具有阻隔紫外线功能透明塑料材料在食品包装上的应用研究

具有阻隔紫外线功能透明塑料材料在食品包装上的应用研究 具有阻隔紫外线功能透明塑料材料在食品 包装上的应用研究 贯兆阳具有阻隔紫外线功能透明塑料材料在食品包装上的应用研究 具有阻隔紫外线功能透明塑料材料在食品包装上的应用研究 1紫外线 贾兆阳 (天津科技大学,天津300222) 摘要:紫外线是电磁辐射的一种,对商品特别是食品和纤维类产品的性能品质有着 很大的影响. 因此,防紫外线包装成为重要的包装技术,而其材料是关键所在,开发既透明又能 防止紫外线的包装 材料,更具有重要的意义.介绍了紫外线对塑料包装材料及食品损坏的影响,透明 包装的意义,并介 绍了可吸收紫外线的透明包装材料的制备. 关键词:紫外线;透明;遮光包装 中图分类号:TB484.3;TB485.9文献标识码:A文章编号:1001—3563(2006)06— 0031—03 ApplicationofTransparentUVObstructingPlasticinFood-packaging jIAZhao—yang (TianjinUniversityofScienceandTechnology-Tianjin300222,China) Abstract:Asakindofelectromagneticradiations,theUltravioletrayhasgreateffectsonmany goods, especiallyonfunctionandqualityoffoodandfibreproducts.Therefore,ithavebecomeimpor tantpackaging techniqueofkeepingtheuhravioletrayfrom,andthematerialisthekey,particularlyhavingfu nctionsboth transparencyandanti— UVpackaging.ThisarticlesummarizedtheinfluenceofUVtoplasticpackagingmate— rialsandfoods,overviewthemeaningoftransparentpackaging,andintroduceshowtomaketr ansparent packagingmaterialtoabsorbingUV. Keywords:ultravioletrays;transparent;anti—lightpackage 来自于太阳的紫外光线,大约是波长400,lOOnm的电磁 波,具有较高的能量,可对有机物质造成破坏,所以紫外线可被 用来杀菌.地球上的生命之所以能够生存,是因为大气层阻挡 了大部分的紫外辐射线,仅有一小部分大约为280—380nm的 辐射线到达地球表面. 紫外线分为:近紫外线,远紫外线,超短紫外线,其波长范 围见表1: 表1紫外线波长范围 Tab.1WavelengthrangeofUVlight 名称波长范围/nm 近紫外线 远紫外线 超短紫外线 400—315 315,280 2801OO 紫外线具有杀菌效果,而以波长在250—280nm的紫外线 尤其有效,早就广泛应用于食品工业.但是紫外线9射在商品 上,由于其高能量作用,会使高分子材料老化,也会使食品中的 油脂发生氧化,色素发生分解,导致食品变质腐败或使纤维制 品(如棉布纺织物)发生的老化褪色,则会使商品品质下降,影 响销售,减少收益. 2光线对塑料包装材料和食品的影响 光对塑料的影响是比较大的.日光中的紫外线对塑料的 损害最大,紫外线足可以引起几乎所有塑料的自动氧化反应, 也足以引起大多数树脂分子链的断链. 塑料的光老化实际上是光和氧这2种作用的一系列复杂 反应的结果,因此这一过程又称光氧化或光老化降解.对大多 数聚合物而言,光氧化存在着一定的规律,它经历了链引发一 链增长一链终止这3个阶段的连锁反应. 某些激发态分子可能引起一系列反应,使聚合物的破坏加 剧,发生缓慢的光氧化反应.光氧化反应开始较慢,首先是产 生游离基,然后是交联及断链.由于环境中氧的存在,使产生 的游离基与之结合生成过氧化物,并进而产生羟基,羰基和醛 基等.由于氧化作用产生发色基团,故塑料的颜色发生变化; 收稿日期:2006-10—10 作者简介:贾兆阳(1980一),男,黑龙江人,天津科技大学在读研究生,主要研究方向 为包装材料. 包装工程PACKAGINGENGINEERINGVo1.27No.62006.12 表面出现裂纹,机械性能下降,电性能变坏等.于是塑料的使 用寿命缩短,见表2. 