王麗娟　劉洪斌

(天津科技大學天津市制漿造紙重點實驗室,天津,300457)

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液體復合包裝原紙板生產工藝的研究進展

王麗娟劉洪斌*

(天津科技大學天津市制漿造紙重點實驗室,天津,300457)

摘要：綜述了目前國內外液體復合包裝材料的發(fā)展狀況、生產原紙板的漿料選擇、生產過程的施膠工藝及原紙板的層間結合強度的控制,為我國自主生產液體復合包裝原紙板提供借鑒。

關鍵詞：液體復合包裝原紙；漿料；施膠；層間結合強度

液體復合包裝紙是一種具有高強度、低成本、高附加值的多層結構紙板[1]。因其具有安全、環(huán)保等特點,已作為包裝材料廣泛應用于食品、藥品、化妝品等諸多領域。液體復合包裝紙的結構如圖1所示,由表及里主要分為6層：第一層為低密度聚乙烯層(外PE層),用作保護印刷涂層；第二層為原紙板,是液體復合包裝紙的主要組成部分；第三層為層間PE層,作為紙板和鋁箔之間的黏合層；第四層為鋁箔,是保護食品的功能層；第五層為黏合劑；第六層為內PE層,直接與液體接觸[2-3]。紙板在液體復合包裝紙中所占比例最高,如“磚型”利樂包中紙板所占比例為73%,因而其強度、施膠等性能對液體復合包裝紙有重要影響。由于液體復合包裝原紙板的生產具有原料價格低、技術要求高、產品利潤大的特點,因此近年來在國內外備受關注。

圖1　液體包裝紙的結構

1液體復合包裝材料國內外發(fā)展現(xiàn)狀

液體復合包裝材料的開發(fā)始于20世紀50年代,20世紀60年代用于商業(yè)化生產和供應,其需求量在國內外包裝市場中快速增長。采用無菌紙盒包裝的液體飲料可在常溫下保鮮6個月以上,因此近年來液體復合包裝材料已成為牛奶、果汁、飲料、藥劑等包裝的主流形式。近年來,歐洲、美國等發(fā)達國家的液體復合包裝材料的需求量在同類包裝中占65%以上,并且平均每年以5%的速度增長[4]。2013年世界液體復合包裝紙的總消費量為300萬t,市場規(guī)模達到11.4億美元,預計至2020年,將以每年3.5%的速度增長[5]。圖2所示為世界主要地區(qū)2012—2016年液體復合包裝材料需求量的復合年增長率[6],其中亞洲、非洲的復合年增長率高達8%,而歐洲、美洲由于液體復合包裝材料的使用已經較為普遍,因此其復合年增長率較低,東歐、西歐分別為4%、2%,南美、北美分別為3%、1%。我國液體復合包裝材料用量僅占國內同類包裝的5%,與世界水平仍有很大差距。

圖2　2012—2016年世界不同地區(qū)液體復合包裝材料的復合年增長率[6]

目前國際市場生產液體復合包裝材料的公司主要有歐洲的Tetra pak(即利樂包)、美國的Purpak和德國的SIG康美包 (SIG Combibloc),三者分別約占全球市場總消費量的75%、8%、15%,亞洲僅有日本、印尼等幾個國家少量生產[7]。我國液體復合包裝材料仍主要依賴于進口,但隨著需求量的增加,國內企業(yè)逐步引進液體復合包裝原紙的生產線,萬國太陽紙業(yè)、紅塔仁恒紙業(yè)、利樂華新(佛山)、晨鳴[8]、亞太森博(山東)等企業(yè)均先后投產液體包裝材料,從而推動液體包裝材料在國內液體食品包裝領域的發(fā)展。此外,維美德也在積極開發(fā)以桉木為原料生產高檔液體包裝紙板的技術,該紙機建成后年產量將達到45萬t。

但目前國內造紙行業(yè)自主生產無菌液體復合包裝原紙板的各項技術指標還未達到軟包裝紙板的要求,因此,不斷研究和進一步完善液體復合包裝原紙板的生產工藝,對我國自主生產液體復合包裝材料具有重要意義。

