自包裝行業(yè)采用PET的早期，人們就已認(rèn)識到這種材料的優(yōu)異性能，它能在許多食品、飲料、家居和個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品中取代玻璃和鋁質(zhì)包裝。除了具有容納和分配產(chǎn)品以及向消費(fèi)者傳遞營銷信息的作用以外，包裝還必須為其內(nèi)容物提供必要的保護(hù)，比如至少在計(jì)劃的保質(zhì)期內(nèi)。一些簡單的應(yīng)用例子包括防止碳酸飲料所含的二氧化碳逸出，防止氧氣接觸敏感的果汁和醬汁產(chǎn)品，以及限制乳制品暴露于光照(包括可見光、紫外線或紅外線)下。雖然PET比許多其他包裝聚合物有著更好的阻隔性，但它仍然是可透氣的，并且包裝的內(nèi)容物會(huì)與環(huán)境之間發(fā)生一定程度的氣體交換，這通常成為限制產(chǎn)品保質(zhì)期的因素。
隨著包裝尺寸的減小，如何為產(chǎn)品提供充分的保護(hù)已成為一項(xiàng)日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。氣體進(jìn)入(或損失)的速率與包裝的表面積成正比，而允許進(jìn)入或離開包裝的氣體總量由產(chǎn)品體積決定。隨著包裝體積的減小，表面積與體積之比不可避免會(huì)增大，這就需要通過改善包裝阻隔性來滿足必要的產(chǎn)品保質(zhì)期的要求。在消費(fèi)者對小包裝(含量控制和隨時(shí)隨地消費(fèi))的偏好以及品牌所有者對上架產(chǎn)品實(shí)行差異化的需求不斷增長的推動(dòng)下，小容量包裝將越來越普遍。小容量包裝還能讓品牌所有者以廣大潛在消費(fèi)者能夠接受的價(jià)格點(diǎn)向新興市場推出產(chǎn)品，而不會(huì)侵蝕價(jià)值。
改進(jìn)PET包裝阻隔性能的傳統(tǒng)方法
擴(kuò)展PET包裝的阻隔性能有多種方法，最終選擇哪種技術(shù)將取決于多個(gè)因素。這些因素包括阻隔性能所需改善的程度、保持生產(chǎn)靈活性的需要、物流鏈的局限，當(dāng)然還有生產(chǎn)的總成本。

二氧化碳損失的比較——單層、單層混合與多層阻隔技術(shù)的比較
改進(jìn)傳統(tǒng)PET包裝的阻隔性能最簡單的解決方案是在注塑系統(tǒng)的擠出機(jī)上將PET與一種市售的阻隔材料混合。混合產(chǎn)物的耐透氣性(被動(dòng)阻隔)得到改善，甚至可以主動(dòng)捕獲聚合物基質(zhì)中的氧分子(活性氧清除劑)。這種方法除了聚合物計(jì)量和混合助劑之外，不需要任何設(shè)備更換，這在某些情況下或許是一種適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案。但最簡單的解決方案往往也會(huì)有嚴(yán)重的局限性，甚至?xí)砗μ?。阻隔性改善因子與添加到混合物中的阻隔材料的量成正比。隨著添加劑水平的增加，PET瓶的清晰度和透明度通常會(huì)下降，這就限制了在保持需要的包裝外觀的情況下所能達(dá)到的改善程度。更為重要的是，與多層包裝相比，混合方案會(huì)增加阻隔材料的成本，并且對可回收性有著潛在的影響。
