CN111071630A - 一种微波作用元件、微波食品包装及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及食品包装材料领域，公开了一种能够调节微波能量分布的非金属微波作用元件和带有非金属微波作用元件的微波食品包装。通过打印的方式，将碳系材料油墨或者含有金属纳米颗粒的碳系材料油墨打印到微波食品包装或标签上，形成厚度为10～500μm涂层。本发明利用非金属高导电性材料取代传统微波作用元件上的金属箔片，实现微波作用元件的快速、低成本生产及在各种微波包装及容器上应用。

Description

一种微波作用元件、微波食品包装及其加工方法

技术领域

本发明属于食品包装材料领域，具体涉及生产微波作用元件的方法及技术，该微波作用元件同微波食品包装及容器相结合，提高微波加热的均匀性。

背景技术

微波炉虽然在食品加热方面得到广泛应用，但是在实际应用中，却面临加热不均匀的难题，致使食品的一部分，尤其是边角部位，温度过高而某些部分还未达到预期的温度。要解决这个问题，除了对微波炉的结构进行优化设计外，对微波包装材料或者容器进行设计，制造能够提高微波加热均匀性的微波包装容器，是另外一个可行的方法。

目前常用的微波食品包装材料及容器主要为一次性使用的软包装袋、塑料包装盒以及重复使用的塑料及玻璃饭盒。现有的研究中所采用的方法为，将金属箔片裁剪成制作成不同尺寸、不同形状、不同排列组合元件，设计制造能够提高微波加热均匀性的微波包装容器，实现对微波的屏蔽、反射及能量扩散的作用。其原理主要是利用金属对微波的反射作用，设计不同的微波作用元件，如微波能量屏蔽元件，微波能量扩散元件及微波能量反射元件。

微波作用元件的原理是，采用低电阻的导体材料。由于微波对导体材料的穿透深度小，因此遇到导体材料后将会被反射，从而实现对原电磁场屏蔽效果。

微波作用元件的研究与设计目前多用于塑料或玻璃包装盒上，在塑料或玻璃包装盒的底部、侧面或内壁上粘贴不同形状类型的微波作用元件，起到反射屏蔽和导向微波的作用。由于微波作用元件的原材料通常为金属，因此添加微波作用元件的包装容器通常称为金属化微波包装。但研究表明，只有采用金属箔片作为微波作用元件的材料时，才能够反射微波；如果使用金属粉末，反射效果不佳，反而会吸收微波，达不到反射和重新分布微波能量的目的。

此外，当食品各部分含水量不同，会导致加热不均匀，局部温度过高。多组分食品例如含有馅料的食品，其馅料部分如含水量高或受热后流动性大，在微波加热过程中，馅料的温度会过高，导致食品破裂馅料流出，或者在食用时容易造成烫伤；同样，盒饭等产品也存在米饭和菜受热不均匀导致局部变干发硬的问题，影响口感。因此，在实际应用中，也可以采用金属化微波包装，在微波食品的包装上加以改进，采用金属化微波包装，增加食品某些部位的微波反射，避免温度上升过快，提高微波加热的均匀度。

微波包装的金属化虽然对改善微波加热效果起到了一定的作用，但是这种以金属箔片为材料金属化包装制作非常复杂，目前常用的方法有：

(1)将模切金属片复合在基材上。这是最早采用的方法，目前也在一直使用，但是工业成本较高，不适合一次性包装；而且模切金属片质量不好可能会产生电火花。

(2)在金属容器上切裁孔缝。这种方法是将金属片复合到包装容器上，然后对包装容器进行修剪。虽然这种方法很容易实现，但是修剪后的包装容易导致食品的泄漏。

(3)压敏标签的方法，是用压敏标签使金属片形成一定的形状，然后复合到基材上，当包装盒设计的形状复杂时，这种方法不易实现。

(4)激光雕刻的方法，将金属片复合到基材上，使用激光将不需要的部分雕刻掉。该方法需要较高的功率和能量，尤其对于复杂的形状和尺寸，能耗更大。

(5)化学腐蚀法，该方法是最常用的金属化包装容器制作方法，用侵蚀性的化学方法将不需要的金属片腐蚀掉从而得到想要的金属化包装形式。该方法需要大量化学试剂，对环境不友好，而且速度慢。

