Анализ на механизма на технология за опаковане-без алуминий с висока бариера

Анализ на механизма на технология за опаковане-без алуминий с висока бариера
На 25 март годишната конференция на форума Zhongguancun 2026 беше открита в Пекин. Li Xiaohong, президент на Китайската академия по инженерство, пусна „2025 Global Engineering Frontier“ на церемонията по откриването. Глобалната инженерна граница през 2025 г. ще покаже четири основни тенденции и общо 94 граници на инженерни изследвания и 95 граници на инженерно развитие ще бъдат избрани в 9 области.

От 2017 г. насам Китайската инженерна академия организира академици и експерти да извършват изследвания на „глобалните инженерни граници“ всяка година и е получила около 90 инженерни изследователски граници и около 90 инженерни граници на развитие чрез извличане на данни, експертно взаимодействие, изследване и избор на преценка според 9 полеви направления. Резултатите от изследването се публикуват ежегодно на китайски и английски за света, като ефективно играят ролята на академични насоки, насоки в индустрията и-вземане на решения и получиха широко внимание и положителна оценка от всички сфери на живота у дома и в чужбина. Това издание на постижение е първият път, когато глобалната инженерна граница се появява на форума Zhongguancun

Защо "деалуминизация"?

Традиционните гъвкави опаковки с висока -бариера (напр. опаковки Tetra Pak, алуминиево-пластмасово композитно фолио) разчитат до голяма степен на алуминиево фолио или слоеве от алуминиево покритие, за да осигурят бариери за кислород и водна пара. Наличието на алуминиеви слоеве обаче поставя сериозни предизвикателства при рециклирането – композитната структура от алуминий, пластмаса и картон е трудно да се раздели ефективно в редовния процес на рециклиране и много рециклиращи предприятия предпочитат да боравят с-безалуминиеви опаковки. В същото време самото производство на алуминий е електрохимичен процес с висока-енергия, който изисква електролиза на алуминиев оксид в разтопен криолит, а енергийната ефективност е ограничена от множество фактори, като потенциални и странични реакции. Поради това разработването на опаковъчни материали с висока-бариера без-алуминий, които могат да заменят бариерната функция на алуминиевия слой, се превърна в ключова посока, която взема предвид както производителността, така и устойчивостта.

Основният принцип на бариерния механизъм

За да се разберат алтернативите без{0}}алуминий, първо е необходимо да се изясни физическата природа на „бариерата“. Процесът на газове (O2, H2O), преминаващи през филма, следва модел на-дифузия на разтваряне: газовите молекули първо се разтварят на повърхността на страната с високо-налягане на филма, след това дифундират в полимерната матрица, задвижвана от градиент на концентрация, и накрая десорбция от страната на ниско-налягане. Следователно има два пътя към стратегията за намаляване на проникването:

Намалява разтворимостта

- Изберете материали с нисък афинитет към целевия газ;

Намалете коефициента на дифузия

- Увеличете извивката на пътя на молекулярната дифузия или намалете свободния обем.

Причината, поради която алуминиевото фолио е изключително бариера, е, че плътната решетъчна структура на метала прави коефициента на дифузия на газа близо до нула. Основното предизвикателство на решенията без-алуминий е да се сближи този ефект с не-металните материали.

Основният път е не{0}}алуминизирана технология с висока бариера

1. Маршрут на полимерния бариерен материал

EVOH (съполимер на етилен-винил алкохол) е един от най-популярните бариерни материали без -алуминий в момента. Механизмът се крие във факта, че хидроксилната група -OH в единицата на виниловия алкохол образува плътна междумолекулна мрежа от водородни връзки, което значително ограничава движението на сегментите на полимерната верига, което затруднява дифузията на кислородните молекули в матрицата. EVOH често се използва като основен бариерен слой на много-слойни ко-екструдирани структури и се използва в асептични опаковки и други области.

PVDC (поливинилиден хлорид) използва големия размер и полярността на хлорните атоми, за да постигне плътно натрупване на молекулна верига и отлични бариерни свойства срещу кислород и водна пара.

Филмът с покритие от PVA (поливинилов алкохол) е друг технологичен път. Проучванията показват, че PVA филми с висока -якост и висока{2}}бариера могат да бъдат получени чрез метод за зелено приготвяне, комбиниращ екструдиране на гел и двуосно разтягане, което се очаква широко да замени алуминиевия слой в опаковките. Когато към PVA се добавят нанонеорганични пълнители, наночастиците образуват "ефект на лабиринт" в матрицата, принуждавайки газовите молекули да дифундират по по-криволичещ път, което значително подобрява работата на бариерата.

