蓄冷剂与选择透过性薄膜对瓦楞纸箱隔热性能的影响

刘 谨 郭彦峰 张 伟 付云岗

（西安理工大学包装工程系，陕西西安，710048）

温度是果品、蔬菜、食品等易腐产品保鲜贮运的重要影响因素之一，这些产品的气调包装系统及其相关组成材料的热量传递机理和隔热性能是一个关键性的基础研究课题［1-3］。在果品等气调包装系统中，瓦楞纸箱是一类重要的运输包装形式，而对氧气、二氧化碳气体、水蒸气具有优良阻隔性能的选择透过性薄膜是一种重要组成材料。宋宝峰等分析了PVDC、PET、PP、PE薄膜对水蒸气、氧气、二氧化碳气体的渗透性能，认为它们是4类重要的气调包装技术用薄膜［4-5］。文献［3］和文献［6］分别报道了胡罗卜切片、蘑菇、椰菜、番茄在不同混合气体（氧气、二氧化碳）浓度的气调包装系统中，贮藏温度明显波动对这些蔬菜品质特征的影响，结果表明温度是主要影响因素。Chandrasekar等研究了经过热盐水处理的蘑菇切片在复合包装袋中保鲜贮藏过程中的热量传递过程、温度变化情况［7］。宋宝峰［4］、李新平等［7-8］探讨了瓦楞纸箱包装系统的传热过程，认为瓦楞纸箱具有良好的保温隔热效果，与泡沫材料等其他隔热材料结合使用，可开发出保鲜瓦楞纸箱。高斯等介绍了保温包装整体设计与结构分析方法［9］，周祥兴分析了蓄热剂、蓄冷剂在餐饮包装中的应用［10］，王京海［11］、潘松年［12］采用渗透反应动力学分析了温度对塑料薄膜包装材料渗透性能的影响。这些研究工作推动了非冷库、非气调库条件下的气调包装技术、果蔬隔热保温包装技术，但都尚处于基础研究阶段，也缺乏基础数据的支持。本实验以普通瓦楞纸箱作为主要包装方式，研究了蓄冷剂和选择透过性薄膜对普通瓦楞纸箱的温度阻隔性能的影响，探讨了复合瓦楞纸箱的温度（热量）传递效果。

1 实验

1.1 实验热源

采用加热纯水（物理热源）作为等效热源，代替被包装果品（生物热源）。由于水具有较高的热稳定性，在通常状况下只存在放热或吸热单一过程，简化了被包装果品的吸热、放热过程，提高了实验数据的准确性。该热源装置选用500mL圆底两头烧瓶（见图1）放置在三角架上。烧瓶的一头由橡胶塞固定温度计且密封烧瓶，另一头由胶布固定加热装置且密封烧瓶。加热器对纯水持续稳定加热，通过预设的温度来控制热源温度。

1.2 复合瓦楞纸箱

复合瓦楞纸箱选用普通瓦楞纸板套装箱，由内箱和外箱组成，纸箱尺寸480mm×295mm×210mm，双瓦楞纸板厚7.0mm，芯纸、里纸定量125g/m2，面纸定量280g/m2。首先在套装箱的内壁均匀涂布蓄冷剂胶体（由粉末状蓄冷剂与水以质量比1∶15制备而成），然后在涂布层表面均匀撒粉末状蓄冷剂。所使用的蓄冷剂以超高分子或其接枝聚合物为主要成分，胶体用量0.467mg/mm2、粉末用量0.098mg/mm2。待基本晾干后在粉末层的表面复合一种选择透过性薄膜。选择透过性薄膜选用40μm PVDC薄膜，20℃时O2透气量19.622mL/（m2·24h·0.1MPa），CO2透气量51.294mL/（m2·24h·0.1MPa）。在内箱的顶部按规律设计有13个孔位（见图2），插入橡胶管固定温度计（见图3），A～L是12个监测温度计位置，M是热源温度计位置。A、E、G、K距热源中心M点262mm，B、D、H、J距M点159mm，C、I距M点105mm，F、L距M点240mm。对称点指图2中距离热源中心M点的半径相同的测点，而非对称点指半径不同的测点。在内箱的侧面固定了带有缺口的单瓦楞隔板，用于沿垂直方向固定橡胶管和温度计。

1.3 实验方案

包装方式以普通瓦楞纸箱作为主要结构，根据是否有蓄冷剂层、选择透过性薄膜而分为3种对比情况，即蓄冷剂+薄膜、无蓄冷剂+薄膜、无蓄冷剂+无薄膜。对比实验分为放热实验和吸热实验（见表1），放热实验模拟果品在贮藏过程中复合瓦楞纸箱的隔热效果，而吸热实验模拟果品在运输过程中复合瓦楞纸箱对外界热流的阻隔作用。通过这些对比实验，研究蓄冷剂、选择透过性薄膜对普通瓦楞纸箱的温度阻隔性能的影响，探讨复合瓦楞纸箱的温度（热量）传递效果。

