食品包裝用PET阻光母粒的制備和性能研究

摘 要：本文以二氧化鈦（金紅石型）、炭黑、PET粉、紫外線(xiàn)吸收劑為原料，采用熔融共混工藝制備PET阻光母粒。利用分光光度儀、萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)等對(duì)制備樣品的阻光性能、力學(xué)性能等進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，阻光母粒的加入，能夠明顯提升食品包裝用PET材料的阻光性能，起到良好的光屏蔽效果；當(dāng)阻光母粒添加量在0%～15%時(shí)，隨著添加量的增大，材料的阻光性能越來(lái)越優(yōu)異，樣品的拉伸強(qiáng)度、彎曲模量、比重也有所提升。簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度隨著阻光顆粒加入量的增大而逐漸降低。此外，增大阻光母粒的添加量，還有利于改善熔體流動(dòng)速率。

關(guān)鍵詞：聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯；阻光母粒；性能

Preparation and Properties of PET Masterbatch for Food Packaging

FENG Jiawei

（Ningxia Hui Autonomous Region Yinchuan City Yongning County Product Quality Measurement Inspection and Testing Center， Yinchuan 750000， China）

Abstract： In this paper， using titanium dioxide （rutile type）， carbon black， polyethylene terephthalate （PET） powder and ultraviolet absorbent as raw materials， PET light blocking masterbatch was prepared by melt blending process. The optical resistance and mechanical properties of the prepared samples were tested by spectrophotometer and universal mechanical testing machine. The results show that the addition of light blocking masterbatch can obviously improve the light blocking performance of PET material for food packaging， and play a good light shielding effect; when the addition amount of masterbatch is 0%～15%， with the increase of the addition amount， the light resistance performance of the material is more and more excellent， and the tensile strength， bending modulus and specific gravity of the sample are also increased. The notched impact strength of the simple supported beam decreases gradually with the increase of the amount of light blocking particles. In addition， increasing the amount of light blocking masterbatch can also improve the melt flow rate.

Keywords： polyethylene terephthalate; light blocking masterbatch; property

近些年，隨著食品工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)食品包裝材料的功能性要求越來(lái)越高。聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯 （Polyethylene terephthalate，PET）作為一種常見(jiàn)的食品包裝材料，因其優(yōu)異的機(jī)械性能、耐熱性及化學(xué)穩(wěn)定性而廣泛應(yīng)用于各類(lèi)食品包裝。然而，普通PET材料對(duì)紫外線(xiàn)和可見(jiàn)光的透過(guò)率較高，無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)光敏感食品的儲(chǔ)存要求。例如，如果牛奶的包裝材料選用不當(dāng)，會(huì)使得牛奶中的乳脂肪發(fā)生氧化反應(yīng)，進(jìn)而影響食品品質(zhì)[1]。為改善PET材料的阻光性能，越來(lái)越多的研究人員致力于開(kāi)發(fā)高性能阻光母粒來(lái)解決該問(wèn)題，并已取得了階段性的進(jìn)展[2]。目前應(yīng)用較多的是以鈦白粉、無(wú)機(jī)填料以及分散劑為原料制備阻光母粒[3]，通過(guò)對(duì)母粒各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)基本符合《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品接觸材料及制品用添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》（GB 9685—2016）標(biāo)準(zhǔn)要求。還有研究提出以鋁粉、鈦白粉、炭黑等為原料來(lái)制備阻光母粒，同時(shí)為改善鈦白粉含量過(guò)高而導(dǎo)致的PET胚瓶較脆的問(wèn)題，還加入了一定量的聚丙烯（Polypropylene，PP）樹(shù)脂[4]。但是，從目前的研究成果來(lái)看，還存在制備工藝復(fù)雜，在加工中母粒分散性不佳等問(wèn)題。因此，如何在確保材料阻光性能的同時(shí)，保持其優(yōu)良的力學(xué)性能和加工性能，仍然是亟待解決的問(wèn)題[5]。

