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熱收縮膜,來了解一下
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——熱收縮膜来包装火鸡。

  熱收縮膜?聽起來陌生,確已深深滲透到我們的生活之中。

 

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

  塑料膜 

  先了解一下比較熟悉的塑料膜。

  塑料的主要成分是樹脂。天然樹脂是樹木的一種分泌物(即樹枝被鋸斷後切口處的那層黃色膠狀體)。合成樹脂則是人工合成的一種高分子量聚合物,由許多相同的、簡單的結構單元通過共價鍵重複連接而成(類似珍珠項鏈那樣串在一起)。

 

聚合物分子結構示意圖(圖片來自網絡) 

  合成樹脂比天然樹脂密度小、強度高、耐腐蝕性好。以合成樹脂爲主要成分,再加上些增塑劑、填充劑、潤滑劑或著色劑等輔助材料,即可生産出有一定特性的可塑材料——稱爲“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”。

  塑料制成的薄膜廣泛應用于食品、醫藥用品等物品的包裝,給人們的生活帶來了很大便利。但塑料制品有不少弱點,例如耐溫性能差、容易破裂或被撕裂等,科學家們一直在設法提高塑料的性能。

  熱收縮膜 

  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。

 

  查裏斯貝發表的相關論文(圖片來自網絡) 

  什麽是輻照交聯技術?即塑料在某些輻照條件下,其分子結構由原先的線型鏈狀結構轉化爲網狀的三維結構,從而引起了塑料的物理及化學性能改變——這就是輻照交聯反應。

 

線型分子交聯(左)與網狀結構(右)示意圖(圖片來自網絡) 

  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熱收縮膜。

  塑料的交聯反應可通過化學方法(如加入交聯劑)或物理方法(如輻照)來實現。用物理方法進行輻照交聯反應可用某種放射源、光源或靜電加速器、大功率電子直線加速器産生的射線(X射線、γ射線、中子束、粒子束等)對塑料進行輻照,效率最高的就是大功率的輻射裝置——粒子加速器。

 

電子加速器輻照處理塑料膜示意圖(圖片來自網絡) 

  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熱收縮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熱收縮膜的多台电子加速器(图片来自网络) 

 

  收縮膜産品(圖片來自網絡) 

  用途廣泛 

  如今,熱收縮膜广泛应用于食品、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,使用熱收縮膜有更大的优势,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。

 

商品的熱收縮膜组合包装(图片来自网络) 

 

高速熱收縮膜包装机(图片来自网络) 

 

印刷品的熱收縮膜包装 (图片来自网络) 

 

艺术品的熱收縮膜包装 (图片来自网络) 

 

大型物品的熱收縮膜包装(图片来自网络) 

  熱收縮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。

 

電纜線的輻照交聯加工(圖片來自網絡) 

用于工程管道連接的熱收縮套(圖片來自網絡) 

注:熱收縮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。熱收縮膜很薄,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)与熱收縮膜包装(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。在了解了熱收縮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,熱收縮膜离我们这么近,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!

  參考資料 

  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、塑料的發明及發展

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

  10、輻照交聯的發展史

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

  11、高分子交聯結構

  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、真空包装与熱收縮膜

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

  13、聚乙烯PE成型

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

  14、熱收縮膜前景展望

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


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