗機
薄膜拉伸性能測試設備需要滿足量程小于5 k N,在100 N左右能夠保證一定的測量精度,并能夠提供穩定位移速率,如果需要測定斷裂伸長率及彈性模量,則需要配備一定的變形測量設備。拉力試驗機還可進行復合膜袋拉伸試驗、斷裂伸長率、剝離強度、直角撕裂、熱封強度、粘合強度等性能測試。
3.3.2 擺錘沖擊試驗儀
擺錘沖擊試驗儀適用于塑料薄膜等材料抗擺錘沖擊性能的精確測定。其測試原理是薄膜沖擊試驗儀的半球形沖頭在一定的速度下沖擊并穿過薄膜試樣,測量沖頭所消耗的能量,以此評價薄膜的抗擺錘沖擊能力。儀器需要配備專用的薄膜夾具,量程可調,電子式測量能準確實現各種測試條件下的試驗,試樣氣動夾緊、擺錘氣動釋放以及水平調整輔助系統有效地避免了人為因素引起的系統誤差。擺錘沖擊試驗和擺錘撕裂也就是埃萊門多夫(Elmendorf)法通常使用該類設備進行測試。
3.3.3 落鏢沖擊試驗機
一般適用于塑料薄膜或薄片在給定高度的自由落鏢沖擊下,50%試樣破損時沖擊質量和能量的測定。
4 結論與展望
為了滿足日益增長的食品包裝需求,必須不斷提高其加工技術,利用新型材料改性使塑料薄膜包裝材料向超薄、超輕、高性能和多功能方向發展。塑料薄膜的機械性能是最基本的性能,也最能直接影響食品包裝的效果,改善及提高食品包裝塑料薄膜的機械性能是塑料薄膜發展的必然方向,因此,針對塑料薄膜機械性能的研究分析也越來越受到重視。
