纳米材料在包装中的研究现状

赵桐

纳米是一种长度计量单位，翻译成英文是“nanometer”，是微观世界的单位长度。纳米技术是诞生于20世纪80年代末的新兴技术，是研究结构尺寸为1～100nm的物质的工程技术。作为一种新兴技术，纳米科技受到广泛的关注。纳米技术已经在物理、医药、化工、电子科技、材料制造、能源与环境、生物科技、农业开发等领域展开。

如今，随着纳米技术在科技领域越来越活跃，也广泛地应用到了包装领域中。纳米技术作为包装领域的新兴技术，研究其在包装中的应用，能够推动包装工业快速发展。纳米材料相比于普通材料，大大增强了食品的保鲜期限，满足了消费者对食品新鲜程度的需求，纳米包装材料还减小了物品在运输当中的安全隐患，有些纳米材料也应用在包装机械的部件中。因此，研究纳米材料在包装领域的应用，能改善包装领域的局限，完善包装领域的不足，满足人们的需求，方便人们的生活。

纳米包装材料

纳米包装材料是指通过纳米技术将分散相尺寸为1～100nm的纳米颗粒或晶体，与其他包装材料通过纳米合成、纳米添加、纳米改性等方式加工成为具备纳米结构、纳米尺度及特异功能的新材料。纳米包装则是指应用纳米技术，采用纳米复合包装材料，使包装具有超级功能或奇异特性的一类包装总汇。纳米包装改变了传统包装技术，通过有效地利用原子、分子赋予材料的新特性，改变包装材料的功能从而满足特种包装的需求。与传统包装材料相比，纳米包装材料具有良好的机械性、优异的物理化学性能、优良的加工性能以及环保性能。

纳米材料具有稳定性、可塑性、阻隔性，能够杀菌消毒、去除异味、降低食物中营养物质受自身酶的分解和空气氧化的程度，有效地保持了包装食品的新鲜度，延长了包装食品的保质期，同时可以降低食品中营养成分的流失。

1.纳米抗菌包装材料

纳米抗菌薄膜是在聚烯烃薄膜中加入无机纳米抗菌剂和增效剂，利用金属离子作用和光催化作用，使菌体变性或沉淀，遇水还可对细菌发挥更大的杀伤力，其吸附力和渗透力很强，此包装材料广泛应用于液体奶、饮料等无菌包装中。在尼龙66中掺入一种特殊的纳米黏土复合材料，改性后对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌具有明显的杀伤效果，同时降低了生产成本，目前应用于食品等高档包装薄膜的生产。

日本某公司开发了以银沸石为母料的新型无机抗菌剂，其抗菌效果持续的时间长，不会对包装物产生影响，加工稳定性高，对环境无污染，广泛应用于熟食类、水产品和液体等食品包装。

2.纳米保鲜包装材料

水果蔬菜在包装过程中易放出乙烯，乙烯达到一定浓度后会加快水果蔬菜的腐烂程度，在包装材料中加入纳米Ag可以起到良好的保鲜效果，纳米Ag具有乙烯氧化催化作用，可以加速水果蔬菜释放出的乙烯，减少包装中乙烯的含量，使其保鲜。紫外线可使肉类氧化变色，破坏食品中的维生素和芳香化合物，降低食品的营养价值，纳米TiO2可以有效屏蔽紫外线，用纳米TiO2制成透明塑料包装材料可以有效地降低紫外线对食物的破坏作用，以保持肉类的新鲜。

例如在金针菇包装中加入纳米Ag和纳米TiO2，两种物质协同可以更好、更安全地发挥抑菌作用，并减少袋内乙烯的含量，从而调节金针菇的内部代谢和改善外部贮藏环境来发挥保鲜效果。将混合了纳米Ag、纳米TiO2和高岭土的纳米包装材料用于生菜的包装，由于纳米材料具有良好的阻隔性，能够有效地保持袋内较高的空气湿度，保证生菜在贮藏期间的质量，降低生菜中叶绿素酶对叶绿素的分解，延缓生菜酶促褐变，保持生菜的鲜嫩。