2 结果与讨论

2.1 复合瓦楞纸箱的热传导过程

复合瓦楞纸箱果品包装系统的内部、外部产生的热量包括3个主要部分，外部高温气体通过箱壁向箱内气体传热（q1）、系统内部由纸箱侧壁空隙气体交换而带入热量（q2）、果品产生呼吸热（q3），则h小时内上述3种热传递方式向纸箱内果品输入总热量Q1为［4，13］

表1 对比实验方案与参数

式（1）中，K是整个纸箱的传热系数（kcal/（m2·h·K）），T1、T2分别为包装箱内侧、外部温度（℃），A是包装箱的表面积（m2），M是每小时热交换空气的质量（kg/h），G是果品的质量（kg），i1、i2分别是纸箱内、外空气的比焓（kcal/kg），u是1h内果品由呼吸作用而产生的CO2的质量（g）。

假定果品在温度T下保鲜贮藏h小时，没有影响其色香味以及食用价值，由于果品在包装箱内的吸热过程一般是定压过程，故果品温度升高1℃所需的热量是定压比热（Cp）。果品温度由T1升高到T时需要吸收热量Q2，若忽略其他热量损失，根据能量守恒定律，则外部环境向果品输入的总热量Q1等于果品所吸收的热量Q2，即［4，13］

本实验模拟分析果品复合瓦楞纸箱的隔热性能，采用加热纯水（物理热源）代替果品贮藏时的呼吸热（生物热源），故由式（1）、式（2）得

式（3）中，c是水的比热（kcal/（kg·℃）），M1是加热纯水的质量（kg）。纸箱内、外空气的比焓i1-i2=（1.01+1.84d）（T1-T2），d是空气的相对湿度，故由式（3）得整个纸箱的导热系数K的计算公式

利用式（4）可计算出复合瓦楞纸箱的导热系数。

2.2 复合瓦楞纸箱的放热、吸热结果

放热实验中，复合瓦楞纸箱在实验之前温度约21℃左右。在热源温度（37±2）℃、环境温湿度5℃、RH50％条件下，由于热源温度（M点）明显高于复合瓦楞纸箱系统的外部环境温度，复合瓦楞纸箱内的空气通过复合瓦楞纸箱系统与外部环境进行传热过程，即放热过程，该过程可分为3个阶段，包装箱内的空气以对流和辐射方式向箱壁内表面传热（箱壁内表面吸热过程）、包装箱箱壁内部以固体导热方式由箱壁内表面向外表面传热（箱壁导热过程）、包装箱箱壁外表面以对流和辐射方式由内向外部环境的空气放热（箱壁外表面放热过程）。图4是有蓄冷剂和选择透过性薄膜的复合瓦楞纸箱内侧的空气温度变化曲线，显然，包装箱内壁的12个测点的温度变化规律是处于一个逐渐降低且最终趋于恒定的过程，其传热特征是：①在放热过程开始阶段，复合瓦楞纸箱内壁附近的空气温度迅速降低，在约80min以后，内壁附近的空气温度降低至10～14℃左右；②在放热过程约80min后温度下降开始明显缓慢，热源继续恒定放热，通过蓄冷剂、薄膜的调节作用，使复合瓦楞纸箱内部的温度维持在一个相对稳定状态且高于外部环境温度；③与热源中心M点等距的4组测点（A、E、G、K4个测点，B、D、H、J4个测点，C、I2个测点，F、L2个测点）的温度变化曲线相似，每组测点的温度误差不超过1℃；④设包装箱内壁12个测点到热源中心的距离分别为RA=RE=RG=RK=R1，RB=RD=RH=RJ=R2，RC=RI=R3，RF=RL=R4，由于R1＞R4＞R2＞R3，且由图4可以看出，对称测点R1的温度变化曲线最低，其次是对称测点R4、R2，最后是对称测点R3，即复合瓦楞纸箱内壁附近的空气的温度随R的增大而减小。

吸热实验中，复合瓦楞纸箱在实验之前温度约11℃左右。在热源温度（37±2）℃、环境温湿度25℃、RH50％条件下，外部环境的空气开始通过复合瓦楞纸箱系统与其内部环境进行传热过程，即吸热过程，传热方向与放热过程相反。由图5可知，包装箱内壁的12个测点的温度变化规律是处于一个逐渐上升且最终趋于恒定的过程，其传热特征是：①在吸热过程约80min内，复合瓦楞纸箱内壁附近的空气温度逐渐升高至28℃左右；②在吸热过程约80min以后，热源继续恒定放热，通过蓄冷剂和薄膜的调节作用，复合瓦楞纸箱内部的温度维持在相对恒定水平且略高于外部环境温度；③在吸热过程中，各组测点的温度变化规律与放热过程类似。

