食品機(jī)械

聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）瓶具有許多優(yōu)點， 如強度、耐沖擊性、耐化學(xué)劑性與耐壓性高，透明度 與光澤度好，質(zhì)輕價廉，外觀性能好等 ¹ , 同時兼具可 回收特性，是眾多塑料包裝材料中最具市場潛力的一 種。市場上現(xiàn)有的大多數(shù)果汁飲料、瓶裝水、茶飲料 等都采用 PET 瓶，由于 PET 本身的物理特性，致使其在阻氧性和防止二氧化碳的流失方面表現(xiàn)不佳，因此 在碳酸飲料、啤酒和藥品包裝應(yīng)用方面，其阻隔性能 存在無法滿足某些產(chǎn)品的貨架期與保質(zhì)期要求的情況 ²。

另外，氧氣的浸入和 / 或二氧化碳的流失速度與 包裝瓶的容量相關(guān)。瓶型容量越小，單位體積內(nèi)容物 與外界的接觸面也越大，氧氣的浸入和 / 或二氧化碳的流失的速率也越高，導(dǎo)致產(chǎn)品的貨架期也越短。然而， 近幾年，從飲料包裝的發(fā)展趨勢來看，尤其碳酸飲料 行業(yè)，小容量（如 300ml）迷你裝漸漸流行。因為被 消費者青睞，其增長速度也在加快，根據(jù)歐睿數(shù)據(jù)顯示， 碳酸飲料部分，小包裝成為市場增長的新動力之一。

為了滿足這一需求，傳統(tǒng)的辦法是通過增加瓶克 重，增加瓶壁厚度來降低二氧化碳流失和 / 或氧氣浸 入的速度，但是這種方法對于抑制效果不明顯 3 ，同時 還增加了生產(chǎn)成本，對于 PET 資源也是一種浪費，也 不利于可持續(xù)發(fā)展的國策。

ACTIS (Amorphous Carbon Treatment on  Internal Surface) 技術(shù)是通過在 PET 瓶內(nèi)壁噴涂一層 致密的碳涂層，有效阻止二氧化碳的流失和氧氣的浸 入。在明顯提高產(chǎn)品貨架期的同時，可以節(jié)省包裝瓶 PET 用量，實現(xiàn)延長產(chǎn)品貨架期和降克重兩得，產(chǎn)生 巨大的經(jīng)濟(jì)效益。該技術(shù)在國外碳酸產(chǎn)品、啤酒產(chǎn)品 及即飲茶品類等已經(jīng)有了廣泛應(yīng)用⁴，在國內(nèi)啤酒行業(yè) 也有成功應(yīng)用案例⁵。 

ACTIS 涂層技術(shù)介紹

ACTIS 涂層技術(shù)即瓶內(nèi)壁無定形碳涂層技術(shù)。在 PET 瓶內(nèi)部注入氣態(tài)的乙炔，用微波產(chǎn)生的電磁能量 將乙炔激化達(dá)到等離子狀態(tài)，等離子態(tài)的顆粒撞擊在 瓶壁上，進(jìn)而在瓶內(nèi)壁形成一層極薄而致密的高度氫 化的無定形碳固態(tài)涂層。涂層厚度可根據(jù)需要控制在 80nm-150nm 之間。

ACTIS 涂層阻止二氧化碳的流失和阻氧性 能測試 

經(jīng)過 ACTIS 涂層的瓶內(nèi)壁形成了一層致密的無定 形碳涂層，可以有效的阻止二氧化碳的流失以及氧氣 的浸入。 

（1）ACTIS 涂層阻止二氧化碳流失的能力 

通過測試結(jié)果可以看出，在同等的測試環(huán)境下， 未經(jīng)涂層處理的 PET 瓶，在六個月內(nèi)流失二氧化碳的 量達(dá)到 36%，而經(jīng)過 ACTIS 涂層的 PET 瓶二氧化碳 流失率僅為 6%，其阻止二氧化碳流失的能力提高了 6 倍。 

（2）ACTIS 涂層阻止氧氣浸入的能力 

通過測量數(shù)據(jù)可以看出，在同等的測試條件下， 經(jīng)過 ACTIS 涂層處理的 PET 瓶阻止氧氣浸入的能力提高了 14 倍。考慮到氧氣也可以通過瓶蓋浸入瓶內(nèi) ,  如果使用含有吸氧材料的阻隔瓶蓋，或者使用皇冠蓋 （可以將 PET 瓶口設(shè)計成皇冠式），經(jīng)過 ACTIS 涂層 的 PET 包裝瓶阻止氧氣浸入的能力可以提高約 23.8 至 28 倍。

