复合包装材料

广义来说，复合材料包括一切双组分的结构体。以聚合物为基体的复合材料至少含有一种高分子树脂和另一种填充剂。例如，由玻璃纤维作填充剂的塑料复合材料，由于树脂和填料界面间的相互作用，使塑料的强度有惊人地增进，因此称为增强塑料，俗称玻璃钢。碳纤维、硼纤维等合成纤维，甚至金属丝也能作增强塑料的填充剂。除了纤维以外，填充剂还可以有其他形态和组成，如粉末状的碳酸钙、金属氧化物、氧化硅、石棉等。根据填充剂的种类和形态，复合材料可以具有特殊的性能。对复合材料的组成、结构、性能及加工等的研究已经形成了材料科学领域中一个独立的复合材料边缘学科，并在理论和实践中取得了飞速地发展。

复合包装材料与上述的增强塑料复合材料有些不同。复合包装材料是由层合、挤出贴面、共挤塑等技术将几种不同性能的基材结合在一起形成的一个多层结构，以满足运输、贮存、销售等对包装功能的要求及某些产品的特殊要求。当然，从广义上来说，这种多层结构也属于复合材料的范畴。例如，以前的油炸土豆片使用纸袋包装，在制作之后必须马上出售，因为潮气会使它变软，氧气会使它酸败，土豆片中的油脂会渗透到包装纸中。曾经用蜡纸改进包装纸的防潮性，这是第1个多层结构。但是单一的基材改进是非常有限的。今天炸土豆片及其他无数食品能够长距离运输并贮存几个月，这是因为多层结构形成的包装可以有效地发挥防尘、防污、阻隔气体、保持香味、透明（或不透明）、防紫外线、装潢、印刷、易于用机械加工封合等功能。许多现代包装技术，例如，真空包装、气体置换包装、封入脱氧剂包装、干燥食品包装、无菌充填包装、蒸煮包装、液体热充填包装等等都与复合包装材料的开发应用密切相关。研制新型的多功能复合材料及其包装技术是近代包装工程学科发展的一个重要方向。

现在已经开发的多层复合包装材料有纸／塑、纸／铝箔／塑、塑／塑、塑／无机氧化物／塑等许多种，其中的塑料和其他组分可以是一层或多层；可以是相同品种或不同品种。根据多层复合结构中是否含有加热时不熔化的载体（铝箔、纸等），可以将复合材料分为层合软包装复合材料和塑料复合薄膜。当然，无载体的塑料复合薄膜也可以是层合的，所以这种区分不很严格。习惯上，把多层复合的包装材料统称为层合软包装材料。但这容易与单层软包装材料混淆。美国包装协会对软包装的定义为“使用柔软性材料（纸、薄膜、铝箔和镀金属膜）的包装，这些材料通常是印刷或层合的卷筒材，它们能顺应内容物的形状”。显然，软包装的定义中也包括大量使用的单层材料。

复合包装材料还应包括复合容器和多层塑料容器。复合容器一般是指罐体与罐盖（底）用不同材料制成的罐或容器，又称组合罐。这里只介绍多层复合材料。

复合包装材料的组成

通常，可将复合包装材料分为基材、层合粘合剂、封闭物及热封合材料、印刷与保护性涂料等组分。由于在有关章节已经详细地介绍了纸、铝箔、塑料薄膜和聚合物等材料，所以，这里只就与多层复合包装有关的组分材料作一扼要介绍。

