食品包裝用PET阻光母粒的制備和性能研究

摘 要：本文以二氧化鈦（金紅石型）、炭黑、PET粉、紫外線吸收劑為原料，采用熔融共混工藝制備PET阻光母粒。利用分光光度儀、萬能力學試驗機等對制備樣品的阻光性能、力學性能等進行了測試。結(jié)果表明，阻光母粒的加入，能夠明顯提升食品包裝用PET材料的阻光性能，起到良好的光屏蔽效果；當阻光母粒添加量在0%～15%時，隨著添加量的增大，材料的阻光性能越來越優(yōu)異，樣品的拉伸強度、彎曲模量、比重也有所提升。簡支梁缺口沖擊強度隨著阻光顆粒加入量的增大而逐漸降低。此外，增大阻光母粒的添加量，還有利于改善熔體流動速率。

關(guān)鍵詞：聚對苯二甲酸乙二醇酯；阻光母粒；性能

Preparation and Properties of PET Masterbatch for Food Packaging

FENG Jiawei

（Ningxia Hui Autonomous Region Yinchuan City Yongning County Product Quality Measurement Inspection and Testing Center， Yinchuan 750000， China）

Abstract： In this paper， using titanium dioxide （rutile type）， carbon black， polyethylene terephthalate （PET） powder and ultraviolet absorbent as raw materials， PET light blocking masterbatch was prepared by melt blending process. The optical resistance and mechanical properties of the prepared samples were tested by spectrophotometer and universal mechanical testing machine. The results show that the addition of light blocking masterbatch can obviously improve the light blocking performance of PET material for food packaging， and play a good light shielding effect; when the addition amount of masterbatch is 0%～15%， with the increase of the addition amount， the light resistance performance of the material is more and more excellent， and the tensile strength， bending modulus and specific gravity of the sample are also increased. The notched impact strength of the simple supported beam decreases gradually with the increase of the amount of light blocking particles. In addition， increasing the amount of light blocking masterbatch can also improve the melt flow rate.

Keywords： polyethylene terephthalate; light blocking masterbatch; property

近些年，隨著食品工業(yè)的快速發(fā)展，對食品包裝材料的功能性要求越來越高。聚對苯二甲酸乙二醇酯 （Polyethylene terephthalate，PET）作為一種常見的食品包裝材料，因其優(yōu)異的機械性能、耐熱性及化學穩(wěn)定性而廣泛應(yīng)用于各類食品包裝。然而，普通PET材料對紫外線和可見光的透過率較高，無法滿足對光敏感食品的儲存要求。例如，如果牛奶的包裝材料選用不當，會使得牛奶中的乳脂肪發(fā)生氧化反應(yīng)，進而影響食品品質(zhì)[1]。為改善PET材料的阻光性能，越來越多的研究人員致力于開發(fā)高性能阻光母粒來解決該問題，并已取得了階段性的進展[2]。目前應(yīng)用較多的是以鈦白粉、無機填料以及分散劑為原料制備阻光母粒[3]，通過對母粒各項指標進行檢測，各項指標基本符合《食品安全國家標準 食品接觸材料及制品用添加劑使用標準》（GB 9685—2016）標準要求。還有研究提出以鋁粉、鈦白粉、炭黑等為原料來制備阻光母粒，同時為改善鈦白粉含量過高而導致的PET胚瓶較脆的問題，還加入了一定量的聚丙烯（Polypropylene，PP）樹脂[4]。但是，從目前的研究成果來看，還存在制備工藝復雜，在加工中母粒分散性不佳等問題。因此，如何在確保材料阻光性能的同時，保持其優(yōu)良的力學性能和加工性能，仍然是亟待解決的問題[5]。

本研究以食品級炭黑、金紅石型二氧化鈦、紫外線吸收劑和PET粉為原料，采用熔融共混工藝制備了具有優(yōu)異阻光性能的PET母粒，并系統(tǒng)探討阻光母粒添加量對材料的阻光性能、拉伸強度、完全模量、簡支梁缺口強度、比重以及熔體流動速率的影響，為高性能食品包裝材料的開發(fā)提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

鈦白粉（金紅石型，粒徑100～300 nm），濟南裕興化工有限公司；炭黑（食品級，粒徑為5～

15 μm），卡博特公司；UV234紫外線吸收劑，南京米蘭新材料有限公司；CR-8863PET基材，華潤材料有限公司；HW-K分散劑，日本三井蠟公司；PET粉（40～80目），萬塑源橡塑公司。