用天然活性陶土和聚乙烯混合制成的包装袋，可以过滤水果蔬菜在熟化过程中产生的气体和水分，使真菌不易在袋内生长，以延长水果蔬菜的保鲜期限。国内江南大学的陈正行等将纳米Ag、纳米TiO2、聚乙烯塑料、偶联剂、润滑剂、抗静电剂和稳定剂混合均匀后制成纳米保鲜膜，可用于盘菜的保鲜。采用纳米复合技术制成的新型纳米包装材料聚酶铵-6塑料，降低了氧气和二氧化碳对于包装的透过率，同时降低了水的透过率，用于香肠、火腿、泡菜等食品的包装，延长了食品的保质期。

气调包装是用自动混合保鲜气体（常为CO2、N2、O2）置换包装袋内的空气，并利用包装材料的透气性，使食品处于适宜的气体环境中，多用于肉类食品、果蔬、乳制品的等的包装，以延长食品的保质期。郭玉花等研制了纳米活性分子筛气调包装，以LDPE/LLDPE为基材，添加A型纳米活性分子筛，制成的保鲜包装膜，其拉伸和热封性能下降，撕裂性能上升，透气性和透湿性提高，对于果蔬的保鲜起到很好的作用。

3.新型纳米阻隔性材料

随着轻量化材料的应用，在塑料薄膜上真空沉积约50纳米厚的铝层，这种纳米薄膜材料可以应用于糕点、咖啡的包装。在玻璃包装容器中加入纳米有机硅烷，使用等离子技术或高温技术做表面处理，能够阻碍氧气、水、香气交换的通道，降低扩散率，从而保持了食品的香味和口感。

中科院化学所研究人员用PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）复合技术，将有机蒙脱石与PET单体加到聚合釜中，研制出PET纳米塑料（NPET），这种纳米塑料比普通PET瓶的氧气阻隔率提高20倍多，对二氧化碳的阻隔率提高7倍多，对水汽的阻隔率提高8倍多，用于盛装啤酒，能使啤酒达到4～5个月以上的保质期，保持了啤酒的新鲜口感。

F.M.Yang等人将聚乙烯纳米粉末与纳米Ag、高岭土、锐钛矿TiO2、金红石TiO2混合制成的新型纳米包装材料在4℃条件下包装草莓果实，因其具有较低的相对湿度、较低的氧气透过率和较高的纵向强度，能够有效阻隔氧气和水的透过，提供了一个低湿度的不利于真菌生长的环境，从而有效地抑制了草莓的腐烂，延长了草莓的保鲜期限。

4.防伪包装

纳米金属微粒呈黑色，具有表面活性高、比表面积大、对温度等周围环境敏感，能够吸收红外线等特点。当把这种纳米微粒加入到包装材料中，制成涂料或上光涂布在包装材料表面，人们可以利用光线或温湿度来鉴别商品，以达到防伪的目的。

纳米复合变色防伪薄膜是将纳米材料与金属薄膜复合，形成AlSiO2为主体的多层复合薄膜，由于多层薄膜对光产生干涉作用，而使薄膜反射光的颜色随光反射的角度变化而变化，达到多层变色的目的，从而对商品进行防伪。在多层聚合物包装中填入带有内存信息的纳米塑料薄膜，制成的防伪塑料包装，在打开包装后，包装内部薄膜上会显示出商品的内存信息，用来防伪。

德国某公司研制出一种新型的光点全息图防伪包装标签系统，这种系统是利用激光束把微米大小的数据信息以光点的形式打入到标签中，通过识别光点在标签形成的全息图来鉴别商品的真伪，这种新型的防伪技术在标签生产和包装领域应用广泛。

