Барьерная функция органического наномонтмориллонита в мономатериальной пластиковой упаковке
I. Барьеры из одного материала более экологичны и пригодны для вторичной переработки.
Европейская организация экономики замкнутого цикла по упаковке мягкой упаковки (CEFLEX) прямо заявляет в своих Рекомендациях по проектированию экономики замкнутого цикла, что пластиковые упаковочные материалы должны производиться с использованием как можно большего количества отдельных материалов, чтобы повысить эффективность переработки и возможность вторичной переработки. «Нестле» и Coca-Cola четко заявили о своем стремлении обеспечить 100% перерабатываемую или многоразовую упаковку. Это подразумевает переход от конструкций из нескольких материалов к конструкциям из одного материала, что не только соответствует будущим экологическим нормам, но и повышает эффективность переработки.
По сравнению с многослойной композитной упаковкой конструкции из одного материала часто обладают более слабыми барьерными свойствами. Поэтому обеспечение того, чтобы упаковка сохраняла хорошие характеристики и одновременно отвечала экологическим требованиям, стало критически важной проблемой. Чтобы решить эту проблему, в пластиковой упаковке часто используется несколько различных барьерных методов для повышения барьерных характеристик.
II. Современные барьерные методы в пластиковой упаковке
1. Методы нанесения покрытия (например, алюминиевое покрытие, покрытие SiO₂ и т. д.)
Путем нанесения слоя металла или неорганического материала на поверхность пластика формируется барьерный слой. Слои с алюминиевым покрытием обладают превосходными газо- и влагонепроницаемыми свойствами и обычно используются в упаковке пищевых продуктов для продления срока хранения. Неорганические покрытия, такие как SiO₂, обеспечивают дополнительные барьерные свойства для кислорода и влаги. Этот метод покрытия можно применять только к промежуточным слоям, при этом для внутренних слоев требуются термосвариваемые слои, а для внешних слоев — композитные печатные слои. Для каждого слоя используются разные материалы, что затрудняет переработку и повторное использование.
2. Метод совместной экструзии композитов (например, ПВДХ, EVOH, PA, ПВА и т. д.)
Этот метод предполагает соэкструдирование различных материалов в расплавленном состоянии с образованием многослойной структуры. EVOH (сополимер этилена и винилацетата) — широко используемый материал с высоким барьером против кислорода, широко применяемый в упаковке пищевых продуктов. PA (нейлон) обладает хорошими маслонепроницаемыми свойствами и часто используется в упаковке продуктов с высоким содержанием жиров. ПВДХ и ПВС также обеспечивают превосходные газо- и влагонепроницаемые свойства. Такая барьерная упаковка обычно состоит из 3–9 слоев различных материалов, совместно экструдированных для достижения барьерных и упаковочных функций. Однако из-за различий в материалах их переработка и повторное использование затруднены.
3. Метод смешивания (добавление неорганических материалов)
Этот метод предлагает отличную альтернативу. За счет включения в пластиковую матрицу неорганических материалов, таких как монтмориллонит, силикаты и наноматериалы, повышается жесткость и термостойкость материала, а также улучшаются его барьерные свойства. Эти наноразмерные неорганические материалы хорошо сочетаются с пластиковой матрицей и легко поддаются вторичной переработке.
III. Барьерная функция органического нано - монтмориллонита в упаковке
Монтмориллонит (ММТ) представляет собой природный слоистый гидратированный силикоалюминатный минерал, каждая пластинка которого имеет толщину примерно 1 нм и диапазон размеров 1–1000 нм. Его структурная формула: (Al,Mg)₂ SiO₁₀ ₂·nH₂O. Из-за нестабильности алюминия в октаэдре оксида алюминия он легко замещается атомами более низкой валентности, что приводит к возникновению определенного отрицательного заряда между соседними слоями. Для поддержания стабильности межслоевой структуры отрицательный заряд притягивает окружающие катионы, такие как Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+ и K+, тем самым придавая монтмориллониту катионообменную способность и сильную адсорбционную способность.
