功能性包装薄膜的研究进展

■ 文/天津科技大学包装与印刷学院　王强强、陈瑞鹏、梁俊

一、前言

目前，中国正在努力实现从包装大国到包装强国的过渡，同时，包装工业的快速增长与低水平投入的现状造成整个包装行业的过度浪费和污染，高耗能，高排放等问题仍然是包装工业可持续发展的瓶颈。

从包装的定义来讲，包装是指“为在流通过程中保护产品、方便储运、促进销售，按一定技术方法而釆用的容器、材料及辅助物等的总体名称。也指为了达到上述目的而釆用的容器、材料和辅助物的过程中施加一定技术方法等的操作活动”。在商品日益充盈的时代，功能性包装应该更加注重细节，尊重客户、关注环境等特点。包装产品的形式必须主动适应销售需要加人机需求。

功能性包装区别于产品的销售包装，极力避开和弱化产品在包装印刷、色彩、图案等有利于吸引消费者购买的设计元素上。因此，功能性包装对材料选择，结构选型，工艺过程，后续的储运方式以及包装材料的回收重用等元素作为主要的考量对象，有助于概念设计阶段从全生命周期的角度全面考察产品包装所涉及的成本要素。

二、功能性包装薄膜

目前已产业化并在包装领域中具有重要意义的功能性包装薄膜，可以列举出收缩性包装薄膜、阻隔性包装薄膜、缠绕薄膜、表面保护膜、易开封薄膜、抗菌薄膜、降解薄膜、抗静电薄膜、防锈薄膜等等。

功能性包装薄膜是包装材料中的重要品种，往往是一些特定包装的不可或缺的材料，在塑料包装材料中，具有十分重要的地位。

（一）定义

功能性包装薄膜，至今没有严格的定义，通常指具有普通通用塑料包装薄膜所不具备的某一（或者某些）特殊功能、可以满足包装应用上的特殊需要的塑料包装薄膜。

（二）功能性包装薄膜的制备

功能性包装薄膜的制备：通过配方（树脂和助剂）的设计制备功能性包装薄膜、复合工艺制备高阻隔性薄膜、通过拉伸工艺（或拉伸与特定配方相结合）制备功能性薄膜等，以达到提高对商品的保护功能、方便商品的使用、改善包装操作适应性、改善环境保护适应性、降低生产成本的效果，制备流程如图1所示。

图1　功能性塑料薄膜的制备流程

三、讨论

（一）收缩性包装薄膜

为了满足部分商品的销售需求，要求包装膜具有良好的阻隔性能，主要通过多层复合工艺来增强阻隔性能，目前热收缩薄膜包装材料，主要有PVC、PE、PP、EVA、PVDC、PS、PET等，PVC热收缩薄膜透明、热收缩温度低，使用方便，但光热稳定性差，加热时分解产物氯乙烯单体已被医学界列为致癌物质；LDPE热收缩薄膜，成型加工方便，但雾度较高；PP热收缩薄膜有高的透明度和刚性，但热收缩温度高，限制了其应用范围。多层复合热收缩薄膜已成为热收缩薄膜研制和开发的重点。

以线性低密度聚乙烯(LLDPE)作为中间层，共聚丙烯(PP)作为内、外层，采用3层共挤的方法制成的POF复合热收缩薄膜，可弥补单一材料制成的热收缩薄膜所不能满足的收缩包装需要。它同时具备了聚乙烯和聚丙烯的所有优点与长处，其性能又优于单纯的聚乙烯膜和聚丙烯膜，POF热收缩薄膜以其优于纸盒和纸箱的低生产成本、低运输成本及良好的透明、保洁、防窃、使用方便等特点，成为小件商品、集合包装等作业广泛使用的包装材料；POF热收缩薄膜经过电晕处理后还可用于印刷，具有耐刺穿性，收缩时能贴紧凹凸不平物体表面等特点，成为容器标签，瓶盖密封标签的首选材料。

