Análisis del mecanismo de la tecnología de envasado de alta barrera sin aluminio-

Análisis del mecanismo de la tecnología de envasado de alta barrera sin aluminio-
El 25 de marzo se inauguró en Beijing la Conferencia Anual del Foro Zhongguancun 2026. Li Xiaohong, presidente de la Academia China de Ingeniería, dio a conocer la "Frontera Global de Ingeniería 2025" en la ceremonia de apertura. La frontera global de la ingeniería en 2025 mostrará cuatro tendencias principales, y se seleccionarán un total de 94 fronteras de investigación en ingeniería y 95 fronteras de desarrollo de ingeniería en 9 campos.

Desde 2017, la Academia de Ingeniería de China ha organizado a académicos y expertos para que realicen investigaciones sobre las "fronteras globales de la ingeniería" cada año, y ha obtenido alrededor de 90 fronteras de investigación de ingeniería y alrededor de 90 fronteras de desarrollo de ingeniería a través de la extracción de datos, la interacción de expertos, la investigación y la selección de juicios de acuerdo con 9 direcciones de campo. Los resultados de la investigación se publican anualmente en chino e inglés en todo el mundo, desempeñando efectivamente el papel de orientación académica, orientación de la industria y referencia para la toma de decisiones-y han recibido una atención generalizada y una evaluación positiva de todos los ámbitos de la vida en el país y en el extranjero. Esta publicación de logros es la primera vez que la frontera de la ingeniería global aparece en el Foro de Zhongguancun.

¿Por qué la "desaluminización"?

Los envases flexibles tradicionales de alta-barrera (por ejemplo, envases Tetra Pak, películas compuestas de aluminio-plástico) dependen en gran medida de papel de aluminio o capas de revestimiento de aluminio para proporcionar barreras contra el oxígeno y el vapor de agua. Sin embargo, la presencia de capas de aluminio plantea serios desafíos de reciclaje: la estructura compuesta de aluminio, plástico y cartón es difícil de separar de manera efectiva en el proceso de reciclaje regular, y muchos recicladores prefieren manipular envases sin aluminio-. Al mismo tiempo, la producción de aluminio en sí es un proceso electroquímico de alta-energía, que requiere electrólisis de alúmina en criolita fundida, y la eficiencia energética está limitada por múltiples factores, como el potencial y las reacciones secundarias. Por lo tanto, el desarrollo de materiales de embalaje de alta barrera-libres de aluminio que puedan reemplazar la función de barrera de la capa de aluminio se ha convertido en una dirección clave que tiene en cuenta tanto el rendimiento como la sostenibilidad.

El principio básico del mecanismo de barrera.

Para comprender las alternativas-libres de aluminio, primero es necesario aclarar la naturaleza física de la "barrera". El proceso de los gases (O2, H2O) que pasan a través de la película sigue un modelo de disolución-difusión: las moléculas de gas primero se disuelven en la superficie del lado de alta-presión de la película, luego se difunden en la matriz polimérica impulsada por un gradiente de concentración y, finalmente, se desorcionan en el lado de baja-presión. Por tanto, existen dos caminos hacia la estrategia para reducir la penetración:

Reduce la solubilidad

- Elija materiales con baja afinidad con el gas objetivo;

Reducir el coeficiente de difusión.

- Aumenta la tortuosidad de la ruta de difusión molecular o reduce el volumen libre.

La razón por la cual el papel de aluminio es extremadamente barrera es porque la densa estructura reticular del metal hace que el coeficiente de difusión del gas sea cercano a cero. El desafío principal de las soluciones sin-aluminio es aproximarse a este efecto con materiales no-metálicos.

La ruta principal es la tecnología de alta barrera no-aluminizada

1. Ruta del material de barrera polimérica

EVOH (copolímero de etileno-alcohol vinílico) es uno de los materiales de barrera sin aluminio-más populares en la actualidad. El mecanismo radica en el hecho de que el grupo hidroxilo −OH en la unidad de alcohol vinílico forma una densa red intermolecular de enlaces de hidrógeno, lo que limita en gran medida el movimiento de los segmentos de la cadena polimérica, dificultando la difusión de las moléculas de oxígeno en la matriz. EVOH se utiliza a menudo como capa de barrera central de estructuras co-multicapas co-y se utiliza en envases asépticos y otros campos.

PVDC (cloruro de polivinilideno) utiliza el gran tamaño y la polaridad de los átomos de cloro para lograr una estrecha acumulación de cadenas moleculares y excelentes propiedades de barrera contra el oxígeno y el vapor de agua.

La película recubierta de PVA (alcohol polivinílico) es otra vía tecnológica. Los estudios han demostrado que se pueden obtener películas de PVA de alta-resistencia y alta-barrera mediante un método de preparación ecológico que combina extrusión de gel y estiramiento biaxial, que se espera reemplace ampliamente la capa de aluminio en los envases. Cuando se añaden rellenos nanoinorgánicos al PVA, las nanopartículas forman un "efecto laberinto" en la matriz, lo que obliga a las moléculas de gas a difundirse a lo largo de un camino más tortuoso, mejorando significativamente el rendimiento de la barrera.