（一）基材

在一个多层复合结构中，基材通常由纸张、玻璃纸、铝箔、双轴取向聚丙烯、双向拉伸聚酯、尼龙与取向尼龙、共挤塑材料、蒸镀金属膜等构成。

1．纸张

由于纸的价格低廉、种类齐全、便于印刷粘合，能适应不同包装用途的需要，在层合材料中广泛地用作基材。

用蜡或聚偏二氯乙烯涂布的加工纸和防潮纸广泛地用于糖果、快餐、小吃和脱水食品的包装。印刷精美、用聚乙烯贴面的纸复合材料在包装和其他领域也有广泛的应用。

2．玻璃纸

玻璃纸是第1个用于包装的透明软材料。未涂布防潮树脂的玻璃纸很容易吸潮变软、变形。用于层合的玻璃纸一般在其一面或两面涂布聚偏二氯乙烯。聚偏二氯乙烯－玻璃纸－聚偏二氯乙烯／粘合剂／聚偏二氯乙烯－玻璃纸－聚偏二氯乙烯的这种对称层合结构已用于立式成型－充填－封合的糖果包装。假如上述结构中的粘合剂使用聚乙烯，则这种层合材料能形成高强度的气密性封合，可广泛地用于冰、坚果、加工肉片和禽肉类产品的充气包装、干粉产品、葵花籽、瓜子、药片等产品。为了适应不同的需要，可以用乙烯共聚物代替聚乙烯，以降低热封合温度。如果不希望透明，可在层合时使用加上白色颜料的聚乙烯薄膜。

3．铝箔及蒸镀铝材料

在层合材料中广泛地使用铝箔作阻隔层。一方面，铝箔闪光的表面和良好的印刷适性，使它成为理想的包装装潢材料，另一方面，铝箔可以较好地保持食品的风味，并可长时间保存食品。与其他软包装材料相比，铝箔对光、空气、水及其他大多气体和液体具有不渗透性，并可以高温杀菌，使产品不受氧气、日光和细菌的侵害。

厚度6．4～150μm的铝箔可用于层合软包装。用于层合的铝箔必须退火到“极软”级，退火还能除去残留的冷轧润滑油，产生一个可润湿的表面。这种表面可以用溶剂型或乳液型粘合剂极好地涂覆。由于铝箔的优良性能及许多产品的相容性，使它成为饮料、食品、医药品等产品广泛使用的复合包装基材。20世纪50年代开发的聚酯／铝箔／聚丙烯三层复合材料制成的可蒸煮包装代表了食品包装的一大进步。

为了节省铝材，可以用蒸镀铝代替铝箔。蒸镀铝可以使耗铝量降为1／300，耗能缩小20倍。蒸镀铝厚度只有10～20nm，附着力好，有优良的耐折性及韧性，并可部分透明。蒸镀铝必须有另外的基材作蒸镀铝膜的支撑材料（衬底）。适合真空镀铝的基材有玻璃纸、纸、聚氯乙烯、聚酯、拉伸聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺等。为了使蒸镀铝有较好的阻隔性，厚度应大于0．03μm并需用涂料或塑料膜保护。

4．双向拉伸热定型聚丙烯（BOPP）

由于双向拉伸聚丙烯的适应性，它已经成为层合软包装中使用最广的塑料薄膜材料。这种材料可以像玻璃纸一样被涂布，但又与玻璃纸不同，它可以与其它树脂共挤塑，生产出具有热封合性的复合结构，以满足各种不同的需要。未涂布的BOPP一般用作复合材料外层印刷组分，在其背面印刷可以提供光泽的外表面，并保护油墨不被擦掉。用PVDC涂布的BOPP能提供良好的阻隔功能并具有热封合性。由于BOPP能与其他材料共挤塑，其形成的基合结构品种非常多。

5．双轴取向热定形聚酯（BOPET）

双轴取向聚酯具有极好的尺寸稳定性、耐热性及良好的印刷适性，因而它是广泛应用的层合结构中的外层组分。

聚酯－聚偏二氯乙烯－印刷／聚乙烯（或离子键聚合物）是一个非常普通的层合材料。其中，聚烯烃可以提供热封合性。这种材料经常用作加工肉食品包装。未经PVDC涂布的同样结构，可用来包装蒸煮食品。

含有铝箔或蒸镀铝的聚酯复合结构具有优秀的阻隔性和耐热性。但这种复杂的结构加工成本较高。未涂布聚酯薄膜在制造儿童安全药品包装中起了特殊的作用。这种包装材料的结构为聚酯／压敏粘合剂／铝箔－热封合涂料。用这种材料制成的泡罩包装在取出药丸之前，必须将聚酯膜剥离。因而可以防止儿童误食药物。

