Анализ механизма технологии высокобарьерной упаковки, не содержащей-алюминия

Анализ механизма технологии высокобарьерной упаковки, не содержащей-алюминия
25 марта в Пекине открылась ежегодная конференция Форума Чжунгуаньцунь 2026 года. Ли Сяохун, президент Китайской инженерной академии, на церемонии открытия представил «Глобальный инженерный рубеж 2025 года». Глобальный фронтир инженерных исследований в 2025 году продемонстрирует четыре основные тенденции: всего будет выбрано 94 фронтира инженерных исследований и 95 фронтиров инженерных разработок в 9 областях.

С 2017 года Китайская инженерная академия ежегодно организовывает академиков и экспертов для проведения исследований по «глобальным инженерным рубежам» и получила около 90 границ инженерных исследований и около 90 границ инженерных разработок посредством интеллектуального анализа данных, взаимодействия экспертов, исследований и выбора суждений в соответствии с 9 областями направлений. Результаты исследований ежегодно публикуются по всему миру на китайском и английском языках, эффективно играя роль академического руководства, отраслевого руководства и справочной информации для принятия решений-, и получили широкое внимание и положительную оценку со стороны всех слоев общества в стране и за рубежом. Этот выпуск достижений — первый случай, когда глобальный инженерный фронтир появился на форуме Чжунгуаньцунь.

Почему «деалюминирование»?

Традиционная гибкая упаковка с высокими-барьерными свойствами (например, упаковка Tetra Pak, алюминиевая-композитная пленка из пластика) в значительной степени зависит от слоев алюминиевой фольги или алюминиевого покрытия, обеспечивающих защиту от кислорода и водяного пара. Однако наличие слоев алюминия создает серьезные проблемы при переработке: композитную структуру алюминия, пластика и картона трудно эффективно разделить в обычном процессе переработки, и многие переработчики предпочитают обращаться с упаковкой,-не содержащей алюминия. В то же время производство алюминия само по себе представляет собой высокоэнергетический электрохимический процесс, который требует электролиза глинозема в расплавленном криолите, а энергоэффективность ограничивается множеством факторов, таких как потенциал и побочные реакции. Поэтому разработка «безалюминиевых» высокобарьерных упаковочных материалов, которые могут заменить барьерную функцию алюминиевого слоя, стала ключевым направлением, учитывающим как эксплуатационные характеристики, так и экологичность.

Основной принцип барьерного механизма

Чтобы понять альтернативы,-без алюминия, сначала необходимо выяснить физическую природу «барьера». Процесс прохождения газов (O2, H2O) через пленку соответствует модели растворения-диффузии: молекулы газа сначала растворяются на поверхности пленки с высоким-давлением, затем диффундируют в полимерную матрицу под воздействием градиента концентрации и, наконец, десорбируются на стороне низкого-давления. Таким образом, существует два пути реализации стратегии сокращения проникновения:

Снижает растворимость

- Выбирайте материалы с низким сродством к целевому газу;

Уменьшите коэффициент диффузии

- Увеличьте извилистость пути молекулярной диффузии или уменьшите свободный объем.

Причина, по которой алюминиевая фольга чрезвычайно барьерна, заключается в том, что плотная решетчатая структура металла делает коэффициент диффузии газа близким к нулю. Основная задача решений,-не содержащих алюминия, – приблизить этот эффект к не-металлическим материалам.

Основной путь — не-неалюминизированные высокобарьерные технологии.

1. Маршрут полимерного барьерного материала

EVOH (сополимер этилена-винилового спирта) в настоящее время является одним из самых популярных барьерных материалов,-не содержащих алюминия. Механизм заключается в том, что гидроксильная группа -ОН в звене винилового спирта образует плотную сеть межмолекулярных водородных связей, что сильно ограничивает движение сегментов полимерной цепи, затрудняя диффузию молекул кислорода в матрице. EVOH часто используется в качестве внутреннего барьерного слоя много-со-соэкструзионных структур, а также в асептической упаковке и других областях.

ПВДХ (поливинилиденхлорид) использует большой размер и полярность атомов хлора для достижения плотного накопления молекулярных цепей и превосходных барьерных свойств против кислорода и водяного пара.

Пленка с покрытием ПВА (поливиниловый спирт) – еще один технологический путь. Исследования показали, что высоко-прочные и высоко-барьерные ПВС-пленки могут быть получены с помощью метода сырой подготовки, сочетающего экструзию геля и двухосное растяжение, который, как ожидается, широко заменит алюминиевый слой в упаковке. Когда к ПВС добавляются нанонеорганические наполнители, наночастицы образуют в матрице «лабиринтный эффект», заставляя молекулы газа диффундировать по более извилистому пути, что значительно улучшает барьерные характеристики.

2. Путь испарения неорганических оксидов.