ACTIS 涂層的效益 

ACTIS 涂層后的 PET 瓶，由于有效抑制了二氧化 碳的流失和氧氣的浸入，可以延長產(chǎn)品的貨架期，提 高產(chǎn)品的口感，提高產(chǎn)品的鋪貨半徑。同時，也可以 去掉傳統(tǒng)通過增加瓶坯克重來延長貨架期的多余的克 重，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，并減少資源浪費。 

（1）ACTIS 涂層在碳酸包裝上的應(yīng)用 

以 300ml 的 碳 酸 產(chǎn) 品 包 裝 為 例， 現(xiàn) 有 瓶 克 重 22.28g, 在 8 周的時間內(nèi)二氧化碳流失率達(dá)到 21.4%，  達(dá)到了國際標(biāo)準(zhǔn)定義的碳酸貨架期。而 ACTIS 涂層后 的產(chǎn)品在將貨架期延長 3.5 倍的同時還可以減掉 8.28g 多余材料。 假設(shè)生產(chǎn)線的速度為 40,000bph，年生產(chǎn) 6,000 小時，則可節(jié)省約 2,000 噸 PET 原材料，即 1,391 萬 原料成本 (PET 原材料按照 7,000 元 / 噸計算 )。 

（2）涂層在啤酒包裝上的應(yīng)用 

我國是世界上最大的啤酒生產(chǎn)和消費國家之一。 長期以來，我國啤酒包裝一直以玻璃瓶為主。玻璃瓶 存在耐壓差，易碎，易爆，重量大，運輸成本高，生 產(chǎn)過程能耗高等問題⁶ 。普通 PET 瓶的由于阻氧能力 限制，很少在啤酒包裝應(yīng)用，而 ACTIS 涂層的 PET 瓶可以很好的抑制氧氣的浸入，使得 PET 瓶包裝啤酒 在貨架期和口感達(dá)到玻璃瓶包裝的水平成為可能。同 時，PET 瓶包裝可以發(fā)揮造型豐富，不易碎，運輸成 本低的優(yōu)勢，為使用廠商帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

ACTIS 涂層的食品衛(wèi)生安全 

ACTIS 涂層的 PET 瓶已經(jīng)通過了全球主要國家， 如歐盟 TNO（國家技術(shù)協(xié)議），日本食品環(huán)境接觸協(xié)會 ,  美國 FDA（食品藥品管理局）等的食品接觸材料安全認(rèn)證，可以用于食品包裝。 

ACTIS 技術(shù)已于 2017 年通過中國國家衛(wèi)生健康 委員會（NHFPC）食品接觸材料安全性評估審查⁷， 可以在中國用于食品包裝。ACTIS 技術(shù)也是目前國內(nèi)唯一通過食品接觸材料安全認(rèn)證并允許應(yīng)用的 PET 瓶內(nèi)涂層技術(shù)。

ACTIS 機(jī)器的安全設(shè)計 

由于 ACTIS 涂層工藝使用了乙炔作為介質(zhì)，而乙 炔是一種易燃易爆的氣體，存在一定的危險性，當(dāng)其 在空氣中的濃度在 2.2%-81% 體積比時，會存在爆炸 的危險，所以 ACTIS 機(jī)器的防爆問題是風(fēng)險評估需要 考慮的關(guān)鍵安全問題之一。 

為了確保設(shè)備的安全性，ACTIS 機(jī)器在風(fēng)險評 估的基礎(chǔ)上，從設(shè)計角度確保了該機(jī)器并不會存在 產(chǎn)生爆炸性環(huán)境的危險區(qū)域，以下基于歐洲防爆法 規(guī) 2014/34/EU 和相應(yīng)的協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn) EN 60079-10-1 ： 2008 ( 對應(yīng)中國國標(biāo) GB 3836.14-2014)，安全控制 系統(tǒng)的冗余設(shè)計，材料選擇標(biāo)準(zhǔn)和工藝流程中的管路 吹掃要求等三個方面，進(jìn)行具體的論述和說明。

（1）可能的爆炸性危險區(qū)域分析 

ACTIS 機(jī)器的安全區(qū)域可劃分為乙炔供應(yīng)區(qū)域、 真空泵區(qū)域和涂層區(qū)域。按照各區(qū)的空氣流量，容積 以及最大乙炔消耗量，考慮最惡劣的情況，計算得 到各區(qū)乙炔濃度值均遠(yuǎn)低于乙炔的爆炸最低濃度限值 2.2%。 

考慮到釋放源、區(qū)域類型、通風(fēng)等綜合因素，按 照防爆指令 2014/34/EU 協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn) EN 60079-10-1 中 關(guān)于風(fēng)險區(qū)域的劃分，可以判定區(qū)域均為 2 區(qū)，即非爆炸風(fēng)險區(qū)域。

