高性能食品保鲜膜：锁鲜封香的材料与工艺
背景
保鲜膜是一种食品包装薄膜，由柔韧透明聚合物制成，能自粘并贴合容器形成密封。它隔绝空气保鲜，防干货吸湿、湿货失水，亦封锁异味防止串味。
塑料属人造高分子——成千上万同类小分子（单体）聚合成长链。聚合过程即单体聚合。天然高分子包括丝、橡胶、棉花。
1862年英国化学家亚历山大·帕克斯用棉花、硝酸、硫酸、蓖麻油、樟脑制得“帕克辛”，为首塑。两年后美国约翰·韦斯利·海亚特改良命名“赛璐珞”，大获成功广泛应用，但极易燃。
1908年比利时化学家利奥·贝克兰用苯酚与甲醛合成首个完全人造聚合物“贝克莱特”（区别于源自天然纤维素的赛璐珞）。20世纪开发出众多聚合物，含合成橡胶、尼龙等重要产品。
首用于包装的塑料为赛洛凡，1911年瑞士化学家雅克·布兰登伯格发明，系纤维素衍生物。透明优势使其1924年起用于包装，至1963年被聚乙烯超越前一直为主流塑料薄膜。
聚乙烯1933年英国ICI研究员高温高压混合苯乙烯偶然发现。早期主作电绝缘材料。1945年美国Visking公司首制薄膜，此后普及。
聚氯乙烯（PVC）二战前问世，初作劣质橡胶替代品，1950年代始量产薄膜。现广泛用于管材、地板、电缆、鞋、服装及保鲜膜。
聚偏二氯乙烯（PVDC）薄膜二战期间陶氏化学为军用开发，高阻湿、耐油脂腐蚀，用于包装光学器件、航发部件等敏感装备。1952年以“莎兰膜”商标面向公众。
原材料
家用保鲜膜多为聚乙烯、PVC、PVDC。均源自甲烷、乙烯等简单烃类，衍生自天然气或石油。聚乙烯直接由乙烯聚合。PVC由氯乙烯（乙烯衍生）或乙炔（甲烷衍生）制得。PVDC由氯乙烯与偏二氯乙烯（1,1,2-三氯乙烷衍生，溯源乙烯/乙炔）聚合。
部分薄膜含赛洛凡等纤维素基材，纤维素取自木浆或棉短绒（轧棉后残留于种子的微细纤维）。至少一种薄膜（普利欧膜，固特异商标）源自橡胶。
制造工艺
原料预处理
- 1 合成聚合物所需化学品通常源自石油。原油在炉中加热至约400℃（752°F）。油气进入分馏塔——含分室的高塔。塔底温高塔顶温低。石油组分以气态上升至各自沸点液化分室，因沸点不同分离收集。
- 2 大多聚合物起始于低沸点简烃，不在分馏塔液化，以气态自塔顶逸出，亦可自天然气（主成分甲烷）获取。另一来源为石脑油——分馏塔得的液态烃混合物，比汽油重、比重油轻。石脑油加压加热裂解为小分子，即催化裂解。催化剂为天然/人造粘土（氧化铝硅酸盐或沸石——含铝硅氧水等矿物）。催化裂解典型条件500℃（932°F）、100千帕。裂解石脑油再经类似分馏精馏分离组分。
聚合反应
- 3 聚乙烯由裂解乙烯聚合。乙烯在高压釜中加热至约170℃（338°F）、200,000千帕，微量氧引发自由基链式聚合。约1%惰性气体（如丙烷）限制链长。
- 4 PVC由氯乙烯聚合。氯乙烯可由乙炔+盐酸或乙烯+氯气得，后者因裂解石脑油高效获取乙烯更常用。乙炔路线需先将甲烷热解至1500℃（2732°F）或其它合成。氯乙烯与水搅拌成悬浊液（如油醋调沙拉酱），加淀粉/明胶等悬浮剂防分层。升温至40-50℃（104-122°F），加入有机过氧化物引发剂启动反应。氯乙烯分子聚合成PVC链。冷却后离心分离烘干得PVC颗粒。
- 5 PVDC由约15%氯乙烯与85%偏二氯乙烯共聚。偏二氯乙烯制法：先以乙炔+盐酸+氯气或乙烯+氯气得1,1,2-三氯乙烷，再经氢氧化钙/钠反应得偏二氯乙烯。聚合过程同PVC。
- 6 聚乙烯天然柔韧，PVC/PVDC须加增塑剂否则硬脆。各类有机无机酯可作增塑剂。通常液体增塑剂缓慢喷入干粉聚合物，加热至150℃（302°F）均匀混合。
吹膜成型
- 7 保鲜膜经挤出吹膜成型。塑料颗粒熔融（聚乙烯约100℃/212°F，PVC/PVDC约200℃/392°F），经模头挤出成热拉伸管。定间隔压缩空气吹入管侧鼓大气泡，拉伸至目标薄度。薄膜急冷，气泡经金属辊压扁成膜。膜卷绕大金属辊成可容数公里的大卷。再展开、切割至标准长（约15米/49英尺）、宽（约0.33米/1英尺），复卷于小纸管。（反复卷展赋予轻微负静电助自粘）纸管装入带锯齿缺口的纸盒，消费者可撕取所需长度。部分盒口设粘点防膜粘回纸管。纸盒装箱发运零售。
质量控制
标准测试确保保鲜膜有效。核心指标为透过性、冲击强度、撕裂强度。
水蒸气透过率测试：皿装氯化钙（强吸水剂），覆膜称重，置恒温恒湿箱。定时后复称，增重即透过水蒸气量。亦可装水测减重。测试条件：23℃/50%RH、32℃/50%RH、38℃/90%RH。
气体透过率：膜夹两室，上室100千帕，下室真空接汞管。上室气体透膜增压推低汞柱，汞位变化反映透气量。
冲击强度：递增重锤落膜至半数破坏记录重量。或装沙袋跌落硬面至破裂记录高度。或压缩空气推钢球穿膜测减速度。
撕裂强度含起裂强度（启动撕裂力）与延展强度（延续撕裂力）。浅V型试样夹持拉伸至起裂，90°角提供可控起裂点。预切口试样拉伸测延展强度。
总体PVDC强度最高透过性最低，聚乙烯次之，PVC最弱。
环境议题
保鲜膜难回收、极少复用，构成废弃物。一消费者组织综合制造能耗原料、生产废弃处置废弃、可回收性、典型用量，评级“良”。对比：可重复塑料盒“优”，塑料袋“良+”，铝箔/冷冻袋“良”，冷冻纸“差”。另一顾虑为增塑剂迁移风险。热油食品易吸收增塑剂。虽未证实致人类危害，但大剂量喂实验动物致癌。PVC增塑剂达三分之一，PVDC约10%，聚乙烯通常无增塑剂。
制造工艺