無定形碳涂層在含氣飲料PET 包裝輕量化方面應用的研究

王 興，張志偉，宋利君，張雅君

（內蒙古伊利實業集團股份有限公司，內蒙古 呼和浩特 010110）

0 引言

可持續發展是目前全球關注的重點，全球各大經濟體紛紛出臺相關法規、政策，引導和規范各行業向可持續發展方向轉型。目前，各大快消品品牌商均已開展可持續包裝技術的研究，確保包裝符合5R1D 的原則，即包裝輕量化（Reduce）、材料再利用（Reuse）、拒絕非生態（Refuse）、可循環再生（Recycle）、材料可回收（Return）、材料可降解（Degradable）。其中，包裝輕量化是5R1D 原則中較易實現且成本較低的研究方向。

PET 材料無毒無味、透明性好，具有一定的化學惰性，不易與產品發生化學反應，可重復利用，安全環保[1]，目前在飲料行業應用較多。飲料瓶的輕量化，特別是PET 瓶質量的降低是包裝行業最盛行的趨勢之一。輕量化的包裝方式不但可以展示企業在可持續發展方面的吸引力，而且可以激發消費者的環保意識，為飲料企業節省成本[2]。

然而含氣飲料在產品貨架期內瓶中的二氧化碳會隨著時間延長逐漸泄漏出來，使得產品含氣不足，影響飲料風味。根據研究同一溫度下克質量越大的PET 瓶氣體阻隔性越好[3]，因此為了達到含氣飲料PET 瓶輕量化的目標，就必須從其他方面提高瓶子的氣體阻隔性。

目前，提高PET 瓶氣體阻隔性的方法主要有PET 單層共混改性技術、涂層技術、多層共注技術、多層共擠技術等[4-6]。其中，涂層技術是通過采用等離子制備設備，利用無定形碳或多氧化硅等物質形成等離子體，沉積在瓶子表面，形成一層極薄的致密阻隔層[7-8]，具有良好的氣體阻隔性。同時，因為涂層極薄，一般僅為50～100 nm，不會影響PET 瓶的回收再利用，因此涂層技術是一種非常環保的阻隔技術。

主要對無定形碳涂層在PET 包裝輕量化方面的應用進行了研究，通過對比常規質量無涂層的PET瓶和低質量有涂層PET 瓶的氧氣透過率、灌裝后的二氧化碳含量及垂直載壓等指標，驗證無定形碳涂層在保證含氣飲料二氧化碳含量時降低瓶子質量的可能性。

1 試驗部分

1.1 儀器與材料

二氧化碳含量測試儀，法國AT2E 公司產品；CMT4104 型萬能拉力機，美特斯工業系統（中國）有限公司產品；OX-TRAN 2/21 型氧氣透過率測試儀，美國MOCON 公司產品。

16.2 g 涂層瓶和無涂層瓶，18 g 涂層瓶和無涂層瓶，21 g 涂層瓶和無涂層瓶（所有瓶子瓶型相同，容積均為330 mL）；碳酸氫鈉（分析純），天津市風船化學試劑有限公司提供；檸檬酸（分析純），天津市盛奧化學試劑有限公司提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 空瓶氧氣透過率測試

采用Mocon 透氧儀進行測試。將瓶口朝下用密封膠固定在連接儀器的試驗支架上。向瓶內通入氮氣載氣，吹掃平衡后開始測試。測試條件為23 ℃，50% RH，20.8% O2。通過容器壁的氧氣隨氮氣載氣一起進入庫侖電量傳感器中進行反應并產生電流，該電流強度與單位時間內通過庫倫電量傳感器的氧氣量呈線性關系[9]。每種樣品測試5 個，取平均值。

1.2.2 碳酸水的制備

將一定量的碳酸氫鈉和檸檬酸稱質量后進行混合，用紙巾包裹后放入灌裝好純水的樣品瓶內，旋蓋并調整扭矩，確保瓶子不漏氣。反應物在水中反應后生成二氧化碳，并在一段時間后平衡。初始二氧化碳含量為0.41～0.46 MPa。

