塑料包装

背景

塑料包装是一种食品包装形式，由一层柔软、透明的聚合物薄膜组成，该薄膜可粘附在自身和食品容器上以形成紧密的密封。塑料通过保护食物免受空气影响并防止干燥食物吸收水分和防止湿食物失去水分来保持食物新鲜。它还可以密封气味，以防止它们传播到附近储存的其他食物中。

塑料是人造聚合物；也就是说，它们是由数千个相同种类的小分子组合成一条长链而形成的巨大分子组成的。这些小分子称为单体，将它们结合的过程称为聚合。天然聚合物包括诸如丝、等熟悉的物质 橡胶和棉花。

第一个塑料是由英国化学家亚历山大·帕克斯于 1862 年制造的，他用棉花、硝酸、硫酸、蓖麻油和樟脑生产了一种他称之为帕克辛的物质。两年后在美国，John Wesley Hyatt 改进了这种产品并将其命名为赛璐珞。赛璐珞取得了巨大的成功，被用于制造许多不同的产品，但它非常易燃。

第一种完全人造的聚合物（不同于赛璐珞，它是天然聚合物纤维素的衍生物）是胶木，它是由比利时化学家 Leo Baekeland 在 1908 年用苯酚和甲醛生产的。 20 世纪期间开发了许多其他聚合物，包括人造橡胶和尼龙等人造纤维的重要产品。

第一种用于包装的塑料是玻璃纸，这是瑞士化学家雅克·布兰登伯格 (Jacques Brandenberger) 于 1911 年发明的另一种纤维素衍生物。它具有透明的优点，早在 1924 年就被用于包装。玻璃纸是最常见的塑料薄膜形式直到 1963 年才被聚乙烯取代。

聚乙烯是英国帝国化学工业公司的研究人员于 1933 年在高温高压下将苯和乙烯混合时偶然发现的。聚乙烯最初主要用于电绝缘材料。它于 1945 年由美国的 Visking 公司首次拍成电影，并从那时起越来越受欢迎。

聚氯乙烯 (PVC) 是在二战前生产的，最初用作橡胶的劣质替代品，但直到 1950 年代才开始大量生产这种物质的薄膜。如今，PVC 用于许多不同的产品，例如管道、地板、电缆、鞋子和衣服，以及塑料包装。

聚偏二氯乙烯 (PVDC) 薄膜由陶氏化学公司在二战期间开发用于军事用途。它提供了高度的防潮保护和对油、油脂和腐蚀性化学品的抵抗力，因此它被用于包装敏感设备，如光学设备和飞机发动机部件。在 1952 年，它以熟悉的商品名称 Saran Wrap 向公众提供。

原材料

大多数家用保鲜膜由聚乙烯、PVC 或 PVDC 制成。这些聚合物都来源于简单的碳氢化合物，如甲烷或乙烯，这些碳氢化合物是从天然气或石油中生产出来的。聚乙烯直接由乙烯制成。 PVC 由氯乙烯制成，衍生自乙烯，或由乙炔制成，衍生自甲烷。 PVDC 由氯乙烯和偏二氯乙烯制成，偏二氯乙烯是 1,1,2-三氯乙烷的衍生物，而后者又衍生自乙烯或乙炔。

一些塑料薄膜，包括玻璃纸，是从纤维素中提取的，纤维素是从木浆或短绒中获得的，棉绒是在较长的棉纤维被轧棉机去除后附着在棉籽上的细小纤维。至少一种塑料薄膜（Pliofilm，固特异的商标）源自橡胶。

制造
过程

原料加工

• 1 合成聚合物所需的化学品通常来自石油。原油在熔炉中加热至约 752°F (400°C)。来自石油的蒸汽进入分馏塔，这是一个包含一系列腔室的高塔。塔底部的房间温度更高，顶部的温度更低。构成石油的各种物质以气体的形式通过腔室上升，直到它们达到变成液体的温度。由于每种物质的沸点不同，它们在不同的腔室中液化，可以分离和收集。
• 2 大多数聚合物以非常简单的低沸点碳氢化合物开始。这些物质在分馏塔中不会液化，而是以气体形式保留，可以从塔顶去除。它们也可以从天然气中获得，天然气主要是甲烷。这些化学品的另一个来源是石脑油，一种从分馏塔中获得的液态烃的混合物，比汽油重 但比重油轻。石脑油在压力下加热以将液态烃分解成更小的分子，这一过程称为裂化。添加催化剂使裂化能够在比没有催化剂时更低的温度和压力下进行。催化剂可以是天然或人造粘土（氧化铝和二氧化硅的混合物或沸石（含有铝、硅、氧和其他元素与水结合的各种矿物中的任何一种）。催化裂化通常在约932°F (500°C) 在大约 100 千帕的压力下。然后裂解石脑油以类似于分馏塔的方式蒸馏以分离其组分。