褒2几种化学键的键能与相应波长的关系 Tab.2Theenergyofseveralchemicalbonds andrelativewavelength 从表可看出有机化合物的键能通常在293.1,418.7kJ! mol,故很易为紫外线所破坏.此外由于聚合物长期暴露在大 气中,经常受到气温影响,日晒雨淋以及臭氧,氧气,二氧化碳, 硫化氢等的作用,故老化更加迅速,见表3. 表3不同塑料对光的敏感波长 Tab.3Thesensitivewavelengthofdifferentplastics 不仅如此,透过薄膜的紫外线对食品品质及营养成分的影 响也是很大的,它会引发并加速食品中营养成分的分解,造成 食品的变质.光线中对食品破坏程度最大的是可见光谱中波 长较短(450—500rim)的光线,对食品中各种成分之间起催化 反应作用最大J. 光线引发并加速食品中营养成分的分解,发生食品腐败变 质反应,主要表现在以下4个方面-1]. (1)促使食品中油脂的氧化反应而发生氧化性酸败.花 生油试验结果有助于了解光线在脂肪含量很高的食品上的作 用,在光线9酲射下的花生油试样与避光保存的试样相比其氧化 反应的速度高出150倍,所以在光线照射下,很短时间花生油 的质量就会因氧化变质,而达到不能容忍的程度. (2)使食品中的色素发生化学变化而变色:光线使植物性 食品中的绿,黄,红色及肉类食品中的红色发暗或变成褐色. (3)引起维生素和色素的破坏,并与其他物质发生不良的 化学变化.光线尤其是波长在300nm以下紫外线部分对色素 32 分解的影响最为显着:如在天然色素中叶绿素和类胡萝卜素, 是一种在光照下较易分解的色素;茶叶中大量的抗坏血酸(即 维生素c)对光线是很不稳定的,很容易被氧化成胶氧抗坏血 酸,进,步与氨基酸结合发生色素反应,使茶叶味道恶化;而波 长在415,455nm之间的光线对核黄素是特别有害的等. (4)引起食品中蛋白质和氨基酸的变性.食品中的蛋白 质(如酪蛋白等)在光照下,会大量遭到破坏.氨基酸中的色 氨酸,胱氨酸,甲硫氨酸等在日光照射下,会因光分解而受到破 坏损失. 3透明塑料包装材料的特点 采用透明塑料制造的容器和薄膜袋,对商品具有良好的展 示效果,对于提高顾客的商品购买欲有极大的影响,深受广大 消费者的喜爱,成为流行和有效的包装形式.但其易透过紫外 线又成为它的一大缺陷,阻碍了它的使用范围的扩大.因此开 发研究可吸收紫外线的透明包装材料,具有紧迫性和重大意 义.如25m的LDPE的透光率曲线: 图lLDPE透光牢曲线 Fig.1TransparentCHIVeofLDPE (11111) 从图中可以看到:LDPE对240nm以下的紫外线阻隔性迅 速上升,对200nm的紫外光的阻隔率约90%,而对800— 400nm的光线其透过率为86.719—76.326%,变化不大,但这 些透过的光线却足以使被包装食品加速腐败变质,缩短保质 期,进而降低其货架寿命. 4避光包装及试验 光线对透明塑料包装材料及食品营养成分的影响是很大 的,它会引起高分子材料中大多数树脂分子链的断链而破坏有 机化合物,并且引发及加速食品中营养成分的分解,造成食品 的变质.利用包装材料对一定波长范围内光波的阻隔性,防止 了光线对包装食品的影响,选用的包装材料既不失对内装食品 的可视性,又能阻挡紫外线等对食品的影响.例如:能阻挡 400nm以下光的包装材料,适用于油脂食品包装,用在含有类 胡萝卜素及花色素类的食品也有效. 贾兆阳具有阻隔紫外线功能透明塑料材料在食品包装上的应用研究 4.1阻隔紫外线的方法 要实现防止紫外线的包装,目前国内外采用的主要方法如 下: (1)在包装材料内加入颜料,其他助剂或采用真空镀铝薄 膜.例如,在塑料包装材料中加入颜料,使其颜色变深,或在包 装塑料中加入纳米材料,使其对紫外线等具有较强的阻隔性 能. (2)包装表面着色或印刷.在塑料材料表面进行着色,涂 布遮光层,或进行深色印刷,也就是实现遮光及阻隔光线对包 装物的直接照射. (3)在包装材料中加入紫外线吸收剂或光屏蔽剂.在包 装材料加工过程中,直接将紫外线吸收剂或光屏蔽剂加入,使 制造出的包装材料具有吸收某波长光或阻挡光透过的特性. 前2种方法或完全遮光或透明性下降,为了达到既截止紫 外线又阻隔可见光中波长较短部分光线,同时又具有透明的性 能,可采取添加紫外线吸收剂或同时添加抗氧剂,着色剂的方 法加以解决. 4.2紫外线吸收剂及颜料助剂 1)紫外线吸收剂的加入能改善材料的耐老化性能并延长 内容物如食品的货架寿命.紫外线吸收剂有两大类:有机化合 物紫外吸收剂和无机超微粒子紫外吸收剂.