纳米塑料包装材料的开发应用

   一、纳米塑料有着优异的性能

　　纳米塑料是无机纳米粒子（硅酸盐、碳酸钙、SiO2、TiO2、SiC、Al2O3、云母、石英粉等）以纳米级尺寸（一般为1～100nm）均匀分散在塑料母体树脂中的复合材料，也被称为聚合物基纳米复合材料。根据母体树脂不同可分类为纳米尼龙、纳米聚烯烃、纳米聚酯、纳米聚甲醛等。由于纳米粒子尺寸和彼此间距离非常近，具有独特的量子尺寸效应、表面效应、界面效应、体积效应、宏观隧道效应、小尺寸效应和超塑性，使纳米塑料具有独特的物理力学性能，已成为复合材料发展的最尖端产品之一。

     1、高强度和高耐热性

     用插层技术制备的纳米塑料可将无机物的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与聚合物的韧性、可加工性完美地结合起来。含有少量（不超过10%，通常5%左右）黏土的纳米塑料与常规玻璃纤维或矿物（30%）增强复合材料的刚性、强度、耐热性相当。但纳米塑料质轻，具有高的比强度、比模量而又不损失其冲击强度，能够有效减小制品的质量，方便运输。同时，由于纳米粒子小于可见光波长，纳米塑料具有好的光泽度和良好的透明度以及耐老化性。这些优点是其他材料无法相比的，所以纳米塑料一出现，立刻受到人们的青睐。

     2、高阻隔性

     由于聚合物基体与黏土片层的良好结合和黏土片层的平面取向作用，纳米材料表现出良好的尺寸稳定性和良好的气体阻透性。纳米塑料的高阻隔性使其广泛应用于高级包装材料，例如精制食品、药品、化妆品、生物制品和精密仪器等。

     3、高阻燃窒息性

     有些纳米材料还具有很高的自熄性、很低的热释放速率（相对聚合物本体而言）和较高的抑烟性，是理想的阻燃材料。例如把聚己内酯-硅酸盐纳米塑料和未填充的聚己内酯放在火中30s，取出后纳米塑料就停止燃烧，并保持其完整性；与此相反，未填充的聚合物则继续燃烧，直到样品被破坏为止。如纳米尼龙-6，当黏土含量为5%时，其热释放速率的峰值（评价材料火灾安全性的关键因素）可以下降到50%以上。因此，国外有文献称这种纳米塑料制造技术是塑料阻燃技术的革命。

     4、良好的热稳定性

     将硅酸盐的耐高温性用于纳米塑料，使其耐热性和热稳定性明显提高。例如聚二甲基硅氧烷（PDMS）-黏土纳米塑料和未填充的聚合物相比，其分解温度大大提高，从400℃提高到500℃。由此可知，由于PDMS分解成易挥发的环状低聚物，但纳米材料的透过性很低，从而使挥发性分解物不易扩散出去，提高了塑料的热稳定性。在聚酰亚胺-蒙脱土体系中，热稳定性也大大提高。随着蒙脱土含量的增加，纳米塑料的热膨胀系数显著降低，蒙脱土含量仅4%时热膨胀系数就下降近1/2，热稳定性明显增加。在纳米黏土尼龙（NCH）中，产物的热变形温度（HDT）提高了近1倍，此时黏土含量仅5%左右，随着黏土含量的增加，HDT也逐渐增加。

     5、良好的导电性

     电子产品、火药、弹药等产品的包装都需要进行防静电。在防静电塑料产品的开发研究上，利用纳米级的炭黑、金属粒子或金属氧化物等进行填充处理，可大大提高塑料的导电性，且使温度对纳米塑料导电性的影响变小。

二、纳米塑料产品的应用及开发新动向

     目前产量最大的纳米塑料是纳米尼龙，占绝对主导地位；其次是纳米聚烯烃；另外，还有纳米聚酯、纳米紫外固化丙烯酸酯树脂、纳米聚酰亚胺、纳米聚甲醛等。主要应用在包装、汽车和机电工业；利用纳米塑料的阻隔性可用于食品保鲜包装，延长食品保质期。值得一提的是赋予材料的阻燃性。因目前塑料添加用阻燃剂大多含卤化物，在燃烧时生成的烟雾中含有腐蚀性的卤化氢和致癌物，因此要求采用无卤阻燃材料的呼声日趋高涨，而用一般氢氧化铝、氢氧化镁无机阻燃剂时添加量太大，使材料力学性能下降过大，故采用阻燃自熄性的纳米塑料是较适宜的选择方案。