6．尼龙与取向尼龙（ON）

虽然尼龙的潮气阻隔性并不好，但阻氧性能较高。如果用一种阻湿性好的材料如聚乙烯或聚偏二氯乙烯事先与尼龙层合，则可成为对氧和水蒸气阻隔性都很好的包装材料。为此，经常用挤出涂布方法将尼龙与具有阻隔潮气和热封合功能的材料复合。这种层合结构经常用来包装鲜肉及块状干酪。乙醋共聚物／尼龙／聚乙烯（或乙醋共聚物）的复合结构常作为衬袋箱的衬袋材料。

经过取向的尼龙能够提高抗拉强度和氧气阻隔性、减小延伸性和降低热成型性。取向尼龙也具有极好的抗戳穿强度，因此它常用作层合结构中的外层组分。这种结构的例子是用于立式成型－充填－封口的咖啡包装，其结构为取向尼龙－聚偏二氯乙烯－印刷／低密度聚乙烯。

7．共挤塑包装材料

聚乙烯和聚丙烯是共挤塑包装薄膜用的主要聚合物材料。这类材料具有成本低、适应性广和易加工的突出特性。低密度聚乙烯和线性低密度聚乙烯以它优良的韧性和热封性广泛地用于共挤塑结构中。高密度聚乙烯能提供隔湿性及加工性；聚丙烯可以取向拉伸，从而得到高冲击、高劲度性能，它们也常用作共挤树脂。

其它可用共挤技术制成层合结构的材料有乙烯－醋酸乙烯、乙烯－丙烯酸、乙烯－甲基丙烯酸等共聚物。由于它们具有低温热封性，常作为共挤结构的粘结层和热封合层材料，将界面结合强度低的和不能共挤的材料粘在一起。

乙烯－乙烯醇是一个能利用共挤塑技术形成多层复合包装薄膜和容器的性能优秀的阻隔性聚合物。它已经在许多软包装和半硬包装中得到应用。

（二）层合粘合剂

粘合剂的主要功能是将两种材料粘合在一起，但粘合剂常常还赋予层合材料其他的功能。为了使两种材料粘合在一起，必须使材料表面具有“可润湿性”。粘合剂必须能在基材的表面均匀流动。粘合剂对表面的润湿程度取决于粘合剂的表面张力和基材的表面能。电晕处理可以使非极性的塑料薄膜表面改性，变为极性表面，从而改变材料的表面能。当用聚乙烯和聚丙烯作基材时，因为分子的非极性，它们的表面不会被极性的粘合剂润湿，在层合和印刷时，要经过电晕处理。

下面介绍几种主要的层合粘合剂。

1．溶剂型和乳液型粘合剂

由于纸具有多孔性和亲水性可采用水基粘合剂与铝箔层合。使用的主要粘合剂是糊精、硅酸钠和酪酸／橡胶胶乳。不论是水基粘合剂还是溶剂型粘合剂都要在干燥烘道里加热除去水分或溶剂，但是，水基粘合剂是在加压层合后除去水分的，而溶剂粘合剂是在加压粘合前除去溶剂的。

2．热塑性和热固性粘合剂

广泛使用的热塑性粘合剂是增塑的醋酸乙烯－氯乙烯共聚物及乙烯－醋酸乙烯共聚物。这种粘合剂加热时软化，去掉热源时凝固；再加热时还会软化。因此用热塑性粘合剂层合的材料缺少耐热性。

软包装层合材料经常使用热固性粘合剂。两个基材结合时，粘合剂发生固化反应，使它们牢固地粘合在一起。最普通的热固性粘合剂是聚氨酯和聚酯－聚氨酯。热固性粘合剂的抗热性、抗化学性、抗渗性都可以随配方而变化。

