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热收缩膜,来了解一下
2019-08-13 |文章来源: 小溪| 浏览次数:  |

  美国能源部科学办公室出版的《Acceleratorsfor America's Future》中有这样一段描述:感恩节能吃上新鲜肥嫩的烤火鸡,别忘了感恩粒子加速器,因为几十年来美国食品加工商一直使用经粒子加速器辐照交联处理后的塑料薄膜——热收缩膜来包装火鸡。

  热收缩膜?听起来陌生,确已深深渗透到我们的生活之中。

《Accelerators for America's Future》(部分章节)(图片来自网络)

  塑料膜

  先了解一下比较熟悉的塑料膜。

  塑料的主要成分是树脂。天然树脂是树木的一种分泌物(即树枝被锯断后切口处的那层黄色胶状体)。合成树脂则是人工合成的一种高分子量聚合物,由许多相同的、简单的结构单元通过共价键重复连接而成(类似珍珠项链那样串在一起)。

聚合物分子结构示意图(图片来自网络)

  合成树脂比天然树脂密度小、强度高、耐腐蚀性好。以合成树脂为主要成分,再加上些增塑剂、填充剂、润滑剂或着色剂等辅助材料,即可生产出有一定特性的可塑材料——称为“塑料”。

  追溯历史,首次成功研制出塑料的是美籍比利时人、化学家列奥·贝克兰(Leo Baekeland) ,时间是在20世纪初。贝克兰注册了相关专利,并开设了批量生产塑料的工厂,有些资料称他为“塑料之父”。

  塑料制成的薄膜广泛应用于食品、医药用品等物品的包装,给人们的生活带来了很大便利。但塑料制品有不少弱点,例如耐温性能差、容易破裂或被撕裂等,科学家们一直在设法提高塑料的性能。

  热收缩膜

  随着科技的发展,20世纪50年代初期,英国科学家亚瑟·查里斯贝(Arthur Charlesby)的相关研究取得了突破。他发现聚乙烯(塑料的一种)经辐照交联技术处理后可变成一种具有特殊“记忆效应”的热收缩材料。查里斯贝发表了一系列关于辐射交联技术研究的论文,他的开拓性工作大大推动了辐射聚合物领域交联技术的研究与发展。

查里斯贝发表的相关论文(图片来自网络)

  什么是辐照交联技术?即塑料在某些辐照条件下,其分子结构由原先的线型链状结构转化为网状的三维结构,从而引起了塑料的物理及化学性能改变——这就是辐照交联反应。

线型分子交联(左)与网状结构(右)示意图(图片来自网络)

  这种热收缩材料被加热到一定温度时变得膨胀且很有弹性,将它拉伸成薄膜,随之再将温度降至室温,它却仍能保持膨胀时的状态。如果用它来包裹某些东西,例如,包上一只肥嫩的火鸡,只要对薄膜再次加热,奇迹就出现了:薄膜显现了“记忆效应”,自动收缩至它未膨胀时的状态,肥嫩的火鸡就被薄膜紧贴着严严实实地密封起来了。这种经辐照交联处理的塑料薄膜被称为热收缩膜。

  塑料的交联反应可通过化学方法(如加入交联剂)或物理方法(如辐照)来实现。用物理方法进行辐照交联反应可用某种放射源、光源或静电加速器、大功率电子直线加速器产生的射线(X射线、γ射线、中子束、粒子束等)对塑料进行辐照,效率最高的就是大功率的辐射装置——粒子加速器。

电子加速器辐照处理塑料膜示意图(图片来自网络)

  塑料膜用来自粒子加速器的粒子束辐照处理后,因交联反应变得超级坚固并具有热收缩特性。食品加工商从塑料制造商那里大批购买这种热收缩膜用于包装各类食品,从而使新鲜的食品显得更加诱人。

美国某工厂用于生产交联热收缩膜的多台电子加速器(图片来自网络)

收缩膜产品(图片来自网络)

