談納米復(fù)合包裝材料

在包裝印刷行業(yè)中，納米復(fù)合材料占據(jù)了相當(dāng)一部分市場(chǎng)。今天，中國(guó)紙業(yè)網(wǎng)的編輯從復(fù)合包裝材料開始，詳細(xì)介紹一下相關(guān)技術(shù)內(nèi)容。

一、前言

眾所周知，納米技術(shù)是國(guó)際上最近10年以來開發(fā)的一項(xiàng)高新技術(shù)，它在很多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域是都得到了極大的關(guān)注，其應(yīng)用前景十分看好。尤其是納米技術(shù)應(yīng)用于材料工程領(lǐng)域，更是方興未艾，成績(jī)斐然。所謂納米材料，就是用晶粒尺寸為1——100納米（1納米=10的負(fù)9平方米）的晶體構(gòu)成的材料，由于晶粒尺寸比常規(guī)材料的晶粒細(xì)微得多，因而在其晶界上原子數(shù)多于晶粒內(nèi)部的原子數(shù)，這樣就賦于納米材料以許多特殊的優(yōu)異性能。與常規(guī)材料相比，除了具有極佳的機(jī)械力學(xué)性能以外，納米材料還呈現(xiàn)出更好的物化性能，包括光電性能，電磁性能和熱學(xué)性能等。因此，工業(yè)界對(duì)此給予廣泛的關(guān)注和重視。

同樣，在包裝界，對(duì)納米包裝材料的研究也受到了極大的注意，歐美日等國(guó)家都投入了大量人力物力進(jìn)行研究和開發(fā)，并已取得了令人矚目的成果。大家知道，無論是硬包裝還是軟包裝，包裝材料的陰隔性一直是一項(xiàng)重要性能，因?yàn)榘�裝品的貨架壽命（保質(zhì)期）與此性能直接有關(guān)。為了提高包裝材料（主要指聚合物）的陰隔性，多年以來已經(jīng)對(duì)聚合物這種高分子結(jié)構(gòu)的材料實(shí)施了很多改性研究、復(fù)合研究及加工過程的研究，取得了顯著的在果。正是在大量研究基礎(chǔ)上，現(xiàn)已在世界上開發(fā)出多達(dá)好幾百種的塑料包裝阻隔性并取得了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。但是，要使這種材料的阻隔性達(dá)到玻璃容器或金屬薄膜那樣的水平，仍然還有著相當(dāng)大的距離。當(dāng)前，納米技術(shù)的理論及應(yīng)用研究的成果為進(jìn)一步提高包裝的陰隔性開辟了一條新途徑。本文將介紹正在開發(fā)中的一類聚合物基納米復(fù)合材料，其研究目標(biāo)在于通過納米技術(shù)使得包裝材料在全面提高性能的同時(shí)使其阻隔性達(dá)到一個(gè)新水平。

二、基本原理

根據(jù)納米技術(shù)基礎(chǔ)理論可知，把納米級(jí)尺度的微粒融入到聚合物晶格陣內(nèi)部，就能提高材料的強(qiáng)度、剛度和阻隔性等。同時(shí)，與常規(guī)的其他充填型聚合物相比，納米材料的微粒充填量又是很少的。納米量級(jí)的微粒子，例如，像膠嶺土（montmorillonite clay）一類充填物，就能顯著地降低基礎(chǔ)材料的滲透性。其主要原因是基于這樣的事實(shí)，即材料中充填了板狀硅酸脂層阻礙了在材料擴(kuò)散通道中散布分子的流動(dòng)能力，由此提高材料的阻隔性。這種聚合物一粘土型納米復(fù)合材料而言，粘土具有良好的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性，而有機(jī)化合物則具有良好的工藝加工性。