聚偏二氯乙烯的水基乳液粘合剂已经得到了广泛的应用。这种粘合剂同时又是氧和水蒸气的阻隔层。它适用于涂履塑料、纸及纸板等基材。

3．挤塑粘合剂

如前所述，聚乙烯和乙烯共聚物是广泛应用的挤塑粘合剂。在没有铝箔原情况下，层合材料中的共挤塑乙烯层能起防潮作用。根据不同的基材、需要的强度、最终用途，可以使用的共挤塑粘合剂有聚乙烯、乙烯－丙烯酸共聚物、乙烯－甲基丙烯酸共聚物和离子键聚合物。非极性的聚乙烯与大多数层合基材的极性表面不粘附，常要在一种或两种基材上使用粘合促进剂。在挤出层合时，由于挤出温度较高，使表面分子部分氧化，形成极性结构，有利于层合。乙烯共聚物粘合剂与各种基材的粘合性都很好。

4．蜡及蜡混合物

石蜡和微品石蜡常用于不需要高粘合强度和高耐热性情况下的粘合。可以向蜡中添加低分子量聚乙烯、乙烯共聚物或其他树脂以改进粘合力、热粘性和层合材料的挺度或柔韧性。

5．其他粘合剂用可热封合聚偏二氯乙烯涂履的两个薄膜可以加热加压复合；铝箔在加热加压下可以与预先涂蜡的薄页纸粘合。在对粘合强度要求不高的时候，印刷油墨也可以作为粘合剂使用。这种技术经常用于聚乙烯－印刷－聚乙烯的香肠型包装层合材料。

（三）包装封闭物与热封合材料

封闭包装的方法有热封合、冷封合和粘合剂封合。热封合是利用多层结构中的热塑性内层组分，加热时软化封合，移掉热源就固化。蜡和热封合塑料薄膜是常用的热封合材料。在热封合薄膜中，以聚乙烯膜用的最多。由于有多种分子量、分子量分布、密度、熔融指数，所以聚乙烯膜有多个品种。随着密度增加，封合温度、耐热性、强度、挺度增加，但封合范围、透明度却降低了。多品种的聚乙烯膜为不同结构的产品包装需要提供了广阔的选择余地。乙烯共聚物的性能与聚乙烯不同，由于共聚物中可以含有一系列不同比例的共聚单体，共聚单体的含量变化，可以使透明度、封合温度、封合范围等发生变化。这些乙烯共聚物可以作为层合膜、挤出涂料或共挤塑组分用于多层结构。它们的价格比聚乙烯贵，所以只有在值得使用的多层材料中才使用。

除了上述的热封合材料外，热封合涂料和热熔融体也是常用的热封合材料。热封合涂料是以溶液或水乳液状态涂布的涂料。常用的热封合涂料有醋酸乙烯－氯乙烯共聚物、硝酸纤维素、丙烯酸系塑料或聚偏二氯乙烯。热熔融体是由各种热塑性树脂、蜡和改性剂组成的。它们作为涂料在熔融状态下涂在整个材料的表面。乙基纤维素、硝酸纤维素、乙烯－醋酸乙烯共聚物、聚酰胺是热熔融体的主要组分。

如果用改性橡胶基物质作封合材料，则不用加热只要加压就能封合，这些封合材料称为冷封合涂料或压敏胶。冷封合涂料只能自身封合而不能与其它材料封合。最常见的冷封合涂料是涂在包装袋边的边缘涂料。

粘合剂封合在多层包装中应用并不广泛，只用于含纸的包装材料。

（四）印刷与保护性涂料

多层软包装的保护性涂料可以提供下列功能：保护印刷表面、防止卷筒粘连、光泽、控制摩擦系数、热封合性、阻隔性等。涂在油墨层上的涂料可由许多不同的树脂或树脂混合物配制，并可加入添加剂。硝酸纤维素、乙基纤维素、丙烯酸系塑料、聚酰胺等树脂都可用作保护性涂料。在高度反光的铝箔或蒸镀铝上使用透明色印刷，可以使软包装具有引人注目的外观。如果透明薄膜是层合材料的外层，在膜的反面印刷，可以提供高光泽和极好的耐擦性，这是单层结构很难得到的。在透明薄膜上进行全版印刷，能够提供遮光性能，如果使用不透明色，则可以使透明的薄膜成为不透明的材料。