在放热、吸热过程开始阶段，复合瓦楞纸箱的内部空气温度高于（或低于）外部温度，根据传热理论，复合瓦楞纸箱的内部热量会自发地与外部环境热量进行转移，然而复合瓦楞纸箱会阻止热量的转移过程，使得复合瓦楞纸箱的内部热量与外部环境热量的转移有个延迟过程。对于放热包装，内部热源以热传导的形式通过内部空气将热量传递到纸箱内表面，纸箱内壁有蓄冷剂和薄膜。首先，在热空气从选择透过性薄膜渗透时，薄膜对热空气会产生阻碍作用，小部分热量会被反射回包装箱内部，而大部分热量继续向外部传递；其次，在热空气穿过蓄冷剂时，蓄冷剂也会吸收一部分热量使内环境保持在预定温度；最后，通过薄膜和蓄冷剂的热量遇到瓦楞纸箱时，大部分被反射回纸箱内部。对于吸热包装，外部环境以热传导的形式通过外部环境将热量传递到纸箱外部，纸箱会反射大部分热量，其余热量继续进入纸箱内部，遇到蓄冷剂后，大部分被吸收，少部分通过蓄冷剂继续前进，当遇到薄膜时，大部分被反射，只剩下极少数进入到内环境。

2.3 3种包装方式对比结果

图6和图7给出了3种包装方式下瓦楞纸箱内壁监测点的放热及吸热对比实验结果，表2是根据式（4）计算的3种包装方式下瓦楞纸箱的传热系数。在封闭的复合瓦楞纸箱系统内部，距离热源中心越远的测点，温度越低、温差越大，导热系数越大。这些对比曲线和实验数据表明，蓄冷剂和选择透过性薄膜对普通瓦楞纸箱的隔热效果有明显的调节作用，有蓄冷剂、薄膜的包装箱（复合瓦楞纸箱）的隔热效果最好，其次是有薄膜、无蓄冷剂的包装箱，而普通瓦楞纸箱（无蓄冷剂、无薄膜的瓦楞纸箱）的隔热效果一般。

综上所述，3种包装方式下的放热、吸热对比实验结果表明，蓄冷剂、选择透过性薄膜的双重调节作用对普通瓦楞纸箱的温度阻隔效果最优，而无蓄冷剂、只有选择透过性薄膜的单独调节作用时，也能提高普通瓦楞纸箱的温度阻隔性能。因此，合理选用蓄冷剂、选择透过性薄膜可有效提高普通瓦楞纸箱的隔热性能，改善气调纸箱包装技术的保鲜作用。

表2 3种包装方式下瓦楞纸箱的传热系数

3结语

研究了蓄冷剂、选择透过性薄膜对普通瓦楞纸箱的温度阻隔性能的影响，探讨了复合瓦楞纸箱的温度（热量）传递效果。结果表明，蓄冷剂、选择透过性薄膜对普通瓦楞纸箱的温度阻隔性能有明显影响，合理选用蓄冷剂、选择透过性薄膜可有效提高普通瓦楞纸箱的隔热性能，改善气调纸箱包装技术的保鲜作用。

［1］高海生，赵希艳，李润丰.果蔬采后处理与贮藏保鲜技术研究进展［J］.农业工程学报，2007，23（2）：273.

［2］卢立新.果蔬气调包装理论研究进展［J］.农业工程学报，2005，21（7）：175.

［3］Kablan T，Mathias K O，Gilles D，et al.Comparative evaluation of the effect of storage temperature fluctuation on modified atmosphere packages of selected fruit and vegetables［J］.Postharvest Biology and Technology，2007，46（3）：212.

［4］宋宝峰.开发果蔬保鲜包装材料［J］.包装工程，1994（6）：241.

［5］Mangaraj S，Goswami T K，Mahajan P V.Applications of plastic films for modified atmosphere packaging of fruits and vegetables：a review［J］.Food Engineering Review，2009，1（2）：133.

［6］Iqbal T，Rodrigues F A S，Mahajan P V，et al.Mathematical modeling of the influence of temperature and gas composition on the respiration rate of shredded carrots［J］.Journal of Food Engineering，2009，91（2）：325.

［7］Chandrasekar V，Gopal S，Rai R D.Heat penetration characteristics and shelf-life studies of mushrooms in brine processed in retort pouches［J］.Packaging Technology and Science，2007，17（2）：213.

［8］李新平，严 丽.水果保鲜方法及保鲜瓦楞纸箱简述［J］.包装工程，2007，28（1）：116.

［9］高 斯，钱 静.保温包装整体设计及结构分析［J］.包装工程，2010，31（7）：51.

［10］周祥兴.蓄热剂和蓄冷剂包装［J］.中国包装工业，2003（3）：21.

［11］王京海.温度对食品包装薄膜材料透湿性能的影响［J］.食品科学，1998，19（4）：57.

［12］潘松年.塑料薄膜包装材料的渗透反应动力学研究［J］.北京印刷学院学报，2004，12（4）：13.

［13］金潇明.果蔬包装贮藏分析与隔热计算［J］.包装工程，1990（1）：25.