4.3 物流包装中的复合材料（课件）《物流包装作业与管理》（水利电力出版社）

4.3 物流包装中的复合材料 4.3.1 复合材料的构成与分类 复合材料是指由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合形成的新型材料。一般由基体组元与增强体或功能组元所组成。 复合材料按性能高低分为常用复合材料和先进复合材料。 复合材料按用途可分为结构复合材料和功能复合材料。目前结构复合材料在应用领域占绝大多数，而功能材料尚处于研发初期，但发展前景广阔。本书中只介绍结构复合材料中的主要品种。 结构复合材料基本上由增强体与基体组成。增强体承担结构使用中的各种载荷，基体则起到粘接增强体，予以赋形并传递应力和增韧的作用。复合材料所用基体主要是有机聚合物，也有少量金属、陶瓷、水泥及碳（石墨）等。结构复合材料通常按不同的基体来分类，见教材（表4—9）。 下面介绍结构复合材料中的主要构成与品种。 1.高性能增强体 增强体是高性能结构复合材料的关键组分，典型的高性能纤维增强体包括： （1）碳纤维。 碳纤维是先进复合材料最常用的增强体。 （2）高强有机纤维。 （3）无机纤维。 2.聚合物基复合材料 聚合物基复合材料是目前复合材料的主要品种，其产量大大超过其他基体的复合材料。习惯上常把橡胶基复合材料划入橡胶材料中，所以聚合物基体一般仅指热固性聚合物（树脂）与热塑性聚合物。现分述如下： （1）热固性聚合物基复合材料。 热固性复合材料是当今商业化的主要品种。主要包括： ●环氧树脂。环氧树脂是目前聚合物基复合材料中最普遍使用的树脂基体。环氧树脂的种类很多，适合作为复合材料基体的有双酚 A环氧树脂、多官能团环氧树脂和酚醛环氧树脂三种。 ●热固性聚酰亚胺树脂。有热塑性和热固性两种，均可作为复合材料基体。 （2）热塑性聚合物基复合材料 特点是：首先是聚合物本身的断裂韧性好，提高了复合材料的抗冲击性能；其次是吸湿性低，可改善复合材料的耐环境能力；最突出的是可以重复再加工，而且工艺过程短，成型效率高。 热塑性聚合物基复合材料的主要品种如下。 ●聚丙烯基复合材料。 　 ●聚酰胺基复合材料。 ●聚醚醚酮基复合材料。 3.金属基复合材料 金属基复合材料一般按增强体形式来分类，如颗粒增强、短纤维与晶须增强以及连续纤维增强等。其典型品种如下。 （1）颗粒增强铝基复合材料 颗粒增强铝基复合材料是金属基复合材料中最成熟的一个品种，其成型方法有两种。 ●粉末冶金法，即将颗粒与铝合金粉混合，按常规粉末冶金法加工。成本较高。 ●各种液相复合法，该方法可以规模生产，成本相对较低，但工艺过程控制较难，且制品质量稳定性也比粉末冶金法差。 （2）晶须增强铝基复合材料 （3）纤维增强钛合金及金属间化合物基复合材料 4.无机非金属基复合材料 无机非金属基复合材料包括陶瓷基复合材料、碳基复合材料和水泥基复合材料。 （1）陶瓷基复合材料 陶瓷基复合材料的基体包括陶瓷、玻璃和玻璃陶瓷等。 （2）碳基复合材料 碳基复合材料是以碳为基体，碳或其他物质为增强体组合成的复合材料。 4.3.2复合材料在包装中的应用 现代物流对包装的要求可以概括为：牢固、环保、 经济、实用、便捷。从实用的角度划分当今使用的复合包装材料主要有以下几类： 1.防腐复合包装材料 2.耐油复合包装材料 3.替代纸的包装材料 4.特殊复合包装材料 5.防蛀复合包装材料 6.防滑复合包装材料 常用复合包装材料的构成、特性和用途可见表4—10。 4.3.3 复合材料的发展与创新 确定复合材料发展的新领域，首先取决于该领域的科技发展水平，其次是社会经济发展的需求，最后是能否充分体现复合材料的特色和优势。根据这些原则，可展望复合材料发展重点领域。 1.发展功能、多功能、机敏、智能复合材料 复合材料设计自由度大的特点，使其更适合于发展功能复合材料，特别在由功能一多功能一机敏一智能复合材料，即从低级形式到高级形式的过程中体现出来。这些发展主要表现在： ●功能复合材料。 ●多功能复合材料。 ●机敏复合材料。 ●智能复合材料。 