2. Път на изпаряване на неорганичен оксид

Изпаряването на изключително тънки нанослоеве от силициев оксид SiOx или алуминиев оксид AlOx върху PET, BOPP и други субстрати е алтернатива за директно симулиране на метал-алуминиевия бариерен механизъм. Принципът е:

Тънки слоеве от неорганични оксиди (обикновено с дебелина само няколко десетки нанометра) образуват плътна аморфна стъклена структура;

Свободното тяло на тази структура е активно малко и коефициентът на дифузия на газа рязко намалява;

За разлика от алуминиевото фолио, SiOx покритията са прозрачни и не причиняват замърсяване на метала при рециклиране.

Заслужава да се отбележи, че въздухонепропускливостта на покритията от изпаряване на двуалуминиев оксид е сравнима с тази на покритията от силициев оксид и двете могат да бъдат получени чрез вакуумно изпаряване или процеси с -усилено плазмено химическо отлагане на пари (PECVD).

3. Нанокомпозитен път-на базата на целулоза

Целулозните наноматериали (напр. наноцелулозни кристали CNC, наноцелулозни влакна CNF) се превръщат в изследователска гореща точка за устойчиви високо-бариерни опаковки. Хибридните филми на базата на целулоза образуват ефективен бариерен слой за кислород чрез плътно натрупване и мрежи за водородни връзки в наноразмер. Механизмът може да се обобщи като:

A["High crystallinity of cellulose nanoparticles"] -->B["Плътно наслоено натрупване намалява свободния обем"]

B -->C["Мрежата от водородни връзки ограничава движението на сегмента на веригата"]

C -->D [„Усуканият път на дифузия разширява пътя на проникване на газ“]

D -->E ["Ефективност на бариерата при хипероксия"]

Предимството на този маршрут е, че суровините са извлечени от възобновяеми ресурси и продуктите са биоразградими или лесно рециклируеми.

4. Стратегия за много-ко-композитна екструзия

Тези материали често трябва да се използват заедно с полиолефинови материали с отлично топлинно запечатване и устойчивост на влага. Действителната-несъдържаща алуминий опаковка с висока бариера обикновено е много{2}}слойна ко-екструдирана структура с 5~9 слоя, където:

Йерархия

функция

Типични материали

Външен слой

Възможност за печат, механична якост

PET, BOPP

Бариерен слой

Бариера за кислород/водна пара

EVOH,PVDC,SiO
x
Покритие

Свързващ слой

Комбинация от междинни слоеве

Полиолефин с присаден малеинов анхидрид

Вътрешен слой

Термично запечатване, безопасност при контакт с храни

PE, CPP

Бариерният механизъм на тази многослойна структура е синергичен – приносът на бариерата на всеки слой се наслагва върху тандемен модел и общата пропускливост е много по-ниска от тази на един слой материал.

Логиката на механизма на предимството на възстановяването

Предимството на дизайна без{0}}алуминий от страна на рециклирането идва от опростяването на системата от материали. Основният проблем, с който се сблъскват традиционните алуминиеви-пластмасови композитни опаковки при рециклирането, е, че плътността на алуминия и пластмасата е близка и връзката е силна, а разходите за разделяне са високи. Решенията без-алуминий, като всички-полимерни многослойни структури или структури с-оксидно покритие, могат да постигнат по-ефективно рециклиране чрез:

Пълна полимерна структура: може директно да се разтопи и преработи, не е необходима стъпка за разделяне на метала;

Оксидно покритие: Покритието е изключително тънко (нано-мащаб), което по принцип не влияе върху качеството на повторната обработка на субстрата по време на процеса на рециклиране.

Решение на базата на целулоза: компостируемо и напълно извън потока за рециклиране на пластмаса.

Въпреки това, проучванията за оценка на жизнения цикъл в области като нови батерии също ни напомнят, че екологичните ползи от всяка нова материална система трябва да бъдат оценени по цялата верига, включително консумацията на енергия и емисиите по време на производствената фаза.

Резюме и ограничения

Основният механизъм на опаковките с-висока{1}}бариера без алуминий е да намали пропускливостта на газ в ключовите връзки на процеса на-дифузия на разтваряне чрез не-метални средства, като мрежа от полимерни водородни връзки, плътен слой от неорганичен оксид и изкривяващ ефект на нанопълнител, като същевременно опростява състава на материала, за да улесни възстановяването.

Трябва да се отбележи, че текущата извлечена литература има ограничено пряко покритие на тази тема и горното описание на механизма на специфични бариерни материали (EVOH, PVDC и т.н.) отчасти разчита на общи познания по материалознание, а не на пряка подкрепа от специфична литература. Ако трябва да имате по-задълбочено разбиране на конкретен технически път (като параметри на процеса на изпаряване на SiOx, механизъм за отслабване на бариерата на EVOH в среда с висока влажност и т.н.), препоръчваме ви да потърсите допълнително в съответната тематична литература. ...