《包装设计制作工艺与检测技术标准实用手册》

第三篇 包装材料及容器

第一章　包装材料及容器概论

第一节　概　述

一、包装材料学的对象与内容

包装材料是指用于制造包装容器和构成产品包装的材料总称。包装材料学就是研究包装材料的结构、性能及应用的科学。包装材料学是包装科学的基础学科，是包装工程专业的必修课程之一。

现代包装材料包括纸材、塑料、金属、复合材料、玻璃、木材等主要包装材料；以及粘合剂、涂料、油墨、缓冲材料、封缄和捆扎材等辅助包装材料。为了实现保护产品、利于贮运流通、便于携带使用、促进销售等包装功能，包装材料必须具备一定的性能，如具有拉伸强度、抗压强度、耐撕裂和耐戳穿强度、硬度等机械性能和机械加工性能；具有耐热性或耐寒性、透气性或阻气性、对香气或其他气味的阻隔性、透光性或遮光性、对电磁辐射的稳定性，或对电磁辐射的屏蔽性等物理性能；具有耐化学药品性、耐腐蚀性及在特殊环境中的稳定性等化学性能；以及具有封合性、印刷适性等包装要求的特殊性能等等。研究材料结构和这些性能之间的关系，选择适当的材料使之适合于特定产品包装和消费者的需要，并便于在现代包装机械上用各种现代技术加工，研制开发新型的包装材料是包装材料学的主要内容。

包装材料学是在造纸、高分子材料、硅酸盐（玻璃与陶瓷）材料、金属材料等工程材料学科基础上发展形成的边缘学科。由于包装科学作为一门独立的学科体系出现的历史还不长，人们对包装科学体系的认识还有待于深化和完善。包装材料学是包装科学体系的重要组成部分。随着包装科学的发展和包装科学体系的日益成熟，包装材料学也将不断充实。这一新兴的边缘学科也会变得更加完整。它将从描述性科学过渡到推理性科学；从定性过渡到定量。

二、包装材料发展史

包装和容器的使用，可以追溯到人类历史发展的初期。不言而喻，包装和包装材料的发展对人类文明的进步起了重大的推动作用。早在有文字记载的历史以前，人类在生活中就有了包装物品的需要。但古代人类对材料知识的掌握和运用非常有限，所用的包装几乎完全直接取自于自然界的天然材料。例如，在东方，人们用竹筒作为饮水容器；在西方，人们则用皮囊装水。前者取自植物，后者取自动物。在火发明以前（火大约发明于公元前50万年），人类所用的包装材料只能是树叶、蛤壳、竹筒、兽皮等。由于火的发明和使用，使人们懂得了用火烘烤泥制容器，继而产生了制陶业。后来，人们学会利用棉、麻等植物纤维纺织和编织。几千年前，人们开始使用布，用布缝制的布袋，是包装材料发展史上的重大进步。

和布一样，纸也是最早的人造包装材料之一。公元前2世纪，我国发明了纸，公元105年，蔡伦首先记载整理出造纸术。公元8世纪，阿拉伯人获取了造纸的秘密，尔后经西班牙、法国传到世界各地。最初纸是用捣碎的桑树皮和破布制造的，后来发明了用树木和植物纤维打浆的造纸技术。在造纸机发明以前，造纸停留在手工阶段。只有在发明了造纸机后，特别是纸盒和瓦楞纸箱用于包装以后，纸才成为用量最大、用途最广泛的包装材料。

据考古发现，在4千多年前埃及人就已使用玻璃瓶。从公元前1500年的古墓中曾发现带有花纹图案的香水玻璃瓶。人们对金属的了解、研究和应用也有几千年的历史了。最初人们知道的金属只有金、银、铜、铁、锡、铅少数几种。这些金属或以游离状态存在于自然界，或者容易从自然界冶炼出来。在一些文明古国，由铜和锡制成的青铜工具代替了石器，形成了历史上重要的青铜器时期（BronzeAge）。青铜及早期发现的金属是最早使用的金属包装材料。

对食品包装有重要意义的金属罐包装是英国人发明的。公元1200年，镀锡铁皮发明于捷克斯洛伐克的波希米亚，这个秘密保守了几个世纪。1620年，德国南部的大公偷走了这个技术，镀锡铁皮才开始用于包装。1810年PeterDurand发明了用马口铁罐贮藏食品的技术，这个技术一直沿用到今天。