給瓶子涂層是改善單層PET包裝耐氣體滲透能力的另一個(gè)可選擇的方案。在瓶子內(nèi)表面涂一薄層玻璃狀涂層可以形成高效的防氣體滲透被動(dòng)阻隔?？稍诖邓芄ば蛑蟮牡入x子處理時(shí)進(jìn)行涂層。氧化硅涂層清澈透明，而無定形碳涂層則會(huì)給透明的包裝增加淺黃的顏色。這種涂層的效果可能受到瓶子變形的限制，會(huì)破壞瓶子的完整性，使阻隔性改善的凈效果下降。相比之下，多層共注塑阻隔解決方案則提供了更大的包裝設(shè)計(jì)自由度，因?yàn)檫@樣一來包裝變形程度對阻隔性能就不那么重要，甚至是無關(guān)緊要。這樣還可以加入活性氧清除劑材料，防止氧氣進(jìn)入，以降低頂部空間中的氧含量。在有應(yīng)用需要時(shí)，還可以創(chuàng)造出能夠提供光阻隔的多層結(jié)構(gòu)。
在操作層面上，由于耗材成本低，因此涂層方案具有吸引力。同時(shí)，由于等離子涂層系統(tǒng)是吹瓶和灌裝之間額外增加的工藝步驟，對瓶胚注塑廠商而言，要供應(yīng)多個(gè)吹瓶生產(chǎn)點(diǎn)成為了一項(xiàng)挑戰(zhàn)。系統(tǒng)供應(yīng)商的選擇，除其他因素外，還要考慮所選涂層的類型。阻隔涂層的質(zhì)量控制是通過監(jiān)測工藝參數(shù)完成的。氧化硅涂層本身只能使用實(shí)驗(yàn)室級儀器，如掃描電子顯微鏡來檢測。多層瓶胚中的阻隔層分布的質(zhì)量可以通過非破壞性和破壞性的檢查手段來確認(rèn)。
多層瓶胚是通過順序注塑或同時(shí)共注塑工藝而實(shí)現(xiàn)的。用上述兩種工藝得到的瓶胚都包含一個(gè)獨(dú)特的阻隔材料層，夾在PET的內(nèi)層和外層之間。盡管在食品和飲料行業(yè)中通常會(huì)批準(zhǔn)使用阻隔材料，然而另一個(gè)好處是，只有PET能與內(nèi)容物直接接觸。注塑之后的吹瓶和灌裝步驟不需要改變現(xiàn)有的生產(chǎn)線，這就意味著在需要時(shí)，生產(chǎn)商能夠保持靈活性，通過運(yùn)作一家中央注塑設(shè)備工廠來供應(yīng)多個(gè)吹瓶和罐裝地點(diǎn)的需求。
赫斯基多層阻隔技術(shù)
赫斯基的多層技術(shù)是一種完全集成的系統(tǒng)解決方案，它以公司的HyPET HPP產(chǎn)品線一流的單層瓶胚性能和可靠性為基礎(chǔ)。同時(shí)，由于PET和阻隔材料可同時(shí)通過澆口流入模腔，共注塑能縮短注塑周期并具備注塑薄壁瓶胚的能力。多層熔融流在共注塑熱流道的注嘴中形成，假設(shè)能保持相同的熱流道注嘴間距和界面，標(biāo)準(zhǔn)模具的冷半?？梢栽趩螌雍投鄬酉到y(tǒng)之間互換。雖然共注塑系統(tǒng)必須配置有兩個(gè)注塑單元和一個(gè)共注塑熱流道，以及必要的輔助和控制系統(tǒng)，赫斯基的多層系統(tǒng)則有著充分的靈活性，既可以運(yùn)行單層模具(完整模具和熱流道)也可以出于需求、季節(jié)性或目標(biāo)市場的變化，在不更換模具的情況下生產(chǎn)單層瓶胚。

多層阻隔技術(shù)可將阻隔層精確地放在需要的地方。左圖是偏置黑色層，遠(yuǎn)離表面趨向核心。右圖是一個(gè)完全密封的瓶胚圓頂。