1.2.3 二氧化碳含量測試

定期測試樣品中的二氧化碳含量。測試前將灌裝好的樣品瓶放置到4 ℃冷藏柜中平衡24 h，取出后搖勻，采用二氧化碳測試儀進行測試，每種樣品測試5 個，取平均值。

1.2.4 垂直載壓測試

定期測試樣品的垂直載壓。測試前將樣品放置在常溫環境下平衡24 h。采用萬能拉力機進行測試，速度100 mm/min，每種樣品測試5 個，取平均值。

2 結果與分析

2.1 空瓶氧氣透過率結果及分析

空瓶氧氣透過率測試結果見圖1。

圖1 空瓶氧氣透過率測試結果

對3種不同質量的PET 瓶涂涂層前和涂涂層后氧氣透過率進行測試分析。結果表明，涂涂層后的PET 瓶氧氣透過率大大下降，氧氣的阻隔性提高約20 倍。

2.2 二氧化碳含量變化趨勢分析

37 ℃條件下樣品中二氧化碳含量測試結果見圖2，常溫條件下樣品中二氧化碳含量測試結果見圖3。

圖2 37 ℃條件下樣品中二氧化碳含量測試結果

圖3 常溫條件下樣品中二氧化碳含量測試結果

在37 ℃條件下，試驗共進行196 d。3 個樣品的二氧化碳含量在10～105 d 時呈直線下降趨勢，16.2 g 和18.0 g 涂層瓶樣品中的二氧化碳含量相當，下降約50%，21.0 g 無涂層瓶樣品中的二氧化碳含量下降約66%。105～196 d 樣品中二氧化碳含量呈緩慢下降趨勢。到試驗結束時16.2 g 和18.0 g 涂層瓶樣品中的二氧化碳含量相當，下降約64%，21.0 g 無涂層瓶中二氧化碳含量下降84%。

常溫條件下，試驗共進行197 d。16.2 g，18.0 g涂層瓶樣品的二氧化碳含量呈直緩慢下降趨勢，到試驗結束時，分別下降了27%，14%，18.0 g 涂層瓶樣品的二氧化碳含量略高于16.2 g涂層瓶樣品。21.0 g 無涂層瓶樣品的二氧化碳含量在10～103 d 時呈直線下降趨勢，在103～187 d 時呈緩慢下降趨勢。到197 d 時，21.0 g無涂層瓶樣品中的二氧化碳含量下降了約61%。

綜上所述，無論是高溫環境下還是常溫環境下該涂層都具有良好的氣體阻隔性。在高溫條件下，16.2 g 和18.0 g 涂層瓶中的二氧化碳含量相當；在常溫條件下18.0 g 的涂層瓶表現更優秀。說明溫度和瓶子質量對二氧化碳的逃逸影響較大，而溫度的影響要大于質量對其的影響。

2.3 垂直載壓變化趨勢分析

高溫條件下垂直載壓測試結果見圖4，常溫條件下垂直載壓測試結果見圖5。

圖4 高溫條件下垂直載壓測試結果

圖5 常溫條件下垂直載壓測試結果

含氣飲料的垂直載壓主要依賴瓶內的氣壓，因此含氣飲料的垂直載壓可以從側面驗證瓶內氣體流失的情況。

在37 ℃條件下，試驗共進行196 d。3 個樣品的垂直載壓均呈下降趨勢，第196 天垂直載壓結果18.0 g 瓶 ＞ 16.2 g 瓶 ＞ 21.0 g 瓶。

常溫條件下，試驗共進行197 d。3 個樣品的垂直載壓均呈緩慢下降趨勢，第197 天垂直載壓結果18.0 g 瓶≈16.2g 瓶 ＞ 21.0 g 瓶。

以上可以看出，無論是高溫環境下還是常溫環境低質量瓶有涂層的樣品垂直載壓高于高質量無涂層樣品，說明這種涂層具有良好的氣體阻隔性。

3 結論

試驗涉及的無定形碳涂層對氧氣和二氧化碳均具有優良的阻隔性。無論是高溫環境還是常溫環境下低質量涂層瓶的二氧化碳含量和垂直載壓均優于高質量無涂層樣品，說明該涂層具有良好的氣體阻隔性。因此，該涂層的使用可以在保證含氣飲料氣體含量的同時有效降低瓶子的質量，達到輕量化的目標。