食品包装用PET阻光母粒的制备和性能研究

摘 要：本文以二氧化钛（金红石型）、炭黑、PET粉、紫外线吸收剂为原料，采用熔融共混工艺制备PET阻光母粒。利用分光光度仪、万能力学试验机等对制备样品的阻光性能、力学性能等进行了测试。结果表明，阻光母粒的加入，能够明显提升食品包装用PET材料的阻光性能，起到良好的光屏蔽效果；当阻光母粒添加量在0%～15%时，随着添加量的增大，材料的阻光性能越来越优异，样品的拉伸强度、弯曲模量、比重也有所提升。简支梁缺口冲击强度随着阻光颗粒加入量的增大而逐渐降低。此外，增大阻光母粒的添加量，还有利于改善熔体流动速率。

关键词：聚对苯二甲酸乙二醇酯；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，随着食品工业的快速发展，对食品包装材料的功能性要求越来越高。聚对苯二甲酸乙二醇酯 （Polyethylene terephthalate，PET）作为一种常见的食品包装材料，因其优异的机械性能、耐热性及化学稳定性而广泛应用于各类食品包装。然而，普通PET材料对紫外线和可见光的透过率较高，无法满足对光敏感食品的储存要求。例如，如果牛奶的包装材料选用不当，会使得牛奶中的乳脂肪发生氧化反应，进而影响食品品质[1]。为改善PET材料的阻光性能，越来越多的研究人员致力于开发高性能阻光母粒来解决该问题，并已取得了阶段性的进展[2]。目前应用较多的是以钛白粉、无机填料以及分散剂为原料制备阻光母粒[3]，通过对母粒各项指标进行检测，各项指标基本符合《食品安全国家标准 食品接触材料及制品用添加剂使用标准》（GB 9685—2016）标准要求。还有研究提出以铝粉、钛白粉、炭黑等为原料来制备阻光母粒，同时为改善钛白粉含量过高而导致的PET胚瓶较脆的问题，还加入了一定量的聚丙烯（Polypropylene，PP）树脂[4]。但是，从目前的研究成果来看，还存在制备工艺复杂，在加工中母粒分散性不佳等问题。因此，如何在确保材料阻光性能的同时，保持其优良的力学性能和加工性能，仍然是亟待解决的问题[5]。

本研究以食品级炭黑、金红石型二氧化钛、紫外线吸收剂和PET粉为原料，采用熔融共混工艺制备了具有优异阻光性能的PET母粒，并系统探讨阻光母粒添加量对材料的阻光性能、拉伸强度、完全模量、简支梁缺口强度、比重以及熔体流动速率的影响，为高性能食品包装材料的开发提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 实验材料

钛白粉（金红石型，粒径100～300 nm），济南裕兴化工有限公司；炭黑（食品级，粒径为5～

15 μm），卡博特公司；UV234紫外线吸收剂，南京米兰新材料有限公司；CR-8863PET基材，华润材料有限公司；HW-K分散剂，日本三井蜡公司；PET粉（40～80目），万塑源橡塑公司。

1.2 仪器与设备

TSH25型双螺杆挤出机，南京创博机械设备有限公司；LMH60–SVPS型注塑机，震雄集团；SHJ-600型高速搅拌机，张家巷市亿利机械有限公司；MWD-10型万能力学试验机，山东万辰试验机有限公司；ZRZ1452熔体流动速率仪，美特斯有限公司；X-rite型分光光度仪，美国爱色丽公司。

1.3 制备方法

（1）PET阻光母粒的制备。预先将所有原料放置于真空干燥箱内烘干，除去原料中所含的水分以及表面残留的小分子杂质；将干燥后的原料按照表1的配比进行称量；将载体树脂PET粉、二氧化钛、炭黑、紫外线吸收剂和分散剂放置于高速搅拌机中搅拌10 min后制得混料；将混料加入挤出机中，调整挤出机温度，挤出机温度共设置为2段，第一熔融段温度设置为230 ℃，第二熔融段温度设置为240 ℃，以利于熔融和分散；将混料熔融后挤出，待挤出的熔融料稳定后，切粒、验收。

（2）测试样条的制备。将上述制备的阻光母粒与PET基材（CR-8863）进行混合均匀，按照质量百分数计，阻光母粒的添加量分别为0%、3%、6%、9%、12%和15%；使用注塑机制备成尺寸为100 mm×20 mm×4 mm的样条，对样条的阻光性能、拉伸强度、完全模量、简支梁缺口强度、比重以及熔体流动速率进行测试。