前者使用较早且 广泛,而后者为纳米科学技术发展的产物,历史较短但具有优 势和发展前途. (1)将有机紫外线吸收剂溶解在定量的ig,~U内,和预先调 配好的粘合剂溶液混合在一起,以涂料形式涂覆在薄膜上.这 样,粘合剂涂层就成为种复合基材,使紫外线吸收剂不完全 暴露在表面,从而发挥防止紫外线照射的功能,且不会接触内 容物,符合食品包装法规的规定. (2)将有机紫外线吸收剂添加在高聚物中,然后制成透明 塑料薄膜. (3)将无机超微粒紫外线吸收剂制成涂料涂覆在基材上 形成复合材料,使之具有吸收紫外线的功能,并保持基材的透 明性. 2)添加适合于塑料制品的着色颜料,控制其着色浓度,保 持薄膜的透明性.可用于塑料着色的颜料有偶氮颜料,酞菁颜 料及部分无机类颜料. 4.3试验' 1)试验原料.LDPE:1F7B,北京燕山石油化工有限公 司; 紫外线吸收剂:天津天大天海科技发展有限公司产紫外线 吸收剂. 联苯胺黄:颜料索引号:颜料黄12 2)薄膜制备.(1)将LDPE与0.3%的紫外线吸收剂掺 混后,以白油作为分散剂,用布拉本德单螺杆挤出机造粒,吹 膜,薄膜厚度为25Ixm.(2)将LDPE与0.3%的紫外线吸收剂 及0.02%的联苯胺黄掺混后,以白油作为分散剂,使用布拉本 德单螺杆挤出机造粒,吹膜,薄膜厚度为25Ixm.(3)透光性测 量.采用UV一2550岛津紫外可见分光光度仪测量薄膜的透 光性,见图1—3. (1ira) 图2LDPE与(to(LDPE):?(紫外线吸收剂)=100:0.3)透光率曲线 Fig.2TransparentcurveofLDPEwithorwithoutUVabsorbent 分析:图2是LDPE素白膜与100:0.3比例添加紫外线 吸收剂的LDPE光线透过率曲线,从图中可以看到紫外线吸收 剂的添加对400nm以下,尤其是400—270nm波长的光线有明 显的阻隔作用,而这段波长的光线产生的能量恰恰是有机物化 学键容易断裂的范围,若能更加有效地阻隔这段波长,则对延 长高分子有机物的寿命及保持各种机械性能起到积极的作用, 同时对很多色素的分解起到延缓的作用.但是,我们看到仍有 390—500nm波长的光线以很高的比率透过添加紫外线吸收剂 的LDPE膜,这部分光线仍会促使食品的变质,造成食品中营 养成分的分解. nln1 图3LDPE(?(LDPE):?(联苯胺黄)=100:0.02)与(?(LDPE) ?(联苯胺黄):?(紫外线吸收剂)=100:0.02:0.3)透光率曲线 Fig.3TransparentcurveofLDPEwith difierentkindsofUVabSOrbent 分析:图3是LDPE素白膜与添加了100:0.3g(紫外线吸 收剂):0.02g联苯胺黄的LDPE及100:0.3(紫外线吸收剂) 的LDPE光线透过率曲线,与图2比较,可以清晰看出LDPE薄 膜在添加了黄色颜料后,在原有添加紫外线吸收剂的基础上, 对400—270nm紫外线的阻隔性更强,并且希望看到的对390 — 500nm波长的光线也有一定的阻隔性,虽然阻隔性不是很 强,但却证明了在保持薄膜透光性的基础上,进一步阻隔了这 段波长的光线透过包装薄膜,使其起到包装保护同时,又具有 可观察到包装物的透明效果的功能.(下转第39页) 33 周美丽等聚合单体对制备SiO高阻隔性薄膜性能的影响 压比是l:2.SEM显示,聚合膜均呈现均匀的密堆积状态, SiO以团聚粒子的形式聚合成膜,其粒径在几十纳米左右,即 微观结构显示由紧密粒子堆积而成.表面形貌发现,采用 TMDSO为单体制备的薄膜表面颗粒大小均匀,致密,而HMD- sO为单体准备的薄膜表面的颗粒均匀的程度较差.阻隔性测 试结果表明,薄膜b的阻隔性要比薄膜a好,这表明沉积的颗 粒均匀好则薄膜阻隔性也好. aHMDSO为单体bTMDSO为单体 图7等离子体沉积氧化硅薄膜的SEM照片 Fig,7SEMimageofplasmadepositedsiliconoxide 2结语 无论是采用HMDSO还是TMDSO为单体,不论功率的升 高还是氧气的增加都有利于沉积纯度高,阻隔性好的氧化硅薄 膜.随着掺氧含塞的增加,薄膜的阻隔性先是提高然后降低. 实验发现不同的单体在制备氧化硅薄膜时的最佳工艺不同,从 红外光谱图分析发现,HMDSO的成膜速度要低于TMDSO的 沉积速率;对阳隔性TMDSO单体在功率为200W,掺氧比与单 体的比例为2:1,工作气压20Pa时,薄膜的表面比较平整,颗 粒均匀,阻隔性较好.而对HMDSO为单体,功率是200W,掺 氧与单体比是1:1时,薄膜的阻隔性较好. 致谢:本课题受到北京市教委基金,北京印刷学院引进人才基金资助 在此表示感谢! 