與PET的單層混合物相比，被動(dòng)和主動(dòng)阻隔材料在多層包裝中的濃縮層中使用時(shí)均更有效。只需使用約50%或更少的混合阻隔材料，即可在多層阻隔包裝中獲得相同的阻隔改進(jìn)因子以及相關(guān)的保質(zhì)期。共注塑系統(tǒng)的效果已有報(bào)道，并在實(shí)驗(yàn)室研究中得到證實(shí)。盡管二者的機(jī)理不同，它對于必須防止氧氣接觸產(chǎn)品的氧氣清除劑應(yīng)用，以及必須將碳酸化保持在包裝內(nèi)部的被動(dòng)阻隔應(yīng)用均適用。對于被動(dòng)阻隔層的情況，通過為氣體分子產(chǎn)生更密集的“柵欄”來降低氣體滲透率。對于活性清除劑的情況，通過確保只有到達(dá)阻隔層的氧分子與清除劑反應(yīng)并被捕獲來延長清除劑材料的作用能力。
盡管光阻隔應(yīng)用不涉及氣體擴(kuò)散機(jī)制，但仍能從多層技術(shù)中獲得類似的材料成本和包裝性能優(yōu)勢。在室溫下，為更長時(shí)間保存乳制品(如超高溫處理牛奶)的保存能力受制于多種因素，包括核黃素(維生素B2)的分解以及光照引起的蛋白質(zhì)和脂肪的氧化，導(dǎo)致營養(yǎng)價(jià)值和口味的損失。單層瓶胚的TiO2母料(氧化鈦通常用于產(chǎn)生強(qiáng)烈不透明的白色)含量很難顯著高于12%，并且在某些點(diǎn)上不可能拉伸吹瓶，從而限制了其所能達(dá)到的光阻隔能力。相比之下，由于多層瓶胚在白色PET中包含一個(gè)隱藏的黑色PET層，其透光性大大降低，最高可阻擋99.99%650nm波長的光，同時(shí)又減少了對昂貴的不透明白色添加劑的需求量。
由于能夠通過瓶胚拱頂提供不間斷的阻隔層覆蓋，提高了整個(gè)包裝的阻隔性能，這對于對氧氣和光敏感的產(chǎn)品尤為重要。特別地，某些食品類型(例如意粉醬汁)在包裝內(nèi)不容易被混合，導(dǎo)致在未被阻隔層覆蓋的包裝部分可能發(fā)生局部氧化，從而造成變質(zhì)。赫斯基的熱流道設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)允許以圓頂端部封閉或開放(瓶底有無阻隔層均可)的方式來注塑多層瓶胚，在前一種情況下，可提供出色的端部處理(后緣)控制或阻隔層。
2015年，赫斯基開始選擇性地與一些早期采用客戶合作，在市場上推出該多層技術(shù)。從那時(shí)起，客戶已選擇依靠這種解決方案來為各種產(chǎn)品提供包裝，包括碳酸軟飲料、礦泉水、果汁、醬汁，現(xiàn)在已擴(kuò)展到乳制品、啤酒和個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品的應(yīng)用中。在各種情況下，多層技術(shù)均能讓客戶以相同的成本達(dá)到更長的保質(zhì)期，或以更低的成本達(dá)到相同保質(zhì)期，同時(shí)讓注塑解決方案保持完全的靈活性，而不會(huì)對下游設(shè)備或物流造成額外限制。
降低總生產(chǎn)成本的一個(gè)重要因素是能夠精確地為具體的產(chǎn)品確定用量并分配剛好適量的阻隔材料，同時(shí)保持赫斯基HyPET HPP系統(tǒng)的強(qiáng)勁生產(chǎn)力。眾所周知，原料成本是包裝總成本的主要組成部分。阻隔材料雖然占包裝重量的百分比相對較低(通常為2%至15%)，但要比PET貴得多。這就使得如何確保將最小必需用量的阻隔材料輸送到每個(gè)模腔，并以最有效的方式分布在瓶胚內(nèi)顯得至關(guān)重要。
這種先進(jìn)的控制水平只有通過采用獨(dú)特的，最先進(jìn)熱流道設(shè)計(jì)的完全集成的系統(tǒng)才能達(dá)到。熱流道所基于的技術(shù)即使在所有控制裝置尚未進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)整之前，也能實(shí)現(xiàn)前所未有的平衡度。這就減少了熱流道中熔融流體分裂的次數(shù)，而這也是熱流道不平衡的一個(gè)最重要的因素。