     1、 纳米尼龙

     目前，尼龙-6纳米复合物的主要应用集中于高阻隔包装。美国聚酯生产厂 Eastman 化工公司和纳米黏土供应厂Nanocor公司共同开发了用于与聚酯（PET）共挤多层吹塑用尼龙纳米复合材料Imperm，用作PET/尼龙/PET三层瓶的阻隔芯层材料，尼龙是用日本三菱瓦斯化学公司的阻隔性无定型尼龙MXD6为基础树脂，加纳米黏土后大幅降低材料气体透过率，是PET氧透过率的1/100，已用于16盎司不消毒啤酒瓶，Imperm芯层厚度占瓶层总厚的10%，Imperm与PET间不需要粘接层，也不影响瓶子要求的透明度，能保质28周。

     另一个引人注目的用于包装的纳米尼龙为美国Honeywell公司开发的Aegis OX，据称内含未公开的吸氧剂，Aegis OX中的纳米黏土作为钝化阻隔层，适量吸氧剂作为吸氧活性剂。这种由“钝化-活性”组合的材料的氧透过率是尼龙-6的1/100，氧的渗入量几乎为零。Aegis OX作为三层聚酯（PET）瓶的阻隔层材料使聚酯瓶达到啤酒4个月和果汁6个月的保质期要求，可以与玻璃瓶相媲美。这种组合技术的钝化阻隔层能防止吸氧剂过早消耗，靠纳米粒子的均匀分散使吸氧剂指向“易出现氧”的地方，提高总的阻隔效率。Honeywell 公司认为这种阻隔系统可与现有任何其他啤酒阻隔包装竞争，完全满足120天内氧的渗入量和二氧化碳泄漏量的要求，并相信通过进一步精心调整工艺，完全可达到180天的保质要求，这将推动和加快啤酒包装从玻璃瓶转向聚酯瓶的进程。

     除了啤酒瓶这个巨大市场外，德国Bayer公司正在把尼龙-6纳米复合材料用作多层流涎包装膜的芯层材料，有两个产品已在德国杜塞尔多夫的世界塑料工业展览会上展出，引起许多用户关注。UBE美国公司用尼龙-6/尼龙-66共混物制备的纳米尼龙对汽油、甲醇和有机溶剂的透过率是填充尼龙-6的1/3，已用于汽车燃油系统的共挤出多层燃油输送管道（纳米尼龙商品名为Ecobesta），也是作为多层管的芯层材料。

     2、纳米聚烯烃

     利用纳米聚丙烯的阻隔性做食品包装材料已由Clairant公司率先推出工业化产品。比利时Kabelwerk Eupen公司可以EVA（乙烯/醋酸乙烯酯共聚物）为基础树脂，用熔融共混法加入3%～5%纳米硅酸盐，能显著降低材料放热量和防止燃烧时塑料滴落，并具有良好的力学性能、耐化学腐蚀性和热稳定性，在电线、电缆工业上有良好的应用前景。

     日本JSR公司用纳米硅酸粒子与紫外固化丙烯酸树脂混合制成高强度、透明、耐磨涂料，纳米炭黑粒子与聚乙烯等树脂制备导电塑料则开发较早。另外，无机纳米抗菌剂粒子与塑料制成抗菌塑料，用于电冰箱门把手、门衬、空调器、电话、热水器、微波炉、电饭锅等制品，具有持久抗菌性。纳米硅酸盐加入聚乙烯农膜可改进其保温性。

     3、纳米PET

     PET具有较好的气体阻隔性和机械成型性，且无毒，常常以塑料薄膜和瓶的形式用于食品、饮料等的包装。但PET的阻隔性能不足以满足啤酒和某些食品包装的需要，需要进一步提高PET的阻隔性。纳米技术是提高PET阻隔性的一个行之有效的方法。据文献介绍，美国Eastman 公司已与Nanocor 公司合作开发基于PET的用于包装的纳米复合材料。Eastman公司为了改良PET包装材料，自1995年以来一直在开发热塑性塑料纳米复合材料技术。纳米复合材料含有被粉碎得极细微的黏土颗粒，当这些颗粒分散到树脂中后，其小部分可能会使树脂的强度、阻隔性和耐热性得到加强，同时保持其透明性。这两家公司希望尽快开发出用于硬式包装的第一种纳米复合材料。

     总之，纳米塑料是一种新型低成本升级换代改性塑料，应用前景十分广阔。□ 

信息来源：中国印刷港