包裝設計制造技術及標準應用大全

第三篇 包裝材料及容器

第一章　包裝材料及容器概論

第一節　概　述

　　一、包裝材料學的對象與內容

　　包裝材料是指用于制造包裝容器和構成產品包裝的材料總稱。包裝材料學就是研究包裝材料的結構、性能及應用的科學。包裝材料學是包裝科學的基礎學科，是包裝工程專業的必修課程之一。

　　現代包裝材料包括紙材、塑料、金屬、復合材料、玻璃、木材等主要包裝材料；以及粘合劑、涂料、油墨、緩沖材料、封緘和捆扎材等輔助包裝材料。為了實現保護產品、利于貯運流通、便于攜帶使用、促進銷售等包裝功能，包裝材料必須具備一定的性能，如具有拉伸強度、抗壓強度、耐撕裂和耐戳穿強度、硬度等機械性能和機械加工性能；具有耐熱性或耐寒性、透氣性或阻氣性、對香氣或其他氣味的阻隔性、透光性或遮光性、對電磁輻射的穩定性，或對電磁輻射的屏蔽性等物理性能；具有耐化學藥品性、耐腐蝕性及在特殊環境中的穩定性等化學性能；以及具有封合性、印刷適性等包裝要求的特殊性能等等。研究材料結構和這些性能之間的關系，選擇適當的材料使之適合于特定產品包裝和消費者的需要，并便于在現代包裝機械上用各種現代技術加工，研制開發新型的包裝材料是包裝材料學的主要內容。

　　包裝材料學是在造紙、高分子材料、硅酸鹽（玻璃與陶瓷）材料、金屬材料等工程材料學科基礎上發展形成的邊緣學科。由于包裝科學作為一門獨立的學科體系出現的歷史還不長，人們對包裝科學體系的認識還有待于深化和完善。包裝材料學是包裝科學體系的重要組成部分。隨著包裝科學的發展和包裝科學體系的日益成熟，包裝材料學也將不斷充實。這一新興的邊緣學科也會變得更加完整。它將從描述性科學過渡到推理性科學；從定性過渡到定量。

　　二、包裝材料發展史

　　包裝和容器的使用，可以追溯到人類歷史發展的初期。不言而喻，包裝和包裝材料的發展對人類文明的進步起了重大的推動作用。早在有文字記載的歷史以前，人類在生活中就有了包裝物品的需要。但古代人類對材料知識的掌握和運用非常有限，所用的包裝幾乎完全直接取自于自然界的天然材料。例如，在東方，人們用竹筒作為飲水容器；在西方，人們則用皮囊裝水。前者取自植物，后者取自動物。在火發明以前（火大約發明于公元前50萬年），人類所用的包裝材料只能是樹葉、蛤殼、竹筒、獸皮等。由于火的發明和使用，使人們懂得了用火烘烤泥制容器，繼而產生了制陶業。后來，人們學會利用棉、麻等植物纖維紡織和編織。幾千年前，人們開始使用布，用布縫制的布袋，是包裝材料發展史上的重大進步。

　　和布一樣，紙也是最早的人造包裝材料之一。公元前2世紀，我國發明了紙，公元105年，蔡倫首先記載整理出造紙術。公元8世紀，阿拉伯人獲取了造紙的秘密，爾后經西班牙、法國傳到世界各地。最初紙是用搗碎的桑樹皮和破布制造的，后來發明了用樹木和植物纖維打漿的造紙技術。在造紙機發明以前，造紙停留在手工階段。只有在發明了造紙機后，特別是紙盒和瓦楞紙箱用于包裝以后，紙才成為用量最大、用途最廣泛的包裝材料。

　　據考古發現，在4千多年前埃及人就已使用玻璃瓶。從公元前1500年的古墓中曾發現帶有花紋圖案的香水玻璃瓶。人們對金屬的了解、研究和應用也有幾千年的歷史了。最初人們知道的金屬只有金、銀、銅、鐵、錫、鉛少數幾種。這些金屬或以游離狀態存在于自然界，或者容易從自然界冶煉出來。在一些文明古國，由銅和錫制成的青銅工具代替了石器，形成了歷史上重要的青銅器時期（BronzeAge）。青銅及早期發現的金屬是最早使用的金屬包裝材料。

　　對食品包裝有重要意義的金屬罐包裝是英國人發明的。公元1200年，鍍錫鐵皮發明于捷克斯洛伐克的波希米亞，這個秘密保守了幾個世紀。1620年，德國南部的大公偷走了這個技術，鍍錫鐵皮才開始用于包裝。1810年PeterDurand發明了用馬口鐵罐貯藏食品的技術，這個技術一直沿用到今天。