2原紙板的研究

2.1原紙板的基本性能

液體復合包裝原紙板通常分為三層,定量為180～300 g/m2[9],當原紙板定量為210 g/m2時,其面層、芯層、底層定量分別為50、120、40 g/m2。由于液體復合包裝原紙板在后續(xù)加工過程中需要經過復合、印刷、打孔、折疊成形、過氧化氫浸涂、高溫瞬間消毒、粘合等處理工序[10],并且要保證所貯存的食物短期內不變質、運輸過程中包裝材料自身不損壞,因此,原紙板必須具有較高的物理強度和表面性能。表1為液體復合包裝原紙板的物理性能要求[1]。從表1可知，原紙板的挺度應高于3.5 mN·m,松厚度在1.3～3.5 cm3/g范圍內,從而賦予其較強的抗壓能力,抗張強度為18～19 N·m/g,層間結合強度應高于150 J/m2[11]。在對原紙板打折痕的過程中,為保證折角處受力均勻,不易受到破壞而出現(xiàn)液體滲漏現(xiàn)象,其縱橫強度比應控制在較低范圍內(小于1∶2.6)。為滿足印刷要求,原紙板的白度應在60%～80%范圍內,粗糙度為1.5～3.5 μm。此外,為使液體復合包裝原紙板具有抵抗液體滲透的能力,其施膠度(Cobb值(60 s))應小于30 g/m2,邊吸水值不超過0.8 H2O2kg/m2[12-13]。因此,研究者須選擇適當?shù)臐{料種類及配比,采用適宜的施膠,提高原紙板的層間結合強度,從而滿足液體復合包裝原紙板的物理性能及表面強度。

表1　液體復合包裝原紙板的物理性能要求

2.2原料的選擇

圖3　液體復合包裝紙原紙板結構

為達到食品包裝的安全標準,液體復合包裝原紙板均采用原生纖維作原料,漿料游離度(CSF)為425～500 mL。根據(jù)原紙板單層性能的要求不同,所用纖維原料種類各有差異,面層主要采用50%針葉木硫酸鹽漿和50%闊葉木硫酸鹽漿,較長的纖維用來提高強度,而短纖維則用來增加勻度和平整性,從而達到所需的印刷性能和強度,部分企業(yè)采用漂白硫酸鹽漿生產原紙板面層以達到更高的白度；芯層可采用硫酸鹽漿和機械漿的混合漿,用量分別為55%～65%和35%～45%,機械漿木素含量高,能提高原紙板的松厚度和彎曲挺度；底層則采用硫酸鹽針葉木漿和闊葉木漿,用量均為50%,其主要目的在于提高紙板的物理強度，其結構圖見圖3[14]。

劉晏等人[15-16]用斯堪的納維亞云杉化學熱磨機械漿(SCAN云杉CTMP)與漂白硫酸鹽松木漿(松木BKP)配抄定量為240 g/m2的三層紙板,松木BKP用作面層和底層,SCAN云杉CTMP與松木BKP按一定配比混合用作芯層。研究表明當SCAN云杉CTMP配用量為45%～48%時,原紙板的松厚度為1.55 cm3/g,結合強度為184.59 J/m2,彎曲挺度達到16.0 mN·m,白度為78.8%,表明SCAN云杉CTMP與松木BKP可抄造出符合要求的紙板芯層。Rafik Allem等人[17]以不同種類高得率漿(HYP)與硫酸鹽漿混合用作紙板芯層,研究表明單獨使用加拿大針葉木 HYP、歐洲針葉木HYP、大洋洲針葉木HYP時,三者的松厚度約為1.62～1.64 cm3/g,抗張強度約為38～43 N·m/g,但用加拿大針葉木 HYP與10%闊葉木 HYP混合,能有效改善紙張松厚度和抗張強度：紙張的松厚度增加至1.68 cm3/g,抗張強度提高至51 N·m/g。

2.3原紙板的施膠

液體復合包裝原紙板在液體貯存和運輸過程中,須具備抵抗液體滲透的能力,因此,施膠程度對其有重要影響。根據(jù)產品對包裝材料的需求不同,將采用不同的施膠工藝[18]?！拔蓓敗毙桶b材料其產品貯存時間較短,無需經過高溫(110～115℃)過氧化氫滅菌處理,因而采用烷基烯酮二聚體(AKD)單獨施膠[19],AKD用量為2.0～3.5 kg/t(對絕干漿),施膠系統(tǒng)的pH值為6.5～7.2；無菌液體復合包裝原紙板不僅須具備抗水性,還須抵抗過氧化氫的滲透,否則會產生鼓包現(xiàn)象,因此采用AKD和松香膠雙元施膠系統(tǒng),AKD用量為0.7～3.5 kg/t(對絕干漿),松香膠用量為2.0～10.0 kg/t(對絕干漿),施膠系統(tǒng)的pH值為6.0～6.2。此外在施膠過程中,需加入少量留著劑來提高AKD和松香膠的施膠效率[20]。

