纤维素薄膜在用于食品包装的立式灌装封口机中的热封性能与转换性

《Packaging Technology and Science》：Heat Sealability and Convertibility of Cellulose Film in Vertical Form, Fill and Seal Machine for Food Packaging Applications

本研究评估了再生纤维素薄膜在标准和热带气候下的VFFS应用性能，发现锯齿状封口工具能提升封口强度，平工具易导致漏点。热带条件下，高湿度和温度导致材料粘附和成型困难，需优化涂层和成型肩设计以提高适用性。

　　在当前全球对可持续包装材料的需求日益增长的背景下，石油基柔性包装材料因环境问题而受到越来越多的关注。这种材料虽然在强度、柔韧性和加工性能方面表现优异，但其不可降解的特性给生态环境带来了显著负担。因此，研究者们正在积极寻找能够替代传统塑料包装的生物基和可降解材料。其中，再生纤维素薄膜因其透明性、柔韧性和改良后的机械与热性能，被认为是石油基包装材料的潜在替代品。然而，尽管其具备良好的基础性能，其在垂直形式、填充和密封（VFFS）机器中的应用尚未得到充分研究，特别是在密封性、摩擦行为和材料转换性方面。

本研究以一种商用纤维素薄膜——Futamura NatureFlex 30 NVO 为例，评估其在标准和热带气候条件下的性能表现。该薄膜具有热密封涂层，因此能够在一定温度范围内实现有效的密封效果。然而，研究发现，当温度超过110?°C时，其密封性能显著下降，主要原因是热密封涂层和纤维素薄膜本身的热降解。扫描电子显微镜（SEM）分析进一步证实了这一点，显示在使用锯齿状密封工具时，薄膜能够形成紧密且连续的密封界面，而在使用平直工具时，会出现未密封的微通道，导致泄漏风险增加。

在摩擦行为方面，研究发现纤维素薄膜的摩擦系数随着加热板温度的升高而增加。尤其是在热带气候条件下，高温和高湿度的环境显著提升了薄膜的表面粘附性和塑化效果，从而导致摩擦力的增加。这种现象可能与纤维素的亲水性和表面能变化有关，表明在高温高湿环境下，薄膜的滑动阻力会增强，影响其在VFFS机器中的运行效率。因此，为了改善薄膜在高湿度条件下的运行表现，可能需要对薄膜进行表面改性或对机器进行调整，以减少其粘附性和摩擦力。

在材料转换性方面，研究对比了两种不同的成型肩部设计：GKS成型肩部和LUT成型肩部。GKS成型肩部采用商业金属板制造，而LUT成型肩部则经过优化设计，旨在提升对纤维素材料的适应性。实验结果显示，两种成型肩部在标准气候条件下均能成功完成薄膜的转换，但LUT成型肩部在控制薄膜变形方面表现更优。然而，在热带气候条件下，薄膜的转换性能受到严重影响，出现了粘附现象和软化现象，导致难以形成完整的包装袋。这表明，纤维素薄膜在高温高湿环境下的适应性仍有待提升。

此外，研究还评估了纤维素薄膜的屏障性能，包括其对油脂和氧气的阻隔能力。实验结果显示，无论采用哪种成型肩部，薄膜的屏障性能均未受到明显影响，其油脂和氧气透过率保持在较高水平。这表明，尽管薄膜在转换过程中可能产生一些表面缺陷，但其整体屏障性能仍然较为稳定。这为纤维素薄膜在食品包装中的应用提供了积极的依据。

然而，研究也指出，纤维素薄膜在VFFS机器中的应用仍面临诸多挑战。首先，其热密封窗口较为狭窄，仅在90–110?°C范围内表现出良好的密封性能，超出这一范围则容易出现密封失败。其次，薄膜的机械性能在高温环境下容易受到影响，导致其在密封过程中发生形变或剥离。最后，成型肩部的设计对薄膜的表面质量有显著影响，尤其是在热带气候条件下，某些设计会导致明显的褶皱和表面粘附，从而影响包装的外观和功能性。

为了推动纤维素薄膜在VFFS机器中的广泛应用，研究建议从多个方面进行改进。一方面，可以通过优化热密封涂层的配方，提升其热稳定性，从而拓宽热密封窗口。另一方面，可以采用纳米纤维素、纳米晶等材料对薄膜进行改性，以增强其机械强度和热稳定性。此外，对成型肩部的设计进行优化，使其更适应纤维素材料的特性，有助于提升薄膜在高湿度环境下的转换性能和运行稳定性。最后，通过表面改性和涂层技术，可以有效减少薄膜在高温高湿条件下的粘附性和摩擦力，从而提高其在工业包装中的适用性。

总体而言，本研究揭示了纤维素薄膜在VFFS机器中的性能表现及其面临的挑战。尽管其在标准环境下表现出良好的密封性和转换性，但在热带气候条件下仍需进一步优化其材料性能和机器设计。未来的研究应着重于开发更高效的热密封涂层、改进成型肩部设计以及提升薄膜的热稳定性和机械强度，以确保其在多种环境条件下都能稳定运行，并满足食品包装对密封性和外观质量的高要求。这些改进不仅有助于提升纤维素薄膜的市场竞争力，也为实现更加环保的包装解决方案提供了重要的理论支持和实践指导。