Испарение чрезвычайно тонких нанослоев оксида кремния SiOx или оксида алюминия AlOx на ПЭТ, БОПП и других подложках является альтернативой непосредственному моделированию механизма барьера металл-алюминий. Принцип таков:

Тонкие слои неорганических оксидов (обычно толщиной всего несколько десятков нанометров) образуют плотную структуру аморфного стекла;

Свободное тело этой структуры активно мало, и коэффициент диффузии газа резко уменьшается;

В отличие от алюминиевой фольги, покрытия SiOx прозрачны и не вызывают загрязнения металлом при переработке.

Стоит отметить, что воздухонепроницаемость покрытий, полученных методом испарения оксида алюминия, сравнима с герметичностью покрытий из оксида кремния, и оба могут быть изготовлены с помощью вакуумного испарения или процессов -химического осаждения из паровой фазы (PECVD).

3. Нанокомпозитный маршрут-на основе целлюлозы

Целлюлозные наноматериалы (например, кристаллы наноцеллюлозы CNC, наноцеллюлозные волокна CNF) становятся горячей точкой исследований в области устойчивой высоко-барьерной упаковки. Гибридные пленки на основе целлюлозы- образуют эффективный барьерный слой для кислорода за счет плотного накопления и сетей водородных связей на наноуровне. Этот механизм можно резюмировать следующим образом:

A["High crystallinity of cellulose nanoparticles"] -->B["Плотное послойное накопление уменьшает свободный объем"]

B -->C["Сеть водородных связей ограничивает движение сегмента цепи"]

C -->D [«Извилистый путь диффузии расширяет путь проникновения газа»]

D -->E ["Эффективность барьера гипероксии"]

Преимущество этого маршрута заключается в том, что сырье получается из возобновляемых ресурсов, а продукты биоразлагаемы или легко перерабатываются.

4. Стратегия много-ко-композиционной экструзии

Эти материалы часто необходимо использовать в сочетании с полиолефиновыми материалами, обладающими превосходной термосвариваемостью и влагостойкостью. Фактическая высокобарьерная упаковка,-не содержащая алюминия, обычно представляет собой много-ко-соэкструзионную структуру с 5–9 слоями, где:

Иерархия

Функция

Типичные материалы

Внешний слой

Печатные свойства, механическая прочность

ПЭТ, БОПП

Барьерный слой

Барьер кислорода/водяного пара

ЭВОН, ПВДХ, SiO
x
Покрытие

Соединительный слой

Межслойная комбинация

Полиолефин с привитым малеиновым ангидридом

Внутренний слой

Термосваривание, безопасность контакта с пищевыми продуктами

ПЭ, КПП

Барьерный механизм этой многослойной структуры является синергетическим – барьерный вклад каждого слоя накладывается на тандемную модель, а общая проницаемость намного ниже, чем у одного слоя материала.

Логика механизма восстановления преимущества

Преимущество конструкции,-без алюминия с точки зрения переработки, заключается в упрощении системы материалов. Основная проблема, с которой сталкивается традиционная алюминиевая-композитная упаковка при переработке, заключается в том, что плотность алюминия и пластика близка, связь прочная, а стоимость разделения высока. Решения,-не содержащие алюминия, такие как полностью-полимерные многослойные конструкции или конструкции с оксидным-покрытием, позволяют добиться более эффективной переработки за счет:

Полная полимерная структура: может быть непосредственно расплавлена ​​и переработана, этап отделения металла не требуется;

Оксидное покрытие: покрытие чрезвычайно тонкое (нано-), что практически не влияет на качество повторной обработки подложки в процессе переработки.

Решение на основе целлюлозы-: подлежит компостированию и полностью не подлежит переработке пластика.

Однако исследования по оценке жизненного цикла в таких областях, как новые батареи, также напоминают нам, что экологические преимущества любой новой материальной системы необходимо оценивать на протяжении всей цепочки, включая потребление энергии и выбросы на этапе производства.

Резюме и ограничения

Основной механизм -высокобарьерной-упаковки, не содержащей алюминия, заключается в уменьшении газопроницаемости в ключевых звеньях процесса растворения-диффузии с помощью не-металлических средств, таких как сеть водородных связей полимера, плотный слой неорганического оксида и извилистый эффект нанонаполнителя, а также упрощение состава материала для облегчения восстановления.

Следует отметить, что полученная в настоящее время литература ограниченно освещает эту тему напрямую, а приведенное выше описание механизма конкретных барьерных материалов (EVOH, PVDC и т. д.) частично опирается на общие знания материаловедения, а не на прямую поддержку из конкретной литературы. Если вам необходимо более глубокое понимание конкретного технического маршрута (например, параметров процесса испарения SiOx, механизма барьерного ослабления EVOH в среде с высокой влажностью и т. д.), рекомендуется дополнительно поискать соответствующую тематическую литературу. ...