屬于自然狀態(tài)的硅酸脂層基團(tuán)近晶狀粘土，其俗稱是“膨脹土”（swelling clay）”，因?yàn)椋�其結(jié)構(gòu)具有吸水離子和其他極性離子的能力。膠嶺土材料是由兩個(gè)四面體形硅片層融合到一個(gè)邊緣相聯(lián)的八面體形成了層融合到一個(gè)邊緣相聯(lián)的八面體形鋁片層的重迭層所組成。此重迭層被弱偶極性和塑氏力所分離，形成了中間層或長(zhǎng)通道。在膠嶺土中，八面體形側(cè)面主要充填有鋁離子，但是有些側(cè)面則充填著鎂離子或其他素。由于八面體形側(cè)面存在鎂離子，所以整個(gè)負(fù)電荷需要由鈉離子或鈣離子等到少量中間層陽離子來平衡，由這些中間層陽離子充滿著整個(gè)中間層的空間。這就是膠嶺粘土材料所形成納米微粒的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

親水硅酸脂和通常不親水聚合物之間缺乏親合力，這就難于得到均勻的混合。天然膠嶺土是一種親水材料，與大多數(shù)有機(jī)高分子材料不相容。通過利用有機(jī)陽離子替代中間層分子的膠嶺上。這種離子與磷離子的交叉反應(yīng)可以形成親有機(jī)物的表面。乙醇銨還能提供可與聚合物發(fā)生反應(yīng)的功能基材，并改善了聚合物與粘土材料之間界面的結(jié)合。

納米復(fù)合聚合材料的結(jié)構(gòu)可能分為兩類：夾層型和片層型。在前者，通過把單一伸展的高分子鏈插入硅酸脂各基層中間即可獲得排列整齊的多層相夾結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。在片層型或分層型復(fù)合材料中，各層之間迭合是可分開的，并且單一硅酸脂料中，各層之間迭合是可分開的，并且單一硅酸脂層在聚合物基體內(nèi)的合成方法有兩個(gè)。一個(gè)方法就是經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)聚合反應(yīng)，其中包括聚合反應(yīng)時(shí)緊接著單聚合物的添加；加一種方法則是通過溶液添加聚合物。聚合物添加也可以使用下述辦法達(dá)到，即通過在高于聚合物添加也可以使用下述辦法達(dá)到，即通過在高于聚合物玻璃態(tài)溫度條件下緩慢冷卻聚合物和納米微粒的混合體，形成聚合物分子鏈后在其材料熔融狀態(tài)中擴(kuò)散并融入到硅酸脂層面之間通道中。聚合物一硅酸鹽納米復(fù)合材料可以由多種聚合物材料來制造，例如，聚苯乙烯、聚丙烯、聚酰胺（尼龍），環(huán)氧樹脂和有機(jī)玻璃等。

三、主要特性

聚合物一硅酸鹽納米復(fù)合材料具有優(yōu)良的強(qiáng)廢、剛度和阻隔性等，此外，與常用的充填型加強(qiáng)聚合物相比，前者所包含的填料量要少得多。在加強(qiáng)型常規(guī)聚合物中，需要的無機(jī)物填料大約占有20——30%（重量成分），至于納米復(fù)合材料中粘土填料，至多只需要總重量的十分之一就足以改善材料特性。這主要是因?yàn)檎惩梁途酆衔锝Y(jié)構(gòu)之間有著很大接觸面積的緣故。

根據(jù)國(guó)外研究報(bào)道，把4.7%（重量成分）的膠嶺土材料復(fù)合到尼龍—6型聚合物中后，形成納米復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度從68.6Mpa提高到97.2Mpa,抗彎強(qiáng)度從89.4提高到143.0Mpa,熱變溫度從65提高到152,而熱變形溫度的提高則意味羊這種材料的應(yīng)用范圍大大擴(kuò)展。有些學(xué)者的研究結(jié)果表明，納米復(fù)合材料的變形阻力增大，是由于聚合物基體與粘土填料之間存在很強(qiáng)相互作用力的原狀因，而硅酸脂微粒具有大的表面積形成了這種物理狀態(tài)。