  用途广泛

  如今,热收缩膜广泛应用于食品、医药品、消毒餐具、化妆品、文体用品、办公用品、工艺礼品、印刷品、机械零部件、电子电器产品、建筑材料等物品的包装。对不规则形状物品的组合包装、超大型物品的包装,使用热收缩膜有更大的优势,既能满足商品的防潮防尘、防触摸偷换、透明展示等功能,又增加了商品外观上的吸引力。

商品的热收缩膜组合包装(图片来自网络)

高速热收缩膜包装机(图片来自网络)

印刷品的热收缩膜包装 (图片来自网络)

艺术品的热收缩膜包装 (图片来自网络)

大型物品的热收缩膜包装(图片来自网络)

  热收缩膜仅是辐照交联技术众多的应用之一。各类塑料经交联反应后大大提高其耐环境应力开裂、耐热、耐油、耐燃、耐化学药品腐蚀、抗蠕变性和电性能等综合性能,并显著提高了耐热温度,拓宽了应用领域。经辐照交联处理的电线、电缆、各类管材、板材广泛应用于汽车、飞机、电子、建筑、大型工程等。而经辐照交联处理的聚乙烯泡沫塑料等则在绝缘、建筑、救生、隔热等方面具有特殊的优势。

电缆线的辐照交联加工(图片来自网络)

用于工程管道连接的热收缩套(图片来自网络)

注:热收缩膜包装与一般的真空包装是不同类别的技术:真空包装袋的塑料膜较厚,需经抽真空系统将包装袋内抽成低真空后封口,以便于运输和贮存。热收缩膜很薄,加热后会紧贴在包装物上防潮保鲜,被包装物品更直观、紧凑便于运输。

真空包装(左)与热收缩膜包装(右)(图片来自网络)

  环顾四周,我们日常接触到的包装膜太多了,原来还傻傻以为都是塑料膜呢。在了解了热收缩膜的特性与科技内涵后,才能发现它与一般塑料膜的不同。真没想到,热收缩膜离我们这么近,这项与粒子加速器相关的技术已深深渗透到每个人的生活之中!

  参考资料

  1、Shrink wrap

  https://www.symmetrymagazine.org/article/october-2009/accelerator-application-shrink-wrap

  2、Arthur Charlesby1915–1996

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0969806X96900043?via%3Dihub

  3、Accelerators forAmerica’s Future

  https://www.energy.gov/science/office-science

  4、What Does aParticle Accelerator Have in Common with Your Thanksgiving Turkey?

  https://www.energy.gov/articles/photo-week-what-does-particle-accelerator-have-common-your-thanksgiving-turkey

  5、Physicists talkturkey

  https://www.symmetrymagazine.org/breaking/2011/11/23/physicists-talk-turkey

  6、The Secret Lives ofParticle Accelerators

  https://www.popsci.com/technology/article/2010-02/secret-lives-particle-accelerators/

  7、CERN and the future ofparticle physics

  https://indico.cern.ch/event/696045/contributions/2894122/attachments/1636105/2613277/Phat_CERNAndTheFutureOfParticlePhysics_opt.pdf

  8、Five ways particle accelerators have changedthe world

  https://theconversation.com/five-ways-particle-accelerators-have-changed-the-world-without-a-higgs-boson-in-sight-54187

  9、塑料的发明及发展

  https://www.bmlink.com/news/531129.html

  10、辐照交联的发展史

  http://www.dxdlw.com/ShowPost.aspx?ThreadID=215749

  11、高分子交联结构

  http://twword.com/wiki/%E9%AB%98%E5%88%86%E5%AD%90%E4%BA%A4%E8%81%AF%E7%B5%90%E6%A7%8B

  12、真空包装与热收缩膜

  http://www.skyat.com.cn/news/zswd/236.html

  13、聚乙烯PE成型

  http://www.anytesting.com/news/869237.html

  14、热收缩膜前景展望

  https://wenku.baidu.com/view/9bd190360b4c2e3f572763cb.html


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