POF热收缩薄膜的热收缩温度范围在90一120℃之间，可在低于60℃下的自然环境中稳定储存；在一定热收缩温度下，薄膜的纵向收缩率和拉伸强度大于横向，在热收缩温度范围内，随温度升高，薄膜收缩率和厚度提高，拉伸强度下降，断裂伸长率提高，如表1所示；热收缩处理后薄膜的透湿度下降，防潮性提高。

表1　不同热收缩温度下POF薄膜的拉伸性能

（二）阻隔性包装薄膜

当前食品包装方面最迫切需要改进的是,尽可能使加工食品时的各种有气味分子不致遗留在容器内壁上,造成内包食品有异味或原有香味或风味被内壁吸附而走失。例如饮料中有丰富的香味和风味,其浓郁香味往往标志着高质量,但往往由于包装材料选择不当,而使大部份有效香味和风味被包装材料所吸附。聚烯烃类是吸收香味和风味的材料之一,然而也是食品包装中应用最广泛的一种材料。因此最近100%天然果汁饮料为了保存香味和风味己从聚烯烃系转变到EVOH系，PET系 作为内层的复合纸容器。

这种吸附现象不能用分子间引力，离子吸附之类的论调来解释，必须以“吸附渗透”来讨论机理和对策，采用化学阻隔层作为内层来防止风味走失有一定的功效。高分子材料中香味和气味的吸收、溶解、扩散、蒸发、渗透机理非常复杂，是溶解、扩散、蒸发过程的重复行为，有待专题讨论。因此有人提出了用金属阻隔膜，氧化硅软玻璃阻隔膜等。其次，高阻隔性包装材料有PVDC、EVOH、PVC、PA等阻隔性包装材料，多层共挤涂覆复合包装材料，开发蒸镀膜、氟化聚烯烃容器。

（三）缠绕薄膜

拉伸缠绕薄膜是一种表面(单面或双面)具有较强粘性并具有较强延伸性和良好回弹性的包装薄膜。拉伸缠绕膜具有拉伸度强度高、自黏性好、透明度高、保洁性能可靠、相对密度轻、韧性强、使用方便等特点。

拉伸缠绕薄膜可由PE、PVC、EVA等生产。最初以PVC为基材、用DOA为增塑剂及增粘剂生产PVC拉伸缠绕膜，由于PVC拉伸缠绕膜拉伸性较差、稳定性较差、环保适应性差，所以后来开发了PE拉伸缠绕薄膜并得到了广泛的应用。目前拉伸缠绕膜的生产基本上以聚异丁烯(PIB)或超低密度聚乙烯(VLDPE)为增粘剂，以线性低密度聚乙烯(LLDPE)为主要基材。如图2所示，是以LLDPE为基材的薄膜。

图2　LLDPE基材拉伸膜

拉伸缠绕膜具有广泛的市场前景，尤其是高档拉伸缠绕膜用途非常广，因此国内不仅要满足中低档拉伸缠绕膜所需树脂的开发，更应加大技术攻关，消化吸收国外先进技术，开发出高档拉伸缠绕膜所需的树脂原料；不应仅止步于己烯共聚聚乙烯树脂的开发生产，更应该开发辛烯共聚聚乙烯树脂和茂金属聚乙烯树脂等高档产品，以利于提高国内薄膜加工业产品水平。

（四）表面保护膜

表面保护膜是为保护商品表面而开发的一种薄膜，实际上它是一种特殊的压敏胶膜，它较之使用表面保护涂料具有使用方便，价格低廉，效果可靠等综合优势，因此受到人们越来越广泛的关注。

少数商品在运输、贮存、加工以及组装过程期间，常常需要对材料及零部件表面加以保护，以防止有害气体、微生物的侵蚀，粉尘污染或者避免机械划伤产生划痕等等。对材料表面进行保护最常用的方法是在被保护物体的表面上贴上一层保护膜，在结束运输、贮存、加工以及组装等处理之后，再揭去该膜。