因此，虽然金属化包装被证明有效，但是面临有可能产生电火花、生产制作成本高、不能大规模应用在各种包装盒及容器上等难题。因此金属化包装目前仅仅在实验室阶段，还没有实现大规模生产。解决微波作用元件同包装容器的快速低成本结合是该技术应用的最大难题。

金属可以反射微波是因为它具有非常高的电导率，如铝的电导率为：3.44×10⁷S/m,在家用微波炉2450MHz的频率下，微波对它的穿透深度，即趋肤深度为0.86微米；也就是说，只要铝箔的厚度超过1.72微米，就可以将微波完全反射屏蔽。

但是，使用时必须采用金属箔片的形式，导致了加工上的困难。这也是目前金属化包装在推广上所遇到的瓶颈。虽然金属粉末也能够起到屏蔽微波(电磁波)的作用，但它主要是通过吸收来衰减电磁波实现屏蔽功能的。这导致了金属粉末材料吸收微波后将其转化为热能，不能实现对微波的完全反射，却导致了其本身温度的升高，而这正是我们所要避免的情况。

同样，石墨烯、碳纳米管等具有屏蔽电磁波功能的碳系材料也是通过吸收及反射来屏蔽微波，同样会导致屏蔽材料吸收微波后将其转换为热能，这样就起不到反射及重新分布微波能量的目的。

因此，有必要对现有技术加以改进，提供一种新型的微波作用元件，使之能够包装容器快速简便结合，降低成本，能够大规模生产。

发明内容

本发明旨在提供一种非金属微波作用元件和带有非金属微波作用元件的微波食品包装。

本发明的一个技术方案为，将碳系材料用于制备石墨烯或碳纳米管在制备微波作用元件方面的应用，将石墨烯或碳纳米管用于制备微波食品包装。

碳系材料电导率为10⁵S/m～5×10⁷S/m。可通过打印的方式，将碳系材料油墨或者含有金属纳米颗粒的碳系材料油墨打印到微波食品包装或标签上，形成厚度为10～500μm涂层。优选的，涂层厚度为10～100μm。优选的，碳系材料为石墨烯或碳纳米管中的一种，或者两者的混合物。碳系材料油墨中还可以含有金属纳米颗粒，优选为银纳米颗粒或铜纳米颗粒，其粒径为10～1000nm，更优选为10～。

一种微波作用元件，其材料包括碳系材料或者金属纳米颗粒与碳系材料的混合物；所述的碳系材料电导率10⁵S/m～5×10⁷S/m。微波作用元件上，碳系材料的厚度为10～500μm，优选为10～100μm。所述的金属纳米颗粒优选为银纳米颗粒、铜纳米颗粒或者两者的混合物，粒径为10～1000nm，优选为10～800nm，与碳系材料重量比为 0～20：100，优选为0.01～10：100，更优选为0.1～5：100。

本发明另一个技术方案为，一种微波作用元件的生产方法，步骤包括，将电导率为10⁵S/m～5×10⁷S/m的碳系材料油墨打印到用于微波食品包装或标签上，形成厚度为10～100μm涂层，用以屏蔽微波或者调节微波能量的分布。碳系材料为碳纳米管和石墨烯中一种，或者两者的混合物。油墨中的碳系材料含量为10wt％～60wt％；多壁碳纳米管管径5～100nm，长度为1～20μm；石墨烯的粒径为0.01～ 50μm，优选为0.05～20μm，更优选为0.05～5μm。上述微波作用元件能够起到屏蔽和/或反射微波的作用，被其覆盖的部分温度不会过高。

本发明的另一个技术方案为，一种微波食品包装的加工方法，步骤包括：将碳系材料油墨打印到微波食品包装的内表面、外表面、中间层，形成厚度为10～500μm的涂层，优选的，厚度为10～100μm；或者，将碳系材料的油墨打印标签上，形成厚度为10～500μm的涂层，优选的，厚度为10～100μm并将标签贴在微波食品包装的内表面、外表面、中间层。