畢衍金等人[13]在食品包裝原紙板施膠工藝的研究中,采用AKD與陽離子分散松香膠雙元施膠系統(tǒng),pH值控制在7.0～7.2范圍內,實驗結果表明當AKD用量為0.40%、陽離子松香膠用量為0.30%時,生產的原紙過氧化氫邊滲透為0.65～0.75 kg/m2,能夠達到液體包裝原紙板對過氧化氫邊吸水的指標要求(≤0.8 H2O2kg/m2),且復合過程反映良好。Ken-ich Ito等人[21]以漂白硫酸鹽闊葉木漿為原料,用松香酯作施膠劑,添加適量硫酸鋁、碳酸鈣,抄造定量為60 g/m2的紙,采用Stockigt法通過測定紙張的施膠度,對松香酯-硫酸鋁施膠系統(tǒng)中施膠劑和鋁離子的留著性進行了研究,實驗結果表明當pH值為6、硫酸鋁用量為2%、松香酯用量為2%(對絕干漿)時,施膠度最理想，為27 s。任建華等人[22]單獨使用AKD作為特種包裝紙的施膠劑,實驗結果表明當AKD 加入量為0.15%～0.25%時,紙張的Cobb值能達到24.0 g/m2。

2.4多層紙板的層間結合強度

層間結合強度是液體復合包裝原紙板的一項重要質量指標,它對原紙板的印刷性能、制盒性能具有直接影響?？梢酝ㄟ^以下幾種方法增加多層紙板的層間結合強度：①減小各層紙料打漿度的差異,將其控制在3～5°SR范圍內；②正確控制紙機的抄紙工藝,如流漿箱漿濃、伏輥和壓榨輥壓力；③使用化學品增加層間結合強度,如噴淋淀粉、助留劑等[23]。

劉志華等人[24]以針葉木漿、闊葉木漿和化學熱磨機械漿為原料抄造定量為200 g/m2紙板,以陰離子聚丙烯酰胺(APMP)為助留劑,研究了助留劑對多層紙板層間結合強度的影響,研究發(fā)現(xiàn)助留劑能增加多層紙板的層間結合強度,當APMP用量為0.05%時,紙板層間結合強度增加1倍多。Jeong Yong Ryu等人[25]采用漂白硫酸鹽針葉木漿抄造定量為200 g/m2的雙層紙板,研究了天然玉米淀粉(NCS)和兩種氧化玉米淀粉(OCS1和OCS2)對紙板層間結合強度的影響,實驗結果表明當NCS噴淋量為1.5 g/m2,濕紙幅的干度約為10%時,紙板的內結合強度達到最大值(350 kJ/m2),后續(xù)紙幅干燥過程中,干燥溫度為80℃時,內結合強度最大為400 kJ/m2；此外,實驗采用三組分單純中心設計技術對3種不同淀粉(NCS,OCS1,OCS2)混合使用的增強效果進行了評價,當NCS、OCS1和OCS2用量比為6∶5∶4時效果最好。

4結論與展望

國內包裝市場對液體復合包裝材料的需求量不斷增長,但近年來仍過度依賴于國外生產技術和設備,缺乏自主生產能力,因此,進一步研究液體復合包裝原紙板的漿料組成、施膠劑的選用及其適當配比、層間結合強度,完善原紙板的生產工藝,具有廣闊的市場前景及巨大的經濟利潤。目前國內企業(yè)已逐步進軍液體復合包裝材料領域,但生產技術和產品各項指標仍未滿足液體包裝紙板的要求,企業(yè)及科研工作者們仍需投入更多力量開發(fā)液體復合包裝原紙板。

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(責任編輯：馬忻)

The Research Progress of Production Technology of Liquid Packaging Board

WANG Li-juanLIU Hong-bin*

(TianjinKeyLabofPulpandPaper,TianjinUniversityofScienceandTechnology,Tianjin, 300457)

(*E-mail: hongbin@tust.edu.cn)

Abstract：Liquid packaging board (LPB) is the top quality packaging board. In recent years, LPB has become an important liquid packaging with its low material cost, high profit margin and environmentally friendly properties. The demand of LPB is increasing rapidly. In China, LPB products mainly rely on importing from Europe or America because the limited production capacity. In this paper, the significance of developing LPB was described, and the development situation of LPB at home and abroad, the selection of pulp materials, the sizing process and internal bond strength of LPB were summarized.

Key words：Liquid packaging board； pulp； sizing； internal bond strength

*通信作者：劉洪斌先生，E-mail:hongbin@tust.edu.cn。

收稿日期：2015- 09-21(修改稿)

中圖分類號：TS

文獻標識碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.02.010

作者簡介：王麗娟女士，在讀碩士研究生；研究方向：加工紙與特種紙。

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