1.4 性能表征

熔体流动速率按照《热塑性塑料熔体质量流动速率和熔体体积流动速率的测定》（GB/T 3682—2000）进行测试，测试温度为230 ℃，负荷2.16 kg；拉伸强度按照ASTM D638-22（2022）塑料拉伸性能标准测试方法进行测试；弯曲强度和弯曲模量按照《未增强和增强塑料与电气绝缘材料弯曲性能的标准试验方法》（ASTM D790—2017）进行测试；简支梁缺口强度按照《塑料 简支梁冲击性能的测定 第1部分 非仪器化冲击试验》（GB/T 1043.1—2008）进行测试；比重按照《塑料 非泡沫塑料密度的测定 第1部分：浸渍法、液体比重瓶法和滴定法》（GB/T 1033.1—2008）进行测试；白度值采用反射法测试，采用美国爱色丽积分球分光光度仪X-riteColor i7，测试温度为室温（25 ℃）。

2 结果与分析

2.1 阻光性能分析

为评估材料的阻光性能，对添加不同质量分数（0%、3%、6%、9%、12%和15%）的阻光母粒制备的样品进行了白度值和遮盖率的测试。由表2可知，随着阻光母粒添加量的增大，样品的白度值逐渐降低，遮盖率逐渐增大，当阻光母粒添加量为15%时，遮盖率可达100.00%，实现了完全阻隔光线透过的效果。分析认为，本文制备的阻光母粒主要由二氧化钛、炭黑、紫外线吸收剂等材料组成，而二氧化钛为纳米级，粒径小，活性大，能够反射、散射、吸收光线，从而对光具有优异的阻隔能力。此外，二氧化钛是一种半导体材料，电子结构是由价电子带和空轨道形成的传导带构成，禁带宽度约3.2 eV，对可见光（400～780 nm）具有较好的吸收性能；对于紫外光部分，本文应用了紫外线吸收剂，其能够实现对紫外光的良好吸收。阻光母粒添加量的增大时，体系中含有的二氧化钛含量、炭黑、紫外线吸收剂等含量越高，因此对光线的阻隔作用越来越强。

2.2 力学性能分析

2.2.1 拉伸强度

为评估材料的力学性能，对添加不同质量分数（0%、3%、6%、9%、12%和15%）的阻光母粒制备的样品进行了拉伸强度测试。由图1可知，随着阻光母粒添加量的增大，样品的拉伸强度逐渐增大，未添加阻光母粒时，样品拉伸强度为57.98 MPa，当阻光颗粒添加量为15%时，样品拉伸强度增大至

61.12 MPa，拉伸强度增大了5.42%。分析认为，阻光母粒中含有大量的二氧化钛材料，随着阻光母粒添加量的增大，体系中二氧化钛含量越来越大，而二氧化钛本身是一种无机材料，力学性能优异，在复合物体系中，其能与PET高分子链相互缠绕，形成较多物理交联点，同时填料与高分子基体之间具有较好的界面结合力，使得样品的拉伸强度有所上升。

2.2.2 弯曲模量

本实验按照ASTM D790—2017对添加不同质量分数（0%、3%、6%、9%、12%和15%）的阻光母粒制备的样品进行了弯曲模量测试。由图2可知，随着阻光母粒添加量的增大，样品的弯曲模量得到一定提升。未添加阻光母粒时，样品的弯曲模量为1 693.58 MPa，当阻光颗粒添加量为15%时，样品的弯曲模量为2 211.55 MPa，提高了30.58%。分析认为，二氧化钛粒子为无机材料，具有刚性特性，随着阻光母粒添加量的增大，体系中二氧化钛的含量越来越高，而二氧化钛的加入能够提升样品的刚性，进而使得样品的弯曲模量增大。

2.2.3 简支梁缺口冲击强度

本文按照GB/T 1043.1—2008标准对加不同质量分数（0%、3%、6%、9%、12%和15%）的阻光母粒制备的样品进行了简支梁缺口冲击强度测试。由图3可知，阻光母粒添加量对样品简支梁缺口冲击强度有着一定影响。未添加阻光母粒时，样品的简支梁缺口冲击强度值为3.33 kJ·m-2，当阻光母粒添加量为15%时，样品的简支梁缺口冲击强度值下降至1.90 kJ·m-2，降低了42.94%。分析认为，随着阻光母粒添加量的增大，体系中二氧化钛无机粒子的含量越来越高，由于无机粒子具有一定的刚性，会导致体系的刚性增强，韧性降低，这也与上述弯曲强度、弯曲模量数据相互呼应。

2.3 其他性能分析

2.3.1 比重