2.纳米复合材料 3.仿生复合材料 4.4 物流包装中的胶粘剂与涂料 4.4.1 包装胶粘剂的基本构成 胶粘剂又称粘合剂，在物流包装和印刷中，如制作包装盒、包装箱等包装容器或使用各种包装标签时，胶粘剂是一种基本材料。 胶粘剂一般由几种成分组成。它通常是以具有粘性或弹性体的天然产物或合成高分子化合物（无机胶粘剂除外）为基料，并加入固化剂、填料、增韧剂、稀释剂、防老化剂等添加剂组成的一种混合物。 1.基料 基料又称为基体,是胶粘剂的骨架。基料一般应具有以下效能： ●对被粘结制品应有良好的粘附性和润湿性； ●基料应具有一定的强度和韧性； ●对被粘结制品不产生化学反应及腐蚀,且有耐使用介质的作用； ●具有一定的耐热性能,能经受使用中一定范围内的温度变化； ●基料本身应具有一定的耐老化性能,并能溶入到某些有机溶剂中。 2.固化剂 3.填 料 填料的加入可以增加胶粘剂的弹性模量，降低膨胀系数，减少固化收缩率，增加粘度、抗冲击韧性，提高使用温度、耐磨性能、胶结强度。改善胶粘剂耐水、耐介质性能和耐热老化性能等。此外，由于填料的加入也可相应地降低胶粘剂的生产成本。 4.增韧剂 增韧剂能改善胶粘剂的性能，增加韧性、降低脆性，提高粘结层的抗剥离、抗冲击能力，而且可以改善胶粘剂的流动性、耐寒性与耐震性等。 ●惰性增韧剂是高沸点液体或低熔点固体有机物。 ●活性增韧剂在起增韧作用时，也参与胶粘剂的固化反应。 5.稀释剂 稀释剂的主要作用是降低粘度，以便于涂刷作业。 6.促进剂及着色剂 在热固性胶粘剂中，凡能加速固化反应或降低固化反应温度的物质叫固化促进剂。 使胶粘剂形成所要求的颜色，称为着色剂。 4.4.2 包装用胶粘剂的分类 胶粘剂的品种繁多，一般按照胶粘剂的基料性质来分类，分为有机胶粘剂和无机胶粘剂两大类。 1.有机胶粘剂 有机胶粘剂有天然胶粘剂和合成胶粘剂。天然胶粘剂有：骨胶、虫胶、淀粉、糊精、松香等。 合成树脂型胶粘剂又可分热固性树脂胶粘剂和热塑性树脂胶粘剂两大类。 2.无机胶粘剂 无机胶粘剂有磷酸盐类胶粘剂、硼酸盐类胶粘剂、硅酸盐类胶粘剂。在包装业上用得最多的是硅酸盐类胶粘剂。 4.4.3 物流包装中常用胶粘剂 1.合成树脂类胶粘剂 合成树脂胶粘剂是当今产量最大、品种最多、应用最广，也是对经济、科技以及物流包装发展影响最大的胶粘剂。 合成树脂胶粘剂可分为热塑性、热固性和复合型三种类型，而热塑性胶粘剂又分为热熔型胶粘剂、溶剂型胶粘剂、乳液型胶粘剂三个品种。 （1）热塑性胶粘剂 热塑性品种一：乳液型胶粘剂 乳液型胶粘剂最具代表性的是聚醋酸乙烯及其共聚物。 热塑性品种二：溶剂型胶粘剂 将热塑性聚合物、天然橡胶或合成橡胶等物质用适当的溶剂溶解，即可制成溶剂型胶粘剂。大部分溶剂型胶粘剂是以有机溶剂为溶剂。溶剂型胶粘剂主要有以下两种： ●聚乙烯醇溶剂型胶粘剂。 ●纤维素衍生物溶剂型胶粘剂。包装工业中常用的纤维素衍生物胶粘剂有下面四种： 其一，硝酸纤维素胶粘剂。 其二，醋酸纤维素胶粘剂。 其三，乙基纤维素胶粘剂。 其四，甲基纤维素胶粘剂。 溶剂型胶粘剂除上面介绍的两类外，还有聚醋酸乙烯、聚丙烯酸酯、聚酰胺等。聚酯酸乙烯溶剂型胶粘剂用于粘合玻璃纸、纸、织物及某些塑料。聚丙烯酸酯主要用于粘结塑料、有机玻璃、纸、玻璃纸等。 热塑性品种三：热熔型胶粘剂 （2）热固性树脂胶粘剂 （3）复合型树脂胶粘剂 2.天然胶粘剂及无机胶粘剂 （1）葡萄糖衍生物胶粘剂 从植物中提取出的胶质多数是葡萄糖衍生物，它包括淀粉、糊精、阿拉伯树胶及海藻酸钠等。 （2）氨基酸衍生物胶粘剂 氨基酸衍生物胶粘剂是主要包括： ●酪朊，又称酪素或干酪素。 ●骨胶，是骨胶朊衍生的蛋白质的总称。 （3）其他天然树脂 ●在天然胶粘剂中，还有一些其他的动植物树脂和矿物树脂。如：木素、单宁、生漆、松香、虫胶、沥青等。 ●无机胶粘剂。这是包括范围相当广泛的一类粘结材料，如水泥、石膏、硅酸盐等。 3.橡胶类胶粘剂 橡胶是一类对各种物质都有良好粘结性能，而且初期粘结力大的胶粘剂。在包装中使用较多的是丁腈橡胶胶粘剂和丁苯橡胶胶粘剂等。 （1）丁腈橡胶胶粘剂 丁腈橡胶是由丁二烯和丙烯腈乳液聚合的共聚物。丁腈橡胶在常温下的耐水性很出色，丁腈橡胶胶粘剂可根据用途制成溶液型、乳液型或低聚合度液态三种类型。 （2）丁苯橡胶 丁苯橡胶是由丁二烯与苯乙烯在25℃—50℃以上或在10℃以下乳液聚合制得的无规共聚物。 丁苯橡胶的固有粘性较差，所以很少单独作胶粘剂使用，丁苯橡胶可以通过下述方式制成胶粘剂： ●直接辊压在粘附物件或包装物上； ●与增粘树脂一起分散和溶解于溶剂中形成胶粘剂溶液； ●与乳化剂一起分散于水中制成乳胶。 4.4.4 包装涂料的组成 涂料在包装中主要是起防腐蚀、装饰与色标的作用。 涂料一般由不挥发组分和挥发组分（溶剂或称稀释剂）组合而成。 成膜物质按在涂料中所起的作用，又可分为主要成膜物质、次要成膜物质和 辅助成膜物质三种。 1.主要成膜物质 称固着剂，由于它的作用是将其他组分粘结成一个整体，并能附着在被 涂物品表面形成坚韧的保护膜，所以这种物质应具有较高的化学稳定性，多 属于高分子化合物。 2.次要成膜物质 这是构成涂膜的基本组成部分，但它不能离开主要成膜物质而单独构成 涂膜，这种成分就是涂料中使用的颜料。 3.涂料中的助剂 涂料中所使用的辅助成膜物质品种很多，按它们的作用特性，目前国 内外常用的辅助成膜物质有表面活性剂、催干剂、固化剂、增塑剂等。 4.4.5 包装涂料的分类和命名 下面介绍我国涂料的一般分类方法。 1.涂料的分类原则 涂料产品分类是以其主要成膜物质为基础。我国涂料划分为 18类，见表4—11。 2.涂料命名及编号原则 涂料的命名原则规定，产品名称由颜料或颜色名称，成膜物质名称加基本名称所组成。基本名称采用了一部分过去已有的习惯名称，如清漆、调和漆等。 涂料型号分三部分，第一部分是成膜物质，用汉语拼音字母表示；第二部分是基本名称，用二位数字表示；第三部分是序号。例： 另外，辅助材料分二部分，第一部分是辅助材料种类，第二部分是序号。辅助材料种类，按用途划分：X——稀释剂，F——防潮剂，G——催干剂，T——脱漆剂，H——固化剂。其标示方法如下。 4.4.6 常用包装涂料 1.酚醛树脂涂料 酚醛树脂涂料应用较多的有改性酚醛树脂漆与油溶性酚醛树脂漆两类。 （1）改性酚醛树脂涂料 其中以松香改性酚醛树脂涂料最为主要。加入不同种类的溶剂、颜料、催干剂等，就可制成各种类型的松香改性酚醛树脂涂料，如酚醛清漆、磁漆、底漆、防锈漆等。 （2）油溶性纯酚醛树脂涂料 油溶性纯酚醛树脂就是将纯酚醛树脂直接溶入油中，但不是所有的纯酚醛树脂都能溶入油中，只有用对苯基苯酚、对环己酚、对叔丁酚、对戊基苯酚制得的酚醛树脂才可溶入油中。 纯酚醛树脂具有很好的耐水性、耐气候性、耐溶剂性等特性，与干性油（桐油）热炼，所制得的涂料的涂膜坚硬而有韧性，干燥快，附着力好。虽然耐气候性稍次于醇酸树脂涂料，但是耐水性、耐化学腐蚀比醇酸树脂漆要高。 2.醇酸树脂涂料 醇酸树脂涂料是目前涂料中产量最多的一种合成树脂涂料。 3.氨基树脂涂料 （1）氨基树脂涂料的组成和分类 氨基树脂涂料是以氨基树脂和醇酸树脂为主要成膜物质的一种涂料氨基树脂涂料一般分为三类： ●高氨量——醇酸树脂：氨基树脂＝1～2．5∶1 ●中氨量——醇酸树脂：氨基树脂＝2．5～5∶1 ●低氨量——醇酸树脂：氨基树脂＝5～9∶1 氨基含量越高，膜的脆性增大，附着力越差，所以一般使用“中氨基”含量涂料的较多。 （2）氨基树脂涂料的性能特点 ●清漆色浅，不易泛黄。 ●漆膜坚硬、附着力好、机械强度高，耐气候性好、装饰性很好。 ●具有一定耐水、耐油、耐磨性能。 4.环氧树脂涂料 环氧树脂涂料具有多种独特性能，被广泛地应用于国防、民用和包装方面。环氧树脂涂料被广泛用于包装容器上，如作为软管、罐头、包装容器内壁涂料等。 5.丙烯酸树脂涂料 丙烯酸树脂涂料是一种比较新型的涂料。丙烯酸树脂涂料具有如下特点： ●优良的色泽及良好的保色、保光性能。 ●良好的耐热性能，及突出的防湿、防霉等性能，也可以通过改变配方及工艺来控制漆膜的硬度、柔韧性、耐冲击性、抗水、抗油等性能。 $$