所述的碳系材料为碳纳米管和石墨烯中一种，或者两者的混合物。碳纳米管和石墨烯的电导率为10⁵S/m～5×10⁷S/m。

优选的，所述的石墨烯油墨或碳纳米管油墨中还含有金属纳米颗粒；更优选的，金属纳米颗粒为银纳米颗粒、铜纳米颗粒或者两者的混合物，粒径为10～1000nm，与碳系材料重量比为0～20：100，优选为0.01～10：100，更优选为0.1～5：100。

所述食品包装包括食品包装袋、包装膜、包装纸、或食品包装盒；其材料为软质塑料、硬质塑料、玻璃、纸质材料、木质材料中至少一种、上述材料的复合物或者复合层。

打印的方法包括3d打印、丝网打印、柔版打印或胶印。

对于刚性较大的微波包装盒，例如微波饭盒(包括硬塑料及玻璃饭盒)，如果要实现在不同壁面上的微波作用元件设计，除了通过标签粘贴外，还可以通过3d打印将各种微波作用原件打印在不同部位。

标签可以选用压敏标签，将设计好的不同形状、尺寸、排列的微波作用元件打印在包装材料基质上，设计成为容易粘贴的标签。这些标签可以很容易的粘贴在食品包装袋，包装盒，微波饭盒的内外表面，实现微波包装容器的微波作用元件设计。

对于包装袋或包装膜，可以将形状、尺寸、排列设计好的微波作用元件打印在包装袋原材料的中间层膜上或者外表面、内表面，该过程可以在生产包装袋所需膜时通过丝网打印等技术完成。

本发明所述的微波作用元件，是指用于微波加热包装上的、能够改变微波加热时的能量分布，改善被加热物体内的微波场强分布的涂层，尤其是通过对微波的反射实现微波能量重新分布；通过设计微波作用元件的位置、形状、大小，可以解决局部过度加热的问题，也可以用来为多组分食品提供不同的加热速率。

本发明的有益效果在于：利用非金属高导电性材料如碳纳米管、石墨烯等，取代传统微波作用元件上的金属箔片，利用不同的打印技术，实现微波作用元件的快速、低成本生产及在各种微波包装及容器上应用。与裁剪、打孔或化学腐蚀等传统的以金属箔片为材料的微波作用元件制作方法相比，通过打印的方法生产微波作用元件，极大地扩展了复杂形状或布局微波作用元件的可实施性，为各种不同微波作用元件的制作及工业化生产提供了技术支持。

所得到的微波作用元件和食品包装具有良好的反射和屏蔽效果，用以调节微波能量的分布，能够解决局部过度加热和加热不均匀的问题，也可以用来为多组分食品提供不同的加热速率。

本发明利用3d打印技术、丝网打印、柔版打印和胶印等成熟的印刷技术，能够非常容易的实现对不同微波作用元件的复杂设计及快速生产，满足设计多样化的要求；同时具有高效，节能，易于实现等优点，得到的微波作用元件适用于多种微波包装容器的使用需求。

本发明通过采用石墨烯、碳纳米管等导电涂层达到等同于金属对微波的作用效果，取代金属在包装材料中的使用，制作加工方便，有利于大规模推广。

附图说明

图1为屏蔽效果示意图。

具体实施方式

实施例1

取电导率10⁶S/m、粒径为0.05～10μm的石墨烯与溶剂混合制成石墨烯油墨(含量50％)，加入1wt％粒径50～100nm的银纳米颗粒并混合均匀(银纳米颗粒与石墨烯的重量比为1：50)。