早期使用的包装材料中，还有一类天然材料———木材。人们用木材制造木箱、木桶等包装容器，用热带红雪松制造高级烟盒。现在，因为森林资源越来越少，木材价格昂贵，成型困难，木材已被纸塑等其他材料取代。

18世纪工业革命促使科学技术有了巨大进步，也为包装和包装材料的发展创造了条件。可以说，包装发展史上每个进步，都与新材料的使用及这种材料制造的机械化、工业化分不开。玻璃容器生产的机械化就是一个实例。虽然玻璃制造技术发明很早，但只有在1900～1906年间研制成功吹瓶机及发明了压－吹、吹－吹等制瓶技术以后，玻璃瓶才从香水一类贵重商品的包装发展到食品、药品、化工产品等普通产品的包装。玻璃瓶以它优秀的性能，长期以来一直垄断着各种酒类的包装市场。现在，有些场合制造一次性使用的玻璃瓶已经比洗刷和重新使用旧玻璃瓶价格还便宜。由于玻璃容器阻隔性优良，不造成环境污染等原因，它已成为经久不衰的包装材料。

1799年法国人发明了第一台长网抄纸机，1808年英国人发明了圆网抄纸机并于1817年在美国使用。尔后，造纸工业有了飞跃地发展。起初，纸只用来包裹物品，作为包装容器并不令人十分满意，因为它不具备包装所需的湿强度。只有在牛皮纸和加工纸（防水纸）发明之后，纸才成为重要的包装材料。在许多发达国家，纸和纸板总产量的一半用于包装。玻璃纸、漂白纸、加工纸在包装领域有非常广泛的应用。纸与铝箔、乙烯或乙烯基聚合物等高分子材料复合，可以制成性能优异的新型软包装。复合纸容器和纸浆模塑容器，由于制造方便、容易回收，已成为前景广阔的绿色包装材料。

瓦楞纸板和瓦楞纸板箱（习惯称为瓦楞纸箱）的发明是包装发展史上一项重大变革。1871年美国人申请了瓦楞纸板专利，1894年研制成功第一只瓦楞纸盒，1902年双瓦楞纸箱正式作为铁路运输包装箱，不久，这种新型的包装便取代了木箱。从第一只瓦楞纸箱诞生至今不过100年，瓦楞纸箱生产实现了全部自动化，在美国已经形成了年产值100亿美元的产业。瓦楞纸箱重量轻、强度好、适于印刷，可用于包装各种产品。它与泡沫缓冲材料一起使用，改善了包装的抗冲击性能，成为主要的运输包装容器。瓦楞纸箱改变了运输包装的形态，方便了贮运，降低了贮运费，促进了流通和贸易，在包装发展史中有重要的历史意义。

金属包装材料和容器的发展与炼钢和轧制技术的进步有关。完全机械化的制罐机械大大提高了生产率。由于金属罐具有优良的包装功能，在历史上，镀锡（马口）铁罐曾经是主要的军用食品包装容器。至今，除了玻璃罐头以外，马口铁罐仍然是世界范围内罐头食品的主要包装容器。第二次世界大战期间，锡的供应出现短缺，镀锡钢板的生产供不应求，不用锡的镀铬罐和用高分子材料涂衬的无锡罐应运而生。50～60年代，美国和瑞士分别研制成功缝焊罐，1968年，日本又推出粘接罐，解决了无锡罐不能锡焊的问题。现在，几乎所有的金属罐都是用缝焊和粘接工艺制造的。尽管金属罐受到来自复合材料软包装的冲击，由于金属罐生产的高度自动化和较长的保质期，金属罐在包装工业中至今仍然占有稳固的市场。

金属软管是在1841年发明的。在历史上，金属软管首先作为艺术家们灌装颜料的包装容器。由于金属软管制造容易、使用方便，现在，它已经成为药品、化妆品、牙膏、刮面膏、涂抹食品、润滑剂、粘合剂、颜料、油墨、充填剂等等家庭、医药和工业用品的包装容器。尽管金属软管遇到其他类型容器的竞争，但它发展迅猛，前景可观。这不但由于它具有重量轻、取用方便、卫生、存贮期长、易搬运等优良的包装功能，还因为它适合于大规模生产和自动包装；它是眼、鼻、身体其他部位所用药剂的特殊涂敷器；它可以包装以膏状形态出售的各种现代商品，金属软管是一种使用方便的包装容器。