由于聚合物基體內(nèi)部隊(duì)長(zhǎng)分子鏈尺寸，納米復(fù)合材料通常也是透明的。有學(xué)者通過試驗(yàn)說明，添加2%（重量成分）膠嶺土的聚酰亞胺與原生聚酰亞胺一樣的透明度。此外，通過進(jìn)一步研究結(jié)果表明，如果上述填量進(jìn)一步增加的話，則透明度隨之下降而逐漸變黃。

同原生聚合物比較，納米復(fù)合材料的滲透性明顯降低。其原因就是散布在聚合物晶格結(jié)構(gòu)中片狀硅酸脂層阻隔了被擴(kuò)散的分子的流動(dòng)能力，硅酸脂層存在于聚合物結(jié)構(gòu)中使擴(kuò)散分子的擴(kuò)散路徑大為增加，而且在硅酸脂周圍的網(wǎng)絡(luò)物也降低民滲透性。有些研究者介紹，聚酰胺一膠嶺土納米復(fù)合材料對(duì)水汽具有很高的阻隔性。根據(jù)某些者的研究結(jié)果表明，使用2%（重量成分）膠嶺土形成的聚酰亞胺一膠嶺土納米復(fù)合材料對(duì)于氧氣、氦氣和水汽的滲透性不足純酰亞胺的一半，可是納米微粒的功能是明顯的。

四、應(yīng)用前景

由于納米材料比一般同類材料具有更好的各種性能，因此拓寬了材料的應(yīng)用范圍。據(jù)資料介紹，多種納米聚合物復(fù)合材料開發(fā)取得成功，已經(jīng)用于汽車、船舶和機(jī)電產(chǎn)品的零部件。毫無疑問，本文介紹的納米包裝復(fù)合材料所具有的高阻隔性，將會(huì)在包裝行業(yè)得到青睞和重視，因?yàn)檫@類材料首先非常適用于所謂阻隔包裝。這種阻隔包裝應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，將使用于食品和藥品，精密機(jī)械零件、電子和電氣件等的包裝，還可用作密封蓋內(nèi)襯零件等等。據(jù)報(bào)道，聚合物納米復(fù)合材料的其他潛在應(yīng)用很多，有研究者正在開發(fā)用于飛機(jī)內(nèi)艙和燃油箱的納米復(fù)合材料，用以提高飛行的安全性和可靠性。

世界上每年消耗的金屬飲料罐用去大量的礦產(chǎn)資源。在提高金屬包裝性能的同時(shí)，努力尋求降低材料消耗和減少加工成本始終是包裝制造行業(yè)追求的目標(biāo)。飲料罐所需板材，目前已發(fā)展到所謂第三代納米級(jí)板材，鍍錫微粒直徑只是大約100納米，鍍錫體積和用量大為減少，而且這種新板容易加工成型，操作參數(shù)范圍放寬，特別是焊接密封性提高，使其成為高級(jí)金屬罐板材。另據(jù)報(bào)道，瑞典國(guó)家包裝研究所正在研究聚酰胺脂一膠嶺土納米復(fù)合材料薄膜，準(zhǔn)備用于需要長(zhǎng)貨架壽命的食品包裝。他們所用的聚合物基材是一種生物降解的半晶體熱塑性聚合物。生物可降解聚合物材料一直引起人們的關(guān)注，認(rèn)為這種材料是解決環(huán)境保護(hù)問題的一種有效的方法。為使這類材料得以在市場(chǎng)上有銷售前景，那么聚合物還得必須提高阻隔性。于是，研究者們就想到了應(yīng)用納米技術(shù)，可以通過把納米微粒（可選擇金屬的，無機(jī)的或有機(jī)的）融合到聚合物晶格結(jié)構(gòu)中的方法來達(dá)到這一目的。這樣，就使生物可降解包裝材料的應(yīng)用場(chǎng)合得以擴(kuò)大并取得良好的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。