這種熱流道技術(shù)還提供了前所未有的設(shè)計(jì)自由度，優(yōu)化了兩種材料熔體輸送系統(tǒng)的流道布局，實(shí)現(xiàn)了高度的熱控制。許多阻隔材料具有較低的熔點(diǎn)，并且對溫度的敏感性比PET高。過熱或滯留時(shí)間過長均可能導(dǎo)致材料降解。這不僅影響瓶胚和瓶子的質(zhì)量，還會(huì)增加熱流道翻新的時(shí)間。使用赫斯基的共注塑熱流道，兩種材料的輸送系統(tǒng)是熱分離的，并由嵌入式Altanium控制系統(tǒng)獨(dú)立控制，確保當(dāng)兩種材料在澆口之前混合時(shí)，阻隔材料僅受PET加工溫度的控制。
熟悉共注塑的注塑廠商會(huì)認(rèn)識到，為了改善熱流道平衡和確保熔體在多個(gè)澆口的流動(dòng)和溫度變化率盡可能均勻，可以通過降低和升高分流板和注嘴頭的溫度來調(diào)節(jié)熱流道。赫斯基熱流道通過增加分流板區(qū)的數(shù)量和單獨(dú)控溫的注嘴頭來實(shí)現(xiàn)控制的靈活性。傳統(tǒng)的氣動(dòng)閥門系統(tǒng)已經(jīng)升級為電動(dòng)伺服的板驅(qū)動(dòng)同步閥針式系統(tǒng)。同時(shí)，這種高度的平衡性意味著進(jìn)一步調(diào)整性能所需要的溫度范圍顯著降低，進(jìn)一步降低了阻隔材料所承受的最高溫度。

多層阻隔技術(shù)適用于各種應(yīng)用，包括碳酸軟飲料、礦泉水、果汁、醬汁，現(xiàn)已擴(kuò)展到乳制品和啤酒行業(yè)。
赫斯基的客戶經(jīng)過在現(xiàn)場數(shù)百萬個(gè)生產(chǎn)周期的使用后，對熱流道的性能穩(wěn)定性作出了評價(jià)，這種穩(wěn)定性不需要計(jì)劃外的維護(hù)即可達(dá)到。當(dāng)用對溫度敏感的阻隔材料生產(chǎn)時(shí)，在系統(tǒng)關(guān)閉和重新啟動(dòng)期間用PET清洗兩個(gè)熱流道熔體輸送系統(tǒng)是一種很好的做法，而且現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。即使是最好的維護(hù)措施也難免發(fā)生意外事件，例如異物污染原料。如果污染物顆粒進(jìn)入熱流道，最可能的堵塞區(qū)域是熱流道注嘴，因?yàn)檫@里的熔體通道最小。過去，這個(gè)部位是出了名的難以清洗，往往需要將整個(gè)熱流道拆下。HyPET HPP5阻隔系統(tǒng)具有前置可拆卸注嘴設(shè)計(jì)，可在注塑機(jī)中通過鎖定模腔板，使注嘴頭露出來維護(hù)或更換熱流道注嘴。
雖然共注塑比傳統(tǒng)的單層注塑工藝復(fù)雜，但整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作得到赫斯基的智能化，以瓶胚為中心的控制系統(tǒng)的支持，將注塑流程和輔助設(shè)備的各個(gè)方面集成在一起。新產(chǎn)品生產(chǎn)的流程設(shè)置開始于為瓶胚質(zhì)量制定單層工藝流程。