　　早期使用的包裝材料中，還有一類天然材料———木材。人們用木材制造木箱、木桶等包裝容器，用熱帶紅雪松制造高級煙盒。現在，因為森林資源越來越少，木材價格昂貴，成型困難，木材已被紙塑等其他材料取代。

　　18世紀工業革命促使科學技術有了巨大進步，也為包裝和包裝材料的發展創造了條件。可以說，包裝發展史上每個進步，都與新材料的使用及這種材料制造的機械化、工業化分不開。玻璃容器生產的機械化就是一個實例。雖然玻璃制造技術發明很早，但只有在1900～1906年間研制成功吹瓶機及發明了壓－吹、吹－吹等制瓶技術以后，玻璃瓶才從香水一類貴重商品的包裝發展到食品、藥品、化工產品等普通產品的包裝。玻璃瓶以它優秀的性能，長期以來一直壟斷著各種酒類的包裝市場。現在，有些場合制造一次性使用的玻璃瓶已經比洗刷和重新使用舊玻璃瓶價格還便宜。由于玻璃容器阻隔性優良，不造成環境污染等原因，它已成為經久不衰的包裝材料。

　　1799年法國人發明了第一臺長網抄紙機，1808年英國人發明了圓網抄紙機并于1817年在美國使用。爾后，造紙工業有了飛躍地發展。起初，紙只用來包裹物品，作為包裝容器并不令人十分滿意，因為它不具備包裝所需的濕強度。只有在牛皮紙和加工紙（防水紙）發明之后，紙才成為重要的包裝材料。在許多發達國家，紙和紙板總產量的一半用于包裝。玻璃紙、漂白紙、加工紙在包裝領域有非常廣泛的應用。紙與鋁箔、乙烯或乙烯基聚合物等高分子材料復合，可以制成性能優異的新型軟包裝。復合紙容器和紙漿模塑容器，由于制造方便、容易回收，已成為前景廣闊的綠色包裝材料。

　　瓦楞紙板和瓦楞紙板箱（習慣稱為瓦楞紙箱）的發明是包裝發展史上一項重大變革。1871年美國人申請了瓦楞紙板專利，1894年研制成功第一只瓦楞紙盒，1902年雙瓦楞紙箱正式作為鐵路運輸包裝箱，不久，這種新型的包裝便取代了木箱。從第一只瓦楞紙箱誕生至今不過100年，瓦楞紙箱生產實現了全部自動化，在美國已經形成了年產值100億美元的產業。瓦楞紙箱重量輕、強度好、適于印刷，可用于包裝各種產品。它與泡沫緩沖材料一起使用，改善了包裝的抗沖擊性能，成為主要的運輸包裝容器。瓦楞紙箱改變了運輸包裝的形態，方便了貯運，降低了貯運費，促進了流通和貿易，在包裝發展史中有重要的歷史意義。

　　金屬包裝材料和容器的發展與煉鋼和軋制技術的進步有關。完全機械化的制罐機械大大提高了生產率。由于金屬罐具有優良的包裝功能，在歷史上，鍍錫（馬口）鐵罐曾經是主要的軍用食品包裝容器。至今，除了玻璃罐頭以外，馬口鐵罐仍然是世界范圍內罐頭食品的主要包裝容器。第二次世界大戰期間，錫的供應出現短缺，鍍錫鋼板的生產供不應求，不用錫的鍍鉻罐和用高分子材料涂襯的無錫罐應運而生。50～60年代，美國和瑞士分別研制成功縫焊罐，1968年，日本又推出粘接罐，解決了無錫罐不能錫焊的問題。現在，幾乎所有的金屬罐都是用縫焊和粘接工藝制造的。盡管金屬罐受到來自復合材料軟包裝的沖擊，由于金屬罐生產的高度自動化和較長的保質期，金屬罐在包裝工業中至今仍然占有穩固的市場。

　　金屬軟管是在1841年發明的。在歷史上，金屬軟管首先作為藝術家們灌裝顏料的包裝容器。由于金屬軟管制造容易、使用方便，現在，它已經成為藥品、化妝品、牙膏、刮面膏、涂抹食品、潤滑劑、粘合劑、顏料、油墨、充填劑等等家庭、醫藥和工業用品的包裝容器。盡管金屬軟管遇到其他類型容器的競爭，但它發展迅猛，前景可觀。這不但由于它具有重量輕、取用方便、衛生、存貯期長、易搬運等優良的包裝功能，還因為它適合于大規模生產和自動包裝；它是眼、鼻、身體其他部位所用藥劑的特殊涂敷器；它可以包裝以膏狀形態出售的各種現代商品，金屬軟管是一種使用方便的包裝容器。