参考文献: [1]SCHWARzJ,SCHMIDTM,OHIA.SynthesisofPlasma-polymer- izedHexamefhvldisi10ne(HMDSO)FihusbyMicrowave1)ischarge [J].Surface&Coating~Technology.1998,(98):859—864. f2]THEIRICHlJ.SOLLCh,LEUF,eta1.IntermediateGasPhase PrecursorsDuringPlasmaCVDofHMDSO[J].DTheirichetal. 2003,(71):349—359. [3]TAKAOMIMatsutani,TATSUYAAsanuma,I,IUChang,eta1.Depr ositionofSiOFilmsbyLow-energyIon-beamInducedChemicalVa- porDepositionUsingHxamethyldisilane[J].Surfaceai'ldCoatings Technology,2004,(177178):365—368. [4]GOUJONAMB,BELMONI'EAT,HENRION(.OESandIR DiagnosticsofHMDSO/O2GasMixturesforSiODepositionAssisted byRFPlasma[J].Surface&Coatingsl'echnology.2004:5一l1. [5]SHIFrankF.RecentAdvancesinPolymerThinFilmsPreparedby PlasmaPolymerizationSynthesis,StructuralCharacterization,Proper- tiesandApplk'ations[J].SurfaceandCoatingsTechnology,1996, (82):1—15. [6]HADDOWDB,STEE1EDA,ShooRDetal.Plasma2Polymer- izaedSurfacesforCultureofHumanKeratinocytesandTransferof CellstoaninVitroWound2bedModelJ1.JBiomedMaterRes, 2003,(64)A:80—87. [7]KUCHENMEISTERF,BOTTCHERM.ConductivePolymersforMi- ero-electronicPackaging:ChipBondingtoPolymerFilms[J].Polym AdvTechnol,1998,(9):806 [8]JOBANPUTRAManishC,DURSTOCKMichaelF,CLARSONSte- phenJ.InvestigationofPlasmaPolymerizedBenzeneandFuranThin FilmsforApplicationinOpto?electronicDevices[J].JournalofAp— pliedPolymerScience.2003,(87):523—528. [9]刘湘宁.等离子体聚合膜的合成与结构特点及应用进展[J].化 学工业与工程,1999,(16):26. .鬟,审',:. (上接第33页) 5结语 紫外线对商品特别是食品的破坏作用日益被人们所认识, 防光线破坏包装显示出越来越大的作用,成为一种非常重要的 包装技术,而要达到这一目标的关键在于包装材料的发展,可 吸收紫外线透明包装材料将成为一个研究的热点,发挥更大的 作用,同时,研究针对不同包装物品如食品的包装材料也将成 为一个重要的发展方向. 参考文献: [1]章建浩+食品包装大全[M].北京:中国轻工业出版社,2000. [2]刘战辉.复合纳米=.氧化钛催化剂的制备及研究[D].东南大 学硕士学位.(余不详) [3]向贤伟.具有吸收紫外线功能的透包装材料研究【J].中圈包 装,2002,(3). [4]王亚彬.包装材料透光性测试及改善方法[J].出口商品包装, 2004,(9). [5]陈昌杰.塑料包装薄膜的选用原则[J].出n商品包装,2004, (8). [6]杜明.食品包装学[M].北京:中国农业出版社,1993. [7]杨国文.塑料助剂作用原理[M].成都:成都科技大学f_l_{版神, l991. [8]向贤伟.食品包装技术[M]长沙:国防科技大学出版社,2002. [9]根赫特R,米勒H.塑料添加剂手册[M].北京:化学工业出版 社,2000. 39