本研究以食品級(jí)炭黑、金紅石型二氧化鈦、紫外線(xiàn)吸收劑和PET粉為原料，采用熔融共混工藝制備了具有優(yōu)異阻光性能的PET母粒，并系統(tǒng)探討阻光母粒添加量對(duì)材料的阻光性能、拉伸強(qiáng)度、完全模量、簡(jiǎn)支梁缺口強(qiáng)度、比重以及熔體流動(dòng)速率的影響，為高性能食品包裝材料的開(kāi)發(fā)提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

鈦白粉（金紅石型，粒徑100～300 nm），濟(jì)南裕興化工有限公司；炭黑（食品級(jí)，粒徑為5～

15 μm），卡博特公司；UV234紫外線(xiàn)吸收劑，南京米蘭新材料有限公司；CR-8863PET基材，華潤(rùn)材料有限公司；HW-K分散劑，日本三井蠟公司；PET粉（40～80目），萬(wàn)塑源橡塑公司。

1.2 儀器與設(shè)備

TSH25型雙螺桿擠出機(jī)，南京創(chuàng)博機(jī)械設(shè)備有限公司；LMH60–SVPS型注塑機(jī)，震雄集團(tuán)；SHJ-600型高速攪拌機(jī)，張家巷市億利機(jī)械有限公司；MWD-10型萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，山東萬(wàn)辰試驗(yàn)機(jī)有限公司；ZRZ1452熔體流動(dòng)速率儀，美特斯有限公司；X-rite型分光光度儀，美國(guó)愛(ài)色麗公司。

1.3 制備方法

（1）PET阻光母粒的制備。預(yù)先將所有原料放置于真空干燥箱內(nèi)烘干，除去原料中所含的水分以及表面殘留的小分子雜質(zhì)；將干燥后的原料按照表1的配比進(jìn)行稱(chēng)量；將載體樹(shù)脂PET粉、二氧化鈦、炭黑、紫外線(xiàn)吸收劑和分散劑放置于高速攪拌機(jī)中攪拌10 min后制得混料；將混料加入擠出機(jī)中，調(diào)整擠出機(jī)溫度，擠出機(jī)溫度共設(shè)置為2段，第一熔融段溫度設(shè)置為230 ℃，第二熔融段溫度設(shè)置為240 ℃，以利于熔融和分散；將混料熔融后擠出，待擠出的熔融料穩(wěn)定后，切粒、驗(yàn)收。

（2）測(cè)試樣條的制備。將上述制備的阻光母粒與PET基材（CR-8863）進(jìn)行混合均勻，按照質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)，阻光母粒的添加量分別為0%、3%、6%、9%、12%和15%；使用注塑機(jī)制備成尺寸為100 mm×20 mm×4 mm的樣條，對(duì)樣條的阻光性能、拉伸強(qiáng)度、完全模量、簡(jiǎn)支梁缺口強(qiáng)度、比重以及熔體流動(dòng)速率進(jìn)行測(cè)試。

1.4 性能表征

熔體流動(dòng)速率按照《熱塑性塑料熔體質(zhì)量流動(dòng)速率和熔體體積流動(dòng)速率的測(cè)定》（GB/T 3682—2000）進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試溫度為230 ℃，負(fù)荷2.16 kg；拉伸強(qiáng)度按照ASTM D638-22（2022）塑料拉伸性能標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試；彎曲強(qiáng)度和彎曲模量按照《未增強(qiáng)和增強(qiáng)塑料與電氣絕緣材料彎曲性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》（ASTM D790—2017）進(jìn)行測(cè)試；簡(jiǎn)支梁缺口強(qiáng)度按照《塑料 簡(jiǎn)支梁沖擊性能的測(cè)定 第1部分 非儀器化沖擊試驗(yàn)》（GB/T 1043.1—2008）進(jìn)行測(cè)試；比重按照《塑料 非泡沫塑料密度的測(cè)定 第1部分：浸漬法、液體比重瓶法和滴定法》（GB/T 1033.1—2008）進(jìn)行測(cè)試；白度值采用反射法測(cè)試，采用美國(guó)愛(ài)色麗積分球分光光度儀X-riteColor i7，測(cè)試溫度為室溫（25 ℃）。