1.2 儀器與設(shè)備

TSH25型雙螺桿擠出機，南京創(chuàng)博機械設(shè)備有限公司；LMH60–SVPS型注塑機，震雄集團；SHJ-600型高速攪拌機，張家巷市億利機械有限公司；MWD-10型萬能力學試驗機，山東萬辰試驗機有限公司；ZRZ1452熔體流動速率儀，美特斯有限公司；X-rite型分光光度儀，美國愛色麗公司。

1.3 制備方法

（1）PET阻光母粒的制備。預(yù)先將所有原料放置于真空干燥箱內(nèi)烘干，除去原料中所含的水分以及表面殘留的小分子雜質(zhì)；將干燥后的原料按照表1的配比進行稱量；將載體樹脂PET粉、二氧化鈦、炭黑、紫外線吸收劑和分散劑放置于高速攪拌機中攪拌10 min后制得混料；將混料加入擠出機中，調(diào)整擠出機溫度，擠出機溫度共設(shè)置為2段，第一熔融段溫度設(shè)置為230 ℃，第二熔融段溫度設(shè)置為240 ℃，以利于熔融和分散；將混料熔融后擠出，待擠出的熔融料穩(wěn)定后，切粒、驗收。

（2）測試樣條的制備。將上述制備的阻光母粒與PET基材（CR-8863）進行混合均勻，按照質(zhì)量百分數(shù)計，阻光母粒的添加量分別為0%、3%、6%、9%、12%和15%；使用注塑機制備成尺寸為100 mm×20 mm×4 mm的樣條，對樣條的阻光性能、拉伸強度、完全模量、簡支梁缺口強度、比重以及熔體流動速率進行測試。

1.4 性能表征

熔體流動速率按照《熱塑性塑料熔體質(zhì)量流動速率和熔體體積流動速率的測定》（GB/T 3682—2000）進行測試，測試溫度為230 ℃，負荷2.16 kg；拉伸強度按照ASTM D638-22（2022）塑料拉伸性能標準測試方法進行測試；彎曲強度和彎曲模量按照《未增強和增強塑料與電氣絕緣材料彎曲性能的標準試驗方法》（ASTM D790—2017）進行測試；簡支梁缺口強度按照《塑料 簡支梁沖擊性能的測定 第1部分 非儀器化沖擊試驗》（GB/T 1043.1—2008）進行測試；比重按照《塑料 非泡沫塑料密度的測定 第1部分：浸漬法、液體比重瓶法和滴定法》（GB/T 1033.1—2008）進行測試；白度值采用反射法測試，采用美國愛色麗積分球分光光度儀X-riteColor i7，測試溫度為室溫（25 ℃）。

2 結(jié)果與分析

2.1 阻光性能分析

為評估材料的阻光性能，對添加不同質(zhì)量分數(shù)（0%、3%、6%、9%、12%和15%）的阻光母粒制備的樣品進行了白度值和遮蓋率的測試。由表2可知，隨著阻光母粒添加量的增大，樣品的白度值逐漸降低，遮蓋率逐漸增大，當阻光母粒添加量為15%時，遮蓋率可達100.00%，實現(xiàn)了完全阻隔光線透過的效果。分析認為，本文制備的阻光母粒主要由二氧化鈦、炭黑、紫外線吸收劑等材料組成，而二氧化鈦為納米級，粒徑小，活性大，能夠反射、散射、吸收光線，從而對光具有優(yōu)異的阻隔能力。此外，二氧化鈦是一種半導體材料，電子結(jié)構(gòu)是由價電子帶和空軌道形成的傳導帶構(gòu)成，禁帶寬度約3.2 eV，對可見光（400～780 nm）具有較好的吸收性能；對于紫外光部分，本文應(yīng)用了紫外線吸收劑，其能夠?qū)崿F(xiàn)對紫外光的良好吸收。阻光母粒添加量的增大時，體系中含有的二氧化鈦含量、炭黑、紫外線吸收劑等含量越高，因此對光線的阻隔作用越來越強。

2.2 力學性能分析

2.2.1 拉伸強度

為評估材料的力學性能，對添加不同質(zhì)量分數(shù)（0%、3%、6%、9%、12%和15%）的阻光母粒制備的樣品進行了拉伸強度測試。由圖1可知，隨著阻光母粒添加量的增大，樣品的拉伸強度逐漸增大，未添加阻光母粒時，樣品拉伸強度為57.98 MPa，當阻光顆粒添加量為15%時，樣品拉伸強度增大至

61.12 MPa，拉伸強度增大了5.42%。分析認為，阻光母粒中含有大量的二氧化鈦材料，隨著阻光母粒添加量的增大，體系中二氧化鈦含量越來越大，而二氧化鈦本身是一種無機材料，力學性能優(yōu)異，在復合物體系中，其能與PET高分子鏈相互纏繞，形成較多物理交聯(lián)點，同時填料與高分子基體之間具有較好的界面結(jié)合力，使得樣品的拉伸強度有所上升。