(2) 安全控制系統(tǒng)的設(shè)計 

為了確保機(jī)器的安全運行，乙炔的供應(yīng)必須在通 風(fēng)系統(tǒng)正常運行的前提下供給，所以通風(fēng)系統(tǒng)的安全 運行和監(jiān)控尤其重要。通風(fēng)系統(tǒng)的安全運行依賴于風(fēng) 扇的正常運行，為確保這一點，在系統(tǒng)設(shè)計上，風(fēng)扇 的進(jìn)出風(fēng)口設(shè)置了壓力傳感器，用于監(jiān)控風(fēng)扇的運 行狀態(tài)，為確保該回路的可靠性，系統(tǒng)的輸入和輸 出都做了冗余設(shè)計，使得該監(jiān)控回路的設(shè)計符合 EN  ISO13849-1 ：2015 安全控制系統(tǒng)功能安全標(biāo)準(zhǔn)性能 等級 PL=e 的要求。 

按照歐洲工業(yè)氣體協(xié)會標(biāo)準(zhǔn) EIGA DOC123 / 13， 乙炔使用壓力不高于 1.5bar。為了保證系統(tǒng)壓力不超 過限值，在供氣側(cè)設(shè)有壓力開關(guān)，如果系統(tǒng)超壓，安 全控制系統(tǒng)將切斷乙炔供應(yīng)并報警停機(jī)，為確保該回 路的可靠性，系統(tǒng)的輸入和輸出都做了冗余設(shè)計，使 得該監(jiān)控回路的設(shè)計符合 EN ISO13849-1 ：2015 安 全控制系統(tǒng)功能安全標(biāo)準(zhǔn)性能等級 PL=e 的要求。

為了定期檢查機(jī)器正常操作中可能產(chǎn)生的泄露， 在氣路中設(shè)置有流量計。為確?？煽啃?，該安全回路 采用冗余設(shè)計，并符合 EN ISO13849-1 ：2015 安全 控制系統(tǒng)功能安全標(biāo)準(zhǔn)性能等級 PL=e 的要求。 

為了進(jìn)一步確保安全，在乙炔供應(yīng)區(qū)還提供了乙 炔濃度監(jiān)測傳感器。如果超過乙炔最低爆炸極限濃度 的 40%，系統(tǒng)會自動停機(jī)并報警，只有用戶排除泄露 故障，消除報警后才能重新開機(jī)。 

(3) 材料選擇標(biāo)準(zhǔn)和工藝流程中的管路吹掃 

乙炔氣路所使用的材料符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，不 使用純銅，含汞，銀，以及銅含量超過 65% 的銅合金。 

機(jī)器正常啟動時，在進(jìn)行涂層工藝操作之前，必 須進(jìn)行兩個循環(huán)的吹掃操作，該操作是自動運行且強制的。第一次吹掃用氮氣，清除管路中的空氣 ；第二 階段用乙炔吹掃，清除管路中的氮氣。 

機(jī)器為了確保安全，設(shè)置有手動吹掃模式，即便 機(jī)器斷電，不能正常執(zhí)行吹掃程序，用戶也可以采用手動方式執(zhí)行管路吹掃操作。

如果機(jī)器停機(jī)后再次啟動，在打開乙炔進(jìn)氣前， 如因系統(tǒng)泄漏，使得系統(tǒng)壓力低于正常值，系統(tǒng)將自動進(jìn)行吹掃循環(huán)。用戶需檢查并維護(hù)系統(tǒng)管路的正常 狀態(tài)之后，才能再次正常使用該設(shè)備。  

綜上，ACTIS 設(shè)備的安全性完全符合歐洲以及國 內(nèi)的防爆標(biāo)準(zhǔn)和安全設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，無爆炸性危險區(qū)域，乙炔的使用不會形成危險情形。同時，安全控制 系統(tǒng)的高可靠性設(shè)計也會讓用戶在更加安全的狀態(tài)下 使用和維護(hù)該設(shè)備。

1. 黃漢雄.塑料吹塑技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社，1996:507 

2. 虞建中 等.PET瓶裝碳酸飲料貨架期影響因素研究[J]. 包裝工程 2016- 6 78-82 

3. 虞建中 等.PET瓶裝碳酸飲料貨架期影響因素研究[J]. 包裝工程 2016- 6 78-82 

4. Boutroy N,et al. Hydrogenated amorphous carbon film coating  of pet bottles for gas diffusion barriers[J], Diamond and Related  Material, 2006-15 

5. 夏小花 等.中比涂層PET瓶氣體阻隔性在啤酒包裝領(lǐng)域得初步研究[J]. 技術(shù)研究 2012.01 

6. 劉春風(fēng) 等.高氣體阻隔性PET瓶裝于玻璃瓶裝啤酒質(zhì)量的比較 技術(shù)研 究[J] 2009-08 

7.國家衛(wèi)生健康委員會公告http://www.nhfpc.gov.cn/sps/ s7890/201710/e1a1d262ed964501a0899d28c8a50b47.shtml