После смешивания с полимерами его кристаллическая структура легко отслаивается, в результате чего образуется плотная слоистая структура с высоким соотношением сторон. Это увеличивает длину пути проникновения газа через высокомолекулярные полимеры и удлиняет время проникновения газа. Слоистая структура толщиной 1 нм заставляет газ и влагу «делать 300 обходных путей», одновременно ее наноэффекты ограничивают движение полимерных цепей, усиливают межмолекулярные взаимодействия, усиливают силу сцепления полимера, увеличивают плотность упаковки молекулярных цепей и значительно улучшают барьерные свойства материала.
IV. Методы обработки и применения органического наномонтмориллонита
Монтмориллонит должен пройти два процесса для достижения наноразмерной дисперсии внутри полимеров. Только тщательно диспергированные и равномерно распределенные наносиликатные слои могут обеспечить оптимальные характеристики.
1. Очищенный монтмориллонит подвергается реакциям интеркаляции с образованием органического наномонтмориллонита.
Неорганический монтморилонит имеет межслоевые расстояния примерно 1–1,5 нм, а его слои укладываются в десятки штук из-за электростатических сил, что делает невозможным диспергирование каждого нанослоя по отдельности. Только посредством реакций интеркаляции (обычно требующих 30–40% интеркаляционного агента) межслоевое расстояние монтмориллонита может быть увеличено до 2–4 нм, превращая его в органический наномонтмориллонит. Это уменьшает поверхностную свободную энергию материала и меняет его гидрофильность на липофильность, обеспечивая лучшее диспергирование внутри полимеров.
2. Интеркалированный монтмориллонит должен пройти сдвиговую обработку с использованием двухшнекового экструдера для достижения полной нанодисперсии.
Для достижения оптимального диспергирования и расслаивания органического монтмориллонита при смешивании термопластичных композитов рекомендуется использовать двухшнековый экструдер сонаправленного вращения или смеситель BUSS. Во время экструзионного смешивания целесообразно выбирать комбинации шнеков с максимально возможным соотношением длины к диаметру (>40L/D) и модулями резьбы, способными обеспечить высокую дисперсию. Чтобы избежать уплотнения, лучше всего добавлять его в расплавленный полимер через устройство боковой подачи.
При диспергировании в двухшнековом экструдере следует проявлять осторожность, чтобы не «сжать» органический монтмориллонит слишком сильно, чтобы предотвратить агломерацию. Лучше всего использовать шнековые элементы смешивания дисперсии. Перегрев может привести к снижению производительности продукта и образованию запахов. Чрезмерный нагрев может вызвать образование дыма в головке, а чрезвычайно высокие скорости сдвига в экструдере также могут привести к повторной агломерации и снижению производительности.
Рекомендуется сначала переработать монтмориллонит в маточную смесь, прежде чем использовать ее для нанесения пленки методом отливки или раздувом: 30–50% предварительной смеси маточной смеси монтмориллонита (сначала обрабатывается партиями, затем диспергируется в двухшнековом экструдере или производится посредством диспергирования с боковой подачей, с соответствующим добавлением прививочных добавок и диспергирующих добавок).
V. Применение органического наномонтмориллонита в упаковочной промышленности
1. Электронная упаковка
2. Промышленность надувная
Упаковочная промышленность Органический наномонтмориллонит, новый тип функционального материала, продемонстрировал сильный барьерный потенциал в индустрии пластиковой упаковки. Благодаря постоянному технологическому прогрессу монтмориллонит может стать важным компонентом высокоэффективных упаковочных материалов, удовлетворяя растущий рыночный спрос.
Следует отметить, что компания YINSU Flame Retardant специализируется на разработке и производстве экологически чистых антипиренов. Ее продукт K100 представляет собой органический наномонтмориллонитовый антипирен с превосходными характеристиками. K100 не только повышает огнестойкость пластиковых упаковочных материалов, но также сохраняет механические свойства и технологичность материалов. Это идеальный выбор для достижения огнестойкости и барьерных функций в пластиковой упаковке из одного материала. благодаря постоянному развитию концепций экологичной упаковки Ожидается, что продукт YINSU Flame Retardant K100 будет играть более значительную роль в области упаковки.