2 結(jié)果與分析

2.1 阻光性能分析

為評(píng)估材料的阻光性能，對(duì)添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0%、3%、6%、9%、12%和15%）的阻光母粒制備的樣品進(jìn)行了白度值和遮蓋率的測(cè)試。由表2可知，隨著阻光母粒添加量的增大，樣品的白度值逐漸降低，遮蓋率逐漸增大，當(dāng)阻光母粒添加量為15%時(shí)，遮蓋率可達(dá)100.00%，實(shí)現(xiàn)了完全阻隔光線(xiàn)透過(guò)的效果。分析認(rèn)為，本文制備的阻光母粒主要由二氧化鈦、炭黑、紫外線(xiàn)吸收劑等材料組成，而二氧化鈦為納米級(jí)，粒徑小，活性大，能夠反射、散射、吸收光線(xiàn)，從而對(duì)光具有優(yōu)異的阻隔能力。此外，二氧化鈦是一種半導(dǎo)體材料，電子結(jié)構(gòu)是由價(jià)電子帶和空軌道形成的傳導(dǎo)帶構(gòu)成，禁帶寬度約3.2 eV，對(duì)可見(jiàn)光（400～780 nm）具有較好的吸收性能；對(duì)于紫外光部分，本文應(yīng)用了紫外線(xiàn)吸收劑，其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)紫外光的良好吸收。阻光母粒添加量的增大時(shí)，體系中含有的二氧化鈦含量、炭黑、紫外線(xiàn)吸收劑等含量越高，因此對(duì)光線(xiàn)的阻隔作用越來(lái)越強(qiáng)。

2.2 力學(xué)性能分析

2.2.1 拉伸強(qiáng)度

為評(píng)估材料的力學(xué)性能，對(duì)添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0%、3%、6%、9%、12%和15%）的阻光母粒制備的樣品進(jìn)行了拉伸強(qiáng)度測(cè)試。由圖1可知，隨著阻光母粒添加量的增大，樣品的拉伸強(qiáng)度逐漸增大，未添加阻光母粒時(shí)，樣品拉伸強(qiáng)度為57.98 MPa，當(dāng)阻光顆粒添加量為15%時(shí)，樣品拉伸強(qiáng)度增大至

61.12 MPa，拉伸強(qiáng)度增大了5.42%。分析認(rèn)為，阻光母粒中含有大量的二氧化鈦材料，隨著阻光母粒添加量的增大，體系中二氧化鈦含量越來(lái)越大，而二氧化鈦本身是一種無(wú)機(jī)材料，力學(xué)性能優(yōu)異，在復(fù)合物體系中，其能與PET高分子鏈相互纏繞，形成較多物理交聯(lián)點(diǎn)，同時(shí)填料與高分子基體之間具有較好的界面結(jié)合力，使得樣品的拉伸強(qiáng)度有所上升。

2.2.2 彎曲模量

本實(shí)驗(yàn)按照ASTM D790—2017對(duì)添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0%、3%、6%、9%、12%和15%）的阻光母粒制備的樣品進(jìn)行了彎曲模量測(cè)試。由圖2可知，隨著阻光母粒添加量的增大，樣品的彎曲模量得到一定提升。未添加阻光母粒時(shí)，樣品的彎曲模量為1 693.58 MPa，當(dāng)阻光顆粒添加量為15%時(shí)，樣品的彎曲模量為2 211.55 MPa，提高了30.58%。分析認(rèn)為，二氧化鈦粒子為無(wú)機(jī)材料，具有剛性特性，隨著阻光母粒添加量的增大，體系中二氧化鈦的含量越來(lái)越高，而二氧化鈦的加入能夠提升樣品的剛性，進(jìn)而使得樣品的彎曲模量增大。