目前表面保护膜已在仪器、仪表、电子、机械、建筑、汽车制造及标牌等行业获得了广泛的应用，在金属、塑料、玻璃、各类油漆板、石材、木材等多种材料表面的保护方面，都取得了良好的效果，保护膜实际上是由一种特殊的压敏胶膜，由基材层和压敏胶层组成。

保护膜应该达到的效果有以下几点：

表面保护膜对被保护材料的表面应该呈惰性，不与该表面发生反应，不腐蚀、污染表面。

表面保护膜对被保护材料具有良好的粘附性能，在材料搬运以及加工过程中，保护膜不会起翘脱落。

表面保护膜具有良好的耐候性及持粘力稳定性，经数日或久贴剥离力增长不显著，易于揭去，在揭去时被保护表面上没有残胶留存。

表面保护膜可具有良好的加工性适应性，满足被保护物深加工的需要。

（五）易开封薄膜

密封包装易开封薄膜主要用应用于餐后点心等相关休闲食品的包装，是应方便使用的要求而发展的起来的一类功能性包装材料。按照人们传统的观念，对于包装的要求是要尽可能地牢固，认为包装越牢固对商品的保护效果越好因而也就更加可取，然而随着社会的发展，特别是近年来，由于老年化社会的到来，出现了对方便开封的强烈需求，以前片面地强调包装对商品的保护、牺牲开封性的理念，受到了极大的冲击；同时出现了一种新的思维：要求包装，特别是方便食品之类商品的包装，既要能够有效地保护其包装的内容物，又具有方便开封的功能，于是易开封类功能性薄膜一一易开封薄膜的开发应用应运而生。

乙烯一丙烯酸甲酯共聚物(EMA)便是生产易开封薄膜的一种优良基材。密封包装易开封薄膜主要有易剥离型易开封薄膜和易撕裂型易开封薄膜两大类，前者用于塑料杯、碗等包装容器的盖材；后者用于制造易撕开的塑料包装袋，如图3所示为生产商将易开封薄膜应用于果冻。

图3　果冻易开封膜

易剥离型易开封薄膜，是易开封薄膜中应用较多的品种。易剥离型易开封薄膜生产的基本原理，通常是通过特定的配方，使薄膜热封合后的剥离性强度适度下降，以实现既能有效地保护包装的内容物，又能方便开封的初衷；易剥离型易

开封薄膜一般采用多层复合结构，至少有主层及热封层两层。主层的作用是赋予薄膜较高的刚性及较高的拉伸强度、撕裂强度，同时通常使易剥离型易开封薄膜的主层具有高的熔点，使主层和热封层之间，具有较大的熔融温度差，从而改善

薄膜的热封合加工性能；热封层亦称粘合层，其功能主要是赋予薄膜的密封可靠性及薄膜的易剥离的性，显而易见，热封层材料的选取，对于易开封薄膜性能的优劣，是至关重要的。

（六）抗菌薄膜

食品的质量和安全一直是食品企业和消费者非常关注的问题，微生物的生长繁殖不仅是造成产品腐烂变质的重要原因，而且部分微生物还会对人体造成很大的危害。特别是采用保鲜膜包装果蔬等时，包装内部空气流通差，环境湿度大，很容易引起微生物生长繁殖，所以，使用抗菌保鲜膜来防止产品受到微生物污染和延长货架期就显得非常重要。

抗菌食品保鲜膜是指在保鲜膜中添加抗菌剂，通过抗菌剂的缓释和光催化等作用达到抗菌、保鲜目的的一种功能薄膜。目前已研制PE／Ag纳米防霉保鲜膜、PVC／TiO2：纳米保鲜膜等多种抗菌食品保鲜膜。这些薄膜抗菌性能优良，机械强度较普通塑料膜有不同程度的提高。

壳聚糖因为其良好的人体安全性、生态环保性和广谱抗菌性引起了人们极大的关注，将壳聚糖作为涂层材料用于食品抗菌保鲜膜也取得了一定进展。有人研究了壳聚糖涂覆在聚丙烯薄膜上制备新型薄膜材料，发现该薄膜具有良好的拉伸强度和伸长率，还具有显著的抗菌性。