聚合

• 3 聚乙烯是由乙烯聚合而成，乙烯是通过裂解得到的。乙烯在压力室中在约 200,000 千帕的压力下在少量氧气存在下加热至约 338°F (170°C)。氧气将乙烯分解成自由基，自由基相互结合形成聚乙烯链。添加大约百分之一的非反应气体（如丙烷）以防止链变得太长。
• 4 PVC 由氯乙烯聚合而成，可通过乙炔与盐酸或乙烯与氯的混合获得。乙烯更常用，因为它可以有效地从石脑油裂解中获得。如果使用乙炔，它必须首先通过将甲烷加热到大约 2732°F (1500°C) 或通过各种其他化学反应来合成。氯乙烯与水混合并搅拌形成悬浮液，就像油和醋混合形成沙拉酱一样。加入各种悬浮剂，如淀粉和明胶，以防止混合物分离。将悬浮液的温度升至约 104°F (40°C) 或 122°F (50°C) 并加入引发剂（通常为有机过氧化物）以开始反应。氯乙烯分子相互反应形成聚氯乙烯链。将混合物冷却，在离心机中将 PVC 颗粒与水分离并在烘箱中干燥。
• 5 PVDC 由约 15% 的氯乙烯和约 85% 的偏二氯乙烯的混合物聚合而成。要生产偏二氯乙烯，首先通过将乙炔、盐酸和氯气混合，或将乙烯和氯气混合制成 1,1,2-三氯乙烷。 1,1,2-三氯乙烷然后与氢氧化钙或氢氧化钠反应生成偏二氯乙烯。 PVDC 的聚合以与 PVC 大致相同的方式进行。
• 6 聚乙烯具有天然的柔韧性，但 PVC 和 PVDC 必须添加增塑剂，否则它们会变硬变硬。各种有机和无机酯可用作增塑剂。通常将液体增塑剂缓慢喷入干燥的聚合物粉末并加热至约 302°F (150°C) 以形成均匀混合物。

制作保鲜膜

• 7 塑料包装是通过挤压制成的。在这个过程中，塑料颗粒被加热直到它们在聚乙烯的大约 212°F (100°C) 和 PVC 和 PVDC 的大约 392°F (200°C) 下熔化。然后迫使液体通过模具，形成一根温暖的、可拉伸的塑料管。定期将压缩空气吹入移动管的侧面以形成大气泡。这会将塑料拉伸到所需的厚度。薄塑料迅速冷却，气泡在金属辊之间坍塌形成薄膜。薄膜缠绕在一个大的金属辊上，形成一个可以容纳数公里塑料薄膜的卷。然后将这些卷筒上的塑料薄膜展开，切成适当的长度（通常约为 49 英尺 [15 m]）和宽度（约 1 英尺 [0.33 m]），然后重新卷到小纸板管上。 （这种滚动、展开和重新滚动往往会给保鲜膜带上轻微的负电荷，这有助于它粘附。）将保鲜膜的纸板管放在纸板箱中，纸板箱的开口处有锯齿状边缘，以便消费者可以撕下所需的长度。有些还在盒子上有一个粘性点，可以抓住塑料包装的边缘，这样它就不会粘在管子上。然后将塑料包装盒堆叠在纸箱中并运送给零售商。

质量控制

存在各种标准测试以确保塑料包装是有效的。最重要的是渗透性、抗冲击性和撕裂强度的测试。

水蒸气渗透率是通过在盘子里装满氯化钙（一种高吸水性物质）来测量的。它用塑料包装样品覆盖并称重。然后将盘子放置在温度和湿度受控的腔室中。一定时间后，再次称量盘子的重量。重量的增加表明有多少水蒸气通过了塑料。这个测试也可以通过在盘子里装满水而不是氯化钙并测量重量的减少来查看有多少水蒸气逸出来完成。这些测试在 73°F (23°C) 和 50% 的相对湿度、90°F (32°C) 和 50% 的相对湿度以及 100°F (38°C) 和相对湿度 90%。

通过在两个腔室之间放置塑料包装样品来测量气体渗透率。上腔室的压力为 100 千帕，下腔室的真空连接到装有液态汞的管子上。当上腔室中的空气通过塑料包装时，它会增加下腔室中的压力并迫使汞的水平下降。液位的变化揭示了有多少空气渗透到塑料中。

抗冲击性是通过将越来越大的重量放在测试样品上直到其中一半破裂来测量的，此时记录重量。也可以通过用沙子填充由正在测试的塑料包装制成的袋子并将它们从增加的高度掉落在坚硬的表面上直到它们爆裂来测量它。然后记录发生这种情况的高度。耐冲击性也可以通过将一个由加压空气推动的小钢球射过一张塑料包装纸并测量塑料减慢速度的程度来测量。

撕裂强度包括撕裂起始强度（开始撕裂所需的力）和撕裂传播强度（继续撕裂所需的力）。为了测量撕裂起始强度，在两个钳口之间拉动形状为浅 V 形的样品，直到它开始撕裂。选择这种不寻常的形状以提供 90 度角，从而为撕裂提供受控的起点。通过拉开包含预切缝的样品来测量撕裂传播强度。

一般来说，PVDC 比聚乙烯更强，渗透性更差，而聚乙烯的渗透性低于 PVC。

环境问题

由于塑料包装很难（如果不是不可能的话）回收并且很少重复使用，因此它确实会造成浪费。一个消费者群体，考虑到制造所需的能源和原材料、制造和处置过程中释放的废物、回收能力以及典型使用量等因素，将塑料包装评为“良好”。相比之下，可重复使用的塑料容器被评为“优秀”，塑料袋被评为“非常好”，铝箔和冷冻袋被评为“好”，冷冻纸被评为“差”。另一个问题是接触塑料包装中的某些增塑剂可能有害。这些化学物质从塑料包装中被吸收到热的和高脂肪的食物中。虽然它们从未被证明会对人类造成伤害，但已证明当大量喂给实验室动物时，增塑剂会导致癌症。 PVC 包裹可包含多达三分之一的增塑剂，PVDC 包裹包含约 10% 的增塑剂，而聚乙烯包裹通常不含增塑剂。