在啟動(dòng)阻隔材料注入后，控制系統(tǒng)將根據(jù)阻隔材料的含量自動(dòng)調(diào)整PET注塑曲線，并生成阻隔層的注塑曲線，這點(diǎn)可由操作員進(jìn)一步細(xì)調(diào)。對共注塑工藝陌生的客戶發(fā)現(xiàn)，赫斯基系統(tǒng)對用戶很友好，經(jīng)過短時(shí)間的培訓(xùn)后，客戶即可放心地在生產(chǎn)中進(jìn)行操作，同時(shí)可通過赫斯基服務(wù)網(wǎng)絡(luò)快速、有效的支持來保障系統(tǒng)運(yùn)行的各個(gè)方面。
赫斯基的多層技術(shù)為需要強(qiáng)化阻隔性能的食品和飲料產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了一個(gè)完整、集成的解決方案，具有很高的性價(jià)比、生產(chǎn)效率和靈活性。它讓品牌所有者能夠依靠PET來生產(chǎn)更具吸引力的包裝。這些包裝在商場的貨架上脫穎而出，支持替換可替代的材料，所有這些因素均有助于提高PET包裝材料的增長潛力。
見證成功
在推出新的多層技術(shù)時(shí)，赫斯基與歐洲最著名的瓶胚和PET瓶制造商合作，對這一領(lǐng)域的解決方案進(jìn)行了測試和驗(yàn)證。由于在合作驗(yàn)證新技術(shù)方面有著業(yè)已證實(shí)的記錄，赫斯基知道這家歐洲客戶很適合作為早期的合作伙伴。兩家公司也共同致力于開發(fā)解決方案，推動(dòng)PET行業(yè)向前發(fā)展，并拓展可尋址的PET市場。這對于赫斯基的客戶也是絕佳時(shí)機(jī)，因?yàn)樗麄儸F(xiàn)有的共注塑阻隔層系統(tǒng)正在經(jīng)歷維護(hù)、維修和穩(wěn)定性問題，期待能找到升級解決方案。
該客戶歐洲工廠中的第一套多層系統(tǒng)的安裝和啟動(dòng)得到了赫斯基地區(qū)服務(wù)工程師及來自公司加拿大安大略省博爾頓市總部的多層阻隔問題專家的全力支持。作為合格認(rèn)證過程的一部分，該系統(tǒng)成功完成了兩批多層瓶胚的不間斷生產(chǎn)，一批是28克汽水瓶的瓶胚，另一批是14克果汁瓶的瓶胚。
事實(shí)上，如果將赫斯基的新型多層技術(shù)與其現(xiàn)有的共注塑阻隔系統(tǒng)進(jìn)行比較的話，客戶在運(yùn)行系統(tǒng)幾個(gè)月后并未發(fā)現(xiàn)性能的變化。在過去，每當(dāng)測試替代品時(shí)，他們通常會(huì)在幾個(gè)星期后看到阻隔性能的惡化，這一次卻不同。他們還發(fā)現(xiàn)，對阻隔層重量的控制有了顯著改善。在用赫斯基的新型多層阻隔層系統(tǒng)生產(chǎn)時(shí)，對瓶胚阻隔層含量控制的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性顯著優(yōu)于目前所能達(dá)到的水平。兩種應(yīng)用都是按阻隔層占瓶胚總重量的+/- 0.5%的公差生產(chǎn)的，這是在縮短注塑周期達(dá)40%的同時(shí)實(shí)現(xiàn)的。
在用完全相同的應(yīng)用與現(xiàn)有競爭對手的共注塑系統(tǒng)進(jìn)行比較時(shí)，赫斯基的多層系統(tǒng)能以更一致的方式運(yùn)行更長的時(shí)間，而無任何性能上的下降，同時(shí)可以降低對熱流道的維護(hù)需求。今天，這家客戶正繼續(xù)與赫斯基就未來的多層阻隔項(xiàng)目展開合作。