　　在金屬包裝發展史上，1953年英國發明的二片沖拔罐占有重要地位。由于直到19世紀末鋁的冶煉技術才趨于完善，所以鋁材在包裝中的應用較晚。鋁的資源豐富，質量輕，易加工，耐腐蝕，這些優點使它成為一種良好的金屬包裝材料。鋁制二片罐無側縫和底縫，結構整體性強，便于裝潢印刷，很快地占領了飲料市場，打破了玻璃瓶在飲料市場獨領天下的局面。裝上易開啟的易拉蓋，二片罐成為當時風靡全球、受人喜愛的包裝。但是，鋁材耗電大、價格不斷上漲，許多國家正在采取有力的措施回收廢棄的鋁罐。在二片鋁罐發展的同時，用薄鋼板沖拔的二片罐也獲得成功，產量不斷增加。目前，三片罐的生產速度為400只／分；二片罐的生產速度高達800～1200只／分。為降低成本、減少污染，金屬罐正向輕量、薄鍍、有機材料涂敷和形式多樣化方向發展。

　　與主要包裝材料平行發展起來的還有輔助材料。如在1892年美國的歐洲移民威廉·潘德發明的“王冠蓋”可以說是玻璃瓶包裝的一大革命。當時這種蓋子的外形很象英國女王王冠，所以“王冠蓋”的名稱一直保留至今，而今天的啤酒和碳酸飲料玻璃瓶包裝仍然使用著基本上與潘德發明形式上相同的封閉物。隨著包裝科學的進步，許多新的有特殊功能的包裝封閉物發展起來，如防盜蓋、旋壓蓋、易拉蓋、噴霧蓋等。它們在包裝發展中有重要的歷史意義。另外，人工合成性能優良的粘合劑、涂料、油墨、捆扎材及封緘材等輔助包裝材料已取代了大部分天然材料。高分子合成材料的發展已經使粘合劑、涂料的生產形成了一個完整的工業體系，在包裝、建筑、裝潢和其他工業領域中發揮著不可忽視的作用。這些輔助包裝材料是包裝材料中不可缺少的一部分。

　　近代包裝的發展與高分子材料的應用關系很大。塑料是在100多年前發現的，但它真正影響包裝工業是在第二次世界大戰以后。塑料作為工程材料的歷史雖然不長，但它的發展速度之快、材料品種之多、應用范圍之廣確實是其他材料不能比擬的。目前，全世界塑料產量的三分之一用作包裝材料，塑料的應用為現代社會帶來了有歷史意義的深刻變化。

　　1869年人工合成了第一種塑料賽璐珞（硝酸纖維素）。1909年合成了至今廣泛使用的酚醛塑料。1911年研制了人們熟悉的玻璃紙（再生纖維素），它作為一種透明的包裝材料，在20年代開始商品化，至今有著非常廣泛的應用。1929年合成了第一種注塑材料———醋酸纖維素。1936年聚氯乙烯開始在市場銷售。1938年尼龍（聚酰胺）問世。1942年合成出聚酯。1943年合成出聚四氟乙烯。第二次世界大戰期間，由于遠東的橡膠種植園被日本控制，人工合成橡膠的研制工作迫在眉睫。1948年人工合成的苯乙烯橡膠開始投產，聚苯乙烯生產迅速工業化。在此基礎上，開發研制出性能優異的以ABS（丙烯腈－丁二烯—苯乙烯）為代表的新型高強度工程塑料。同時，其他聚苯乙烯塑料得到了開發，聚苯乙烯成為最有用的包裝材料之一。作為緩沖包裝材料，聚苯乙烯泡沫塑料在運輸包裝中發揮了重大作用。1954年在K．Ziegler和G．Natta催化理論的指導下合成了高密度聚乙烯和聚丙烯，不久，它們就成為重要的包裝材料。隨著高分子科學的進步，許多有優良性能的新材料以更快的速度被研制出來，形成了包括纖維、橡膠、塑料、粘合劑和涂料的非生物高分子材料龐大家族。

　　現在，像聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、尼龍、聚酯等塑料已為人們所熟悉。許多塑料薄膜和包裝容器，雖然人們不能準確地說出它們的組成，但作為商品包裝已經遍布世界各個角落，進入每個家庭。可以說，過去4千年所用的大多數傳統包裝材料，現在正迅速地被50年前還不知道的新材料所取代。這種有歷史意義的重大變化都與塑料材料的應用有關。許多老的包裝材料（紙、玻璃、金屬）與塑料結合獲得了新性能，幾乎變成了新材料。紙／塑、紙／鋁／塑、塑／鋁／塑、塑／塑以及塑／鍍敷氧化硅／塑等形式的新型復合材料的出現和應用形成了近代包裝材料發展的新特點。可以毫不夸張地說，我們正處在一個“包裝離不開塑料”的時代。