2.2.3 簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度

本文按照GB/T 1043.1—2008標(biāo)準(zhǔn)對(duì)加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0%、3%、6%、9%、12%和15%）的阻光母粒制備的樣品進(jìn)行了簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度測(cè)試。由圖3可知，阻光母粒添加量對(duì)樣品簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度有著一定影響。未添加阻光母粒時(shí)，樣品的簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度值為3.33 kJ·m-2，當(dāng)阻光母粒添加量為15%時(shí)，樣品的簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度值下降至1.90 kJ·m-2，降低了42.94%。分析認(rèn)為，隨著阻光母粒添加量的增大，體系中二氧化鈦無(wú)機(jī)粒子的含量越來(lái)越高，由于無(wú)機(jī)粒子具有一定的剛性，會(huì)導(dǎo)致體系的剛性增強(qiáng)，韌性降低，這也與上述彎曲強(qiáng)度、彎曲模量數(shù)據(jù)相互呼應(yīng)。

2.3 其他性能分析

2.3.1 比重

本文對(duì)添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0%、3%、6%、9%、12%和15%）的阻光母粒制備的樣品的比重進(jìn)行了測(cè)試。由圖4可知，隨著阻光母粒添加量的增大，樣品的比重越來(lái)越大。未添加阻光母粒時(shí)，樣品比重在1.34 g·cm-3，當(dāng)阻光母粒添加量為15%時(shí)，樣品比重增大至2.47 g·cm-3。分析認(rèn)為，二氧化鈦為無(wú)機(jī)納米粒子，材料密度在4.26 g·cm-3左右，而PET本身為高分子材料，材料密度在1.33～1.39 g·cm-3，當(dāng)阻光顆粒加入量越大時(shí)，體系中引入的二氧化鈦含量越多，因此使得樣品比重增大。

2.3.2 熔體流+i1ooz1g5pvxjT1TRq2cf2Biz3OnyJ+Q9Mc+rFgqU44=動(dòng)速率

本文按照GB/T 3682—2000對(duì)添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0%、3%、6%、9%、12%和15%）的阻光母粒制備的樣品的熔體流動(dòng)速率進(jìn)行了測(cè)試。由圖5可知，未添加阻光母粒時(shí)，PET熔體流動(dòng)速率為35.34 g/10 min，隨著阻光母粒添加量的增大，樣品熔體流動(dòng)速率也逐步提升，當(dāng)阻光母粒添加量為15%時(shí)，樣品熔體流動(dòng)速率為52.44 g/10 min?？梢?jiàn)，阻光顆粒的加入能夠有效加快體系的熔體流動(dòng)速率，更有利于注射成型。

3 結(jié)論

本文以二氧化鈦、炭黑、紫外線(xiàn)吸收劑和分散劑等為原料，采用熔融共混工藝制備PET阻光母粒，將阻光母粒加入PET基體中，能夠明顯提升體系的阻光性能，當(dāng)阻光顆粒添加量為15%時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光線(xiàn)的100%阻隔。阻光母粒添加量對(duì)樣品的力學(xué)性能有著重要影響。阻光母粒添加量在0%～15%時(shí)，隨著添加量的增大，樣品的拉伸強(qiáng)度和彎曲模量逐漸增大，而簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。阻光母粒的加入會(huì)增大樣品的比重，在未添加阻光母粒時(shí)，樣品的比重在1.34 g·cm-3，當(dāng)阻光母粒添加量為15%時(shí)，樣品比重增大至2.47 g·cm-3；另外，阻光顆粒的加入能夠有效改善體系的熔體流動(dòng)速率，當(dāng)未添加阻光母粒時(shí)，PET熔體流動(dòng)速率為35.34 g/10 min，阻光母粒添加量至15%時(shí)，樣品熔體流動(dòng)速率為52.44 g/10 min，提升了48.39%。

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作者簡(jiǎn)介：馮嘉偉（1994—），男，寧夏銀川人，本科，助理工程師。研究方向：食品相關(guān)產(chǎn)品。