2. Ruta de evaporación de óxidos inorgánicos.

La evaporación de nanocapas extremadamente finas de óxido de silicio SiOx o alúmina AlOx sobre PET, BOPP y otros sustratos es una alternativa para simular directamente el mecanismo de barrera de metal-aluminio. El principio es:

Capas delgadas de óxidos inorgánicos (generalmente de sólo unas pocas decenas de nanómetros de espesor) forman una estructura de vidrio densa y amorfa;

El cuerpo libre de esta estructura es activamente pequeño y el coeficiente de difusión del gas disminuye drásticamente;

A diferencia del papel de aluminio, los recubrimientos de SiOx son transparentes y no provocan contaminación metálica cuando se reciclan.

Vale la pena señalar que la estanqueidad al aire de los recubrimientos de evaporación de alúmina es comparable a la de los recubrimientos de óxido de silicio, y ambos pueden prepararse mediante procesos de evaporación al vacío o deposición química de vapor mejorada con plasma-(PECVD).

3. Ruta de los nanocompuestos basados ​​en celulosa-

Los nanomateriales de celulosa (por ejemplo, cristal de nanocelulosa CNC, fibra de nanocelulosa CNF) se están convirtiendo en un foco de investigación para envases sostenibles de alta-barrera. Las películas híbridas a base de celulosa-forman una capa de barrera eficiente para el oxígeno a través de una densa acumulación y redes de enlaces de hidrógeno a nanoescala. El mecanismo se puede resumir como:

A["High crystallinity of cellulose nanoparticles"] -->B["La acumulación densa en capas reduce el volumen libre"]

B -->C["La red de enlaces de hidrógeno limita el movimiento del segmento de la cadena"]

C -->D ["La ruta de difusión retorcida extiende la ruta de penetración del gas"]

D -->E ["Rendimiento de la barrera de hiperoxia"]

La ventaja de esta ruta es que las materias primas se derivan de recursos renovables y los productos son biodegradables o fácilmente reciclables.

4. Estrategia compuesta de co-extrusión multicapa

Estos materiales a menudo deben usarse junto con materiales de poliolefina con excelente sellado térmico y resistencia a la humedad. El embalaje real de alta barrera-sin aluminio suele ser una estructura de co-extrusión multi-capas con 5~9 capas, donde:

Jerarquía

Función

Materiales típicos

capa exterior

Imprimibilidad, resistencia mecánica.

PET,BOPP

capa barrera

Barrera de oxígeno/vapor de agua

EVOH, PVDC, SiO
x
Enchapado

capa de unión

combinación de capas intermedias

Poliolefina injertada con anhídrido maleico

capa interior

Sellado térmico, seguridad en contacto con alimentos

PE, CPP

El mecanismo de barrera de esta estructura multicapa es sinérgico: la contribución de barrera de cada capa se superpone en un modelo en tándem y la permeabilidad total es mucho menor que la de una sola capa de material.

La lógica del mecanismo de la ventaja de recuperación.

La ventaja del diseño-libre de aluminio desde el punto de vista del reciclaje proviene de la simplificación del sistema de materiales. El principal problema que enfrentan los envases compuestos de aluminio-plástico tradicionales en el reciclaje es que la densidad del aluminio y el plástico es cercana, la unión es fuerte y el costo de separación es alto. Las soluciones-libres de aluminio, como todas las-estructuras multicapa poliméricas o estructuras recubiertas de óxido-, pueden lograr un reciclaje más eficiente mediante:

Estructura polimérica completa: se puede fundir y reprocesar directamente, no se requiere ningún paso de separación del metal;

Recubrimiento de óxido: el recubrimiento es extremadamente delgado (nano-escala), lo que básicamente no afecta la calidad de reprocesamiento del sustrato durante el proceso de reciclaje.

Solución basada en celulosa-: compostable y completamente fuera del flujo de reciclaje de plástico.

Sin embargo, los estudios de evaluación del ciclo de vida en áreas como las baterías nuevas también nos recuerdan que los beneficios ambientales de cualquier sistema de materiales nuevo deben evaluarse a lo largo de toda la cadena, incluido el consumo de energía y las emisiones durante la fase de producción.

Resumen y limitaciones

El mecanismo principal de los envases-de alta barrera-sin aluminio es reducir la permeabilidad al gas en los enlaces clave del proceso de disolución-difusión a través de medios no-metálicos, como una red de enlaces de hidrógeno de polímero, una capa densa de óxido inorgánico y un efecto tortuoso de nanorelleno, al tiempo que se simplifica la composición del material para facilitar la recuperación.

Cabe señalar que la literatura recuperada actualmente tiene una cobertura directa limitada de este tema, y ​​la descripción anterior del mecanismo de materiales de barrera específicos (EVOH, PVDC, etc.) se basa en parte en el conocimiento general de la ciencia de los materiales en lugar del apoyo directo de la literatura específica. Si necesita tener una comprensión más profunda de una ruta técnica específica (como los parámetros del proceso de evaporación de SiOx, el mecanismo de atenuación de la barrera de EVOH en ambientes de alta humedad, etc.), se recomienda buscar más en la literatura temática relevante.. ...