2.2.2 彎曲模量

本實驗按照ASTM D790—2017對添加不同質(zhì)量分數(shù)（0%、3%、6%、9%、12%和15%）的阻光母粒制備的樣品進行了彎曲模量測試。由圖2可知，隨著阻光母粒添加量的增大，樣品的彎曲模量得到一定提升。未添加阻光母粒時，樣品的彎曲模量為1 693.58 MPa，當阻光顆粒添加量為15%時，樣品的彎曲模量為2 211.55 MPa，提高了30.58%。分析認為，二氧化鈦粒子為無機材料，具有剛性特性，隨著阻光母粒添加量的增大，體系中二氧化鈦的含量越來越高，而二氧化鈦的加入能夠提升樣品的剛性，進而使得樣品的彎曲模量增大。

2.2.3 簡支梁缺口沖擊強度

本文按照GB/T 1043.1—2008標準對加不同質(zhì)量分數(shù)（0%、3%、6%、9%、12%和15%）的阻光母粒制備的樣品進行了簡支梁缺口沖擊強度測試。由圖3可知，阻光母粒添加量對樣品簡支梁缺口沖擊強度有著一定影響。未添加阻光母粒時，樣品的簡支梁缺口沖擊強度值為3.33 kJ·m-2，當阻光母粒添加量為15%時，樣品的簡支梁缺口沖擊強度值下降至1.90 kJ·m-2，降低了42.94%。分析認為，隨著阻光母粒添加量的增大，體系中二氧化鈦無機粒子的含量越來越高，由于無機粒子具有一定的剛性，會導致體系的剛性增強，韌性降低，這也與上述彎曲強度、彎曲模量數(shù)據(jù)相互呼應(yīng)。

2.3 其他性能分析

2.3.1 比重

本文對添加不同質(zhì)量分數(shù)（0%、3%、6%、9%、12%和15%）的阻光母粒制備的樣品的比重進行了測試。由圖4可知，隨著阻光母粒添加量的增大，樣品的比重越來越大。未添加阻光母粒時，樣品比重在1.34 g·cm-3，當阻光母粒添加量為15%時，樣品比重增大至2.47 g·cm-3。分析認為，二氧化鈦為無機納米粒子，材料密度在4.26 g·cm-3左右，而PET本身為高分子材料，材料密度在1.33～1.39 g·cm-3，當阻光顆粒加入量越大時，體系中引入的二氧化鈦含量越多，因此使得樣品比重增大。

2.3.2 熔體流+i1ooz1g5pvxjT1TRq2cf2Biz3OnyJ+Q9Mc+rFgqU44=動速率

本文按照GB/T 3682—2000對添加不同質(zhì)量分數(shù)（0%、3%、6%、9%、12%和15%）的阻光母粒制備的樣品的熔體流動速率進行了測試。由圖5可知，未添加阻光母粒時，PET熔體流動速率為35.34 g/10 min，隨著阻光母粒添加量的增大，樣品熔體流動速率也逐步提升，當阻光母粒添加量為15%時，樣品熔體流動速率為52.44 g/10 min。可見，阻光顆粒的加入能夠有效加快體系的熔體流動速率，更有利于注射成型。

3 結(jié)論

本文以二氧化鈦、炭黑、紫外線吸收劑和分散劑等為原料，采用熔融共混工藝制備PET阻光母粒，將阻光母粒加入PET基體中，能夠明顯提升體系的阻光性能，當阻光顆粒添加量為15%時，能夠?qū)崿F(xiàn)對光線的100%阻隔。阻光母粒添加量對樣品的力學性能有著重要影響。阻光母粒添加量在0%～15%時，隨著添加量的增大，樣品的拉伸強度和彎曲模量逐漸增大，而簡支梁缺口沖擊強度呈現(xiàn)下降趨勢。阻光母粒的加入會增大樣品的比重，在未添加阻光母粒時，樣品的比重在1.34 g·cm-3，當阻光母粒添加量為15%時，樣品比重增大至2.47 g·cm-3；另外，阻光顆粒的加入能夠有效改善體系的熔體流動速率，當未添加阻光母粒時，PET熔體流動速率為35.34 g/10 min，阻光母粒添加量至15%時，樣品熔體流動速率為52.44 g/10 min，提升了48.39%。

參考文獻

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作者簡介：馮嘉偉（1994—），男，寧夏銀川人，本科，助理工程師。研究方向：食品相關(guān)產(chǎn)品。