抗菌包装膜的形式主要有以下几种：(1)将挥发性的或不挥发的抗菌成分直接混合添加在聚合物材料中制成抗菌膜；(2)将抗菌剂涂覆或吸附在聚合物材料表面；(3)将抗菌剂通过离子或共价连接固定在聚合物上；(4)使用天生就具有抗菌性能的聚合体。

抗菌保鲜膜的发展趋势主要有以下几点：功能多样化。抗菌材料的纳米化和复合化。抗菌食品保鲜膜的研究在未来一段时间内将综合考虑抗菌、气调、机械强度等性能指标，实现性能的复合化。

（七）可降解薄膜

聚乙烯是目前世界上产量最大的一种塑料制品，广泛的应用于农业薄膜 包装材料等一次性制品中，聚乙烯塑料废弃后一般很难回收且聚乙烯分子对称稳定在自然界中难以降解，不断的积累给生态环境造成了巨大的危害。

近年的研究表明纳米TiO2光催化技术在降解塑料领域也表现出巨大的潜力，对PS 等塑料制品表现出较好的催化降解效果 若能将此项技术有效应用于催化降解PE塑料制品，必将为治理白色污染开辟一条新途径，前景广阔。

同时天津科技大学课题组采用课题组前期制得的丙烯酸甲酯改性淀粉，与适量的PVA共混制备降解型包装薄膜，如图4所示，PVA也是具有水溶性的高分子材料，所以制成的改性淀粉／PVA可降解薄膜，具有完全生物降解性能，推广应用后对于开发新型包装材料、减少白色污染危害，具有显著的社会效益和经济效益。

图4　PVA对薄膜力学性能的影响

（八）抗静电薄膜

通用塑料大多属于高绝缘物质，容易产生静电，每年由于静电发生的事故不在少数，因此开发抗静电薄膜尤为重要。利用抗静电剂制备抗静电薄膜，具有工艺简便、价格低廉的明显优势，是当今生产抗静电薄膜应用最为广泛的方法，其次，采用导电型填料生产抗静电塑料薄膜，采用涂料生产防静电薄膜，通过表面改性生产抗静电薄膜等也是常用的制备方法。

抗静电薄膜适用于带有集成电路的电子产品，防止运输过程外界电磁辐射，或用于洗衣粉等粉末商品在包装时因静电而吸附在包装口上，不利于封口。

（九）防锈薄膜

气相防锈薄膜是近年发展起来的一种比较好的气相防锈包装材料，是将气相缓蚀剂以一定方式添加到塑料薄膜中而形成的一种防腐蚀包装材料，它是一种特殊的功能性薄膜。其不仅可以简化包装环节，还具有透明性、热塑性和气密性等优点，同时还可以回收再利用，节约资源，十分环保。随着缓蚀剂合成技术和塑料加工技术的不断发展，气相防锈塑料薄膜已成为广泛采用的一种气相防锈包装材料，其适用领域包括：汽车行业、船舶、航空器领域、机械领域、电器、电子领域、冶金领域、五金工具、武器装备及其他金属加工领域。

气象防锈的发展趋势有以下几点：

1.气相防锈薄膜用缓蚀剂向通用、高效、无毒环保方向发展。

2.气相防锈薄膜制品向着产品结构多样化、形式多元化、基材树脂多样化方向发展。

3.对气相防锈薄膜制品的外观、气味等提出更高要求,低气味、良好透明度、美观的VCIF产品深受客户欢迎。

四、结语

作为一种新兴的包装形式，功能性包装以其成本低、形式多样化、应用范同广更得市场青睐，其发展日趋多元化，如何通过技术创新、工艺革新进一步拓宽功能性包装的应用领域，提升其在高端市场的应用价值，从而在与其他传统包装的竞争中脱颖而出是包装行业及企业必须探讨的话题，也是站稳行业必须践行的出路。