5.防静电包装

纳米掺锑二氧化锡颗粒有良好的导电性、透明性、耐候性、稳定性及红外发射率低等特性，而且纳米金属、纳米掺锑二氧化锡颗粒还具有消除静电的作用，在包装材料中加入纳米掺锑二氧化锡颗粒，涂层的导电性可以明显改善，达到消除静电的目的。并且包装表面不会吸附灰尘，减少了摩擦造成的擦伤。因为材料表面无静电吸附现象，材料在印刷过程中能够提高印刷速度，获得更好的印刷效果。将0.1%～0.3%的纳米TiO2、ZnO、Fe2O3、SiO2、Cr2O3等粉体在造纸过程中掺入到造纸浆料中，由此制作的特种纸，能够耐摩擦、耐腐蚀、防水、防油、防锈，而且对静电产生良好的屏蔽作用，降低静电效应，提高包装产品的安全系数，可做高精密仪表电器、光洁度要求高的不锈钢材料、各种合金材料的包装衬纸。

6.军用包装材料

随着包装不断地发展，包装对特种功能的需求也不断增加，在军用包装方面，如防爆包装、迷彩包装、隐身包装、防雷达包装等新要求的出现，促使了纳米技术在包装中的进一步发展。

将4.7%的胶岭土材料与尼龙-6型聚合物混合，从而制造的纳米复合材料有较强的抗拉强度和抗弯强度，应用于军用包装中可以提高军用物品的抗变形能力、抗高温能力，能够使军用物品在运输中适应多变的环境，保证了安全性和抗击打能力。美国在20世纪80年代对雷管等火药用品的防爆包装进行了试验，研制出可注塑填充在包装容器内的防爆材料，这种防爆材料不仅能防止一个容器内的爆炸物发生爆炸，还能防止相邻容器内的爆炸物发生爆炸，具有吸收动力冲击波、多空、减震、重量轻等特点，在军用防护包装中得到广泛的应用。

7.韧性包装材料

玻璃容器和陶瓷容器具有无毒无害、密封性好、表面光滑等优点，在包装产业中占有一席之地，但玻璃和陶瓷还存在易碎易坏、不便于搬运的缺点，从而逐渐被金属包装取代。基于这样的特点，欧美一些国家将纳米粒子添加入普通的玻璃材料中，使其具有了韧性，减少了玻璃的脆性。

纳米SiO2应用在高分子包装材料中能够提高高分子材料的抗老化性、耐热性、抗冲击性、拉伸强度、阻气阻水性等，并且能与基体材料很好地结合在一起，增强了包装材料的韧性。孟祥胜等采用纳米SiO2对PVA薄膜改性，使PVA薄膜的耐水性提高了2.4倍。天津大学化工学院姜云鹏和清华大学邓国宏用正硅酸乙酯制备二氧化硅溶胶，再将其加入到PVA水溶液中，最后在玻璃板上进行涂膜，这种复合膜与普通PVA膜相比，力学性能有了很大的提高。

纳米材料在包装机械中的应用

纳米材料不仅在包装材料中有广泛的应用，也在包装机械中有较多的应用，能够提高包装机械的耐磨性、硬度、使用寿命等。

1.纳米陶瓷

纳米陶瓷正在取代金属材料用于食品包装机械的密封环、轴承等部件，纳米陶瓷具有高强度、高韧性、高耐磨性，且价格低廉、性能良好。它能够高供食品包装机械部件的耐腐蚀性和耐磨性，也可做表面涂层提高输送机械和沸腾干燥床等关键部件的性能。

日本公司利用纳米TiO2具有催化作用，将其用在玻璃或陶瓷表面，可以在光照条件下将附着在玻璃或陶瓷表面的油污、细菌等脏物质氧化成气体或容易清除的物质，从而研制的自洁玻璃或自洁陶瓷，用于制作食品包装机械的箱体，可以更好地除菌，便于清洁。德国研究所利用纳米硅基陶瓷防污防尘、耐刮耐磨、防火等特性，将其制成耐磨、不污染的透明涂料，将此涂料涂在塑料、玻璃等物体上，使塑料、玻璃具有耐磨损、防火、防脏的功能，可做表面涂层用于食品包装机械中与食品直接接触的部件。