在金属包装发展史上，1953年英国发明的二片冲拔罐占有重要地位。由于直到19世纪末铝的冶炼技术才趋于完善，所以铝材在包装中的应用较晚。铝的资源丰富，质量轻，易加工，耐腐蚀，这些优点使它成为一种良好的金属包装材料。铝制二片罐无侧缝和底缝，结构整体性强，便于装潢印刷，很快地占领了饮料市场，打破了玻璃瓶在饮料市场独领天下的局面。装上易开启的易拉盖，二片罐成为当时风靡全球、受人喜爱的包装。但是，铝材耗电大、价格不断上涨，许多国家正在采取有力的措施回收废弃的铝罐。在二片铝罐发展的同时，用薄钢板冲拔的二片罐也获得成功，产量不断增加。目前，三片罐的生产速度为400只／分；二片罐的生产速度高达800～1200只／分。为降低成本、减少污染，金属罐正向轻量、薄镀、有机材料涂敷和形式多样化方向发展。

与主要包装材料平行发展起来的还有辅助材料。如在1892年美国的欧洲移民威廉·潘德发明的“王冠盖”可以说是玻璃瓶包装的一大革命。当时这种盖子的外形很象英国女王王冠，所以“王冠盖”的名称一直保留至今，而今天的啤酒和碳酸饮料玻璃瓶包装仍然使用着基本上与潘德发明形式上相同的封闭物。随着包装科学的进步，许多新的有特殊功能的包装封闭物发展起来，如防盗盖、旋压盖、易拉盖、喷雾盖等。它们在包装发展中有重要的历史意义。另外，人工合成性能优良的粘合剂、涂料、油墨、捆扎材及封缄材等辅助包装材料已取代了大部分天然材料。高分子合成材料的发展已经使粘合剂、涂料的生产形成了一个完整的工业体系，在包装、建筑、装潢和其他工业领域中发挥着不可忽视的作用。这些辅助包装材料是包装材料中不可缺少的一部分。

近代包装的发展与高分子材料的应用关系很大。塑料是在100多年前发现的，但它真正影响包装工业是在第二次世界大战以后。塑料作为工程材料的历史虽然不长，但它的发展速度之快、材料品种之多、应用范围之广确实是其他材料不能比拟的。目前，全世界塑料产量的三分之一用作包装材料，塑料的应用为现代社会带来了有历史意义的深刻变化。

1869年人工合成了第一种塑料赛璐珞（硝酸纤维素）。1909年合成了至今广泛使用的酚醛塑料。1911年研制了人们熟悉的玻璃纸（再生纤维素），它作为一种透明的包装材料，在20年代开始商品化，至今有着非常广泛的应用。1929年合成了第一种注塑材料———醋酸纤维素。1936年聚氯乙烯开始在市场销售。1938年尼龙（聚酰胺）问世。1942年合成出聚酯。1943年合成出聚四氟乙烯。第二次世界大战期间，由于远东的橡胶种植园被日本控制，人工合成橡胶的研制工作迫在眉睫。1948年人工合成的苯乙烯橡胶开始投产，聚苯乙烯生产迅速工业化。在此基础上，开发研制出性能优异的以ABS（丙烯腈－丁二烯—苯乙烯）为代表的新型高强度工程塑料。同时，其他聚苯乙烯塑料得到了开发，聚苯乙烯成为最有用的包装材料之一。作为缓冲包装材料，聚苯乙烯泡沫塑料在运输包装中发挥了重大作用。1954年在K．Ziegler和G．Natta催化理论的指导下合成了高密度聚乙烯和聚丙烯，不久，它们就成为重要的包装材料。随着高分子科学的进步，许多有优良性能的新材料以更快的速度被研制出来，形成了包括纤维、橡胶、塑料、粘合剂和涂料的非生物高分子材料庞大家族。

现在，像聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、尼龙、聚酯等塑料已为人们所熟悉。许多塑料薄膜和包装容器，虽然人们不能准确地说出它们的组成，但作为商品包装已经遍布世界各个角落，进入每个家庭。可以说，过去4千年所用的大多数传统包装材料，现在正迅速地被50年前还不知道的新材料所取代。这种有历史意义的重大变化都与塑料材料的应用有关。许多老的包装材料（纸、玻璃、金属）与塑料结合获得了新性能，几乎变成了新材料。纸／塑、纸／铝／塑、塑／铝／塑、塑／塑以及塑／镀敷氧化硅／塑等形式的新型复合材料的出现和应用形成了近代包装材料发展的新特点。可以毫不夸张地说，我们正处在一个“包装离不开塑料”的时代。

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