2.纳米磁性材料

纳米TiO2和纳米SiO2能够制成多层干涉膜，具有较高的透光率和较强的红外反射能力，能够省电，可用于包装机械的红外线杀菌和干燥设备。纳米微晶磁阻抗材料由于具有良好的稳定性、线性度和较高的灵敏度，制成了纳米磁敏开关及传感器，提高了包装机械的自动控制系统性能。在高硬度耐磨涂料中加入纳米相材料，可以提高涂料的硬度和耐磨性，从而防止金属材料被腐蚀，并减慢复合材料的老化速度，具有较高的韧性。在表面涂层中加入纳米颗粒，可以减小摩擦系数，制成自润滑材料，作为包装机械关键部件的金属表面涂层，能够提高机械的硬度和耐磨性，延长使用寿命。纳米磁性液体利用适合的磁场，能够将磁性润滑油固定在所需机械的零件上，能够让机器在工作时降低噪声、减少材料损耗、控制温度。

3.纳米橡胶

橡胶在食品包装机械中用于食品真空密封部件，是食品包装机械中的原材料，其具有高强度、高耐磨性和抗老化性，但这些性质是由于橡胶中加入炭黑实现的，黑色的橡胶不适宜在食品包装中应用，因此，纳米橡胶材料能够解决这样的问题。纳米橡胶材料的性能较普通橡胶有了更大的提高，抗老化性能是普通橡胶的3倍，使用寿命能达到30年以上，色彩鲜艳，还具有很好的保色性。

纳米材料在包装中的发展前景

纳米材料作为一种新兴材料，人们对它的认识才刚刚开始，科学界目前只重视纳米材料优良功能的发现和新产品的研发，并没有注意到它的特殊性可能会对机体产生潜在的危害。目前没有专门的机构对纳米材料进行完整确定的安全测评，也没有足够的证据说明纳米材料是绝对安全的。科学界有必要对纳米材料通过食品包装对人体潜在的影响给予足够的关注，为食品包装中应用的纳米材料提供科学依据。同时，纳米材料对于包装机械来说，拥有昂贵的检测设备，纳米材料制备困难也对纳米包装材料的推广造成影响。

纳米材料在包装中已经有了广泛的应用和较为成熟的技术，因其具有良好的阻隔性、抗菌性、稳定性，已在食品包装中得到了较多的应用。笔者认为，纳米包装材料具有较低的透氧率、透水蒸气率和良好的阻隔性，还可作为茶叶、咖啡、调料品等食品的防潮包装。纳米包装已在食品包装、防伪包装、军用包装中有了一定的发展，在以后的研究中也会逐步取代普通包装应用于各种生活用品的包装中。纳米材料不仅可应用于食品包装材料、包装机械中，依据纳米材料小分子、轻量化、可降解等特性，也可应用于绿色包装，通过纳米改性技术向包装材料中加入纳米成分，可将原有的污染材料变成无污染材料，提高包装材料的分解能力和生物可降解性，达到环保的目的。

综上所述，纳米材料在包装材料中的应用已经较为成熟和广泛，在食品包装中能够起到良好的抗菌、保鲜和阻隔作用，尤其对果蔬的包装，降低了果蔬的呼吸率，能够最大限度地保持果蔬的新鲜程度，也延长了肉制品、奶制品这类保鲜期较短食品的保质期限。纳米包装材料提高了防伪包装的防伪性能，增强了军用包装轻便、防爆等性能，韧性包装材料减小了运输过程中对包装品产生的损坏。同时纳米材料在包装机械部件中也有应用，它能够提高包装机械耐磨损性、防尘污性、耐腐蚀性，延长包装机械的使用寿命。在未来，纳米材料还可能普及于绿色包装，提升包装材料的环保性能，对于未来纳米材料在包装工业中的应用，还有更为广阔的空间。