将石墨烯与银纳米颗粒的混合油墨通过3d打印、丝网打印、柔版打印或胶印喷涂在压敏胶标签上，制成带有石墨烯屏蔽层(微波作用元件)的压敏胶标签。干燥后石墨烯涂层的厚度约15～20μm；将塑料薄膜包裹在直径约10cm、厚度约1.5cm饼状的含水凝胶块外，将压敏胶标签剪成如字母B形状贴在塑料薄膜表面，微波作用元件位于含水凝胶块的中心位置，凝胶块的其他部分没有被微波作用元件覆盖，如图1B所示(实验组1)。另取同样大小的含水凝胶块，用普通塑料薄膜包裹，作为对照组，如图1A。

实施例2

取电导率2×10⁵S/m、粒径为0.05～20μm的石墨烯与溶剂混合制成石墨烯油墨(含量30％)。

石墨烯油墨通过3d打印、丝网打印、柔版打印或胶印喷涂在塑料薄膜上，在塑料薄膜表面形成如字母C形状(图1C)的涂层(屏蔽层，即微波作用元件)，干燥后的石墨烯涂层厚度约80μm。

取直径约10cm、厚度约1.5cm饼状的含水凝胶块用上述塑料薄膜包裹，使石墨烯涂层位于含水凝胶块中心位置(图1C)。

实施例3

取实施例1、2包裹塑料薄膜的含水凝胶块作为实验组1、2，另取同样大小的含水凝胶块用普通塑料薄膜包裹，作为对照组，如图 1A。

将三组含水凝胶块放置在2450±50MHz微波炉内，750W功率下加热120秒。对照组和两个实验组的凝胶块加热后用红外热像仪检测，热灵敏度<0.045℃，分辨率320×240像素，测温范围-20～1200℃，测量精度±2℃，结果分别如图1的D～F。

对照组的加热效果如图1D所示，从边缘到凝胶块的中心，各区域温度分布呈环状，中心温度较高，边缘较低，中间温度有差异。

同样加热时间下，被微波作用元件即屏蔽层所遮盖位置的温度显著低于其他部分。实验组中，凝胶块中心没有被微波作用元件覆盖的部分，其温度仍明显高于边缘。

由此可见，屏蔽层通过反射作用屏蔽了微波，穿透到包装下方凝胶块中的微波能量减少，因此，屏蔽层及其所遮盖位置的温度显著低于未被遮盖的部位。如果屏蔽层吸收了微波，则会将微波转化为热能，导致本身及其覆盖的凝胶变热；从实验结果可以证明，屏蔽层反射了绝大多数微波，而几乎没有吸收。

用电导率相同的多壁碳纳米管油墨(多壁碳纳米管管径5～ 10nm，长度1～10代替实施例1和2的石墨烯油墨，效果不变。实施例1中，当屏蔽层厚度为75μm时，效果相同。实施例2中，当屏蔽层厚度为40μm时，效果不变。

实施例4

取电导率10⁷S/m、粒径为0.05～2μm的石墨烯与溶剂混合制成含量20％的石墨烯油墨。3d打印、丝网打印、柔版打印或胶印打印塑料薄膜上，石墨烯层的厚度约12μm，其余同实施例2，效果不变。

实施例5

取电导率10⁶S/m、石墨烯粒径为0.05～2μm的石墨烯油墨(含量30％)，喷涂于压敏胶标签上，制成带有石墨烯屏蔽层(微波作用元件)的压敏胶标签。压敏胶标签上的微波作用元件厚度约15～ 20μm。将压敏胶标签贴在塑料薄膜上，经检测，加热后其覆盖部位的温度明显降低，同样具有屏蔽效果。

实施例6

取电导率5×10⁵S/m、管径15～40nm、长度10～20μm的多壁碳纳米管油墨(含量30％)，加入1wt％粒径300～500nm的银纳米颗粒并混合均匀(银纳米颗粒与碳纳米管的重量比为1：30)。将混合油墨喷于塑料薄膜上，厚度约25μm。被油墨覆盖的部分在加热后，温度明显低于周围未被覆盖的部分，说明具有屏蔽效果。

将实施例1或5的压敏标签贴在玻璃或者塑料包装盒上，同样具有屏蔽效果，被屏蔽层所遮盖的部分温度明显低于其他部分。

Claims (10)

1.碳系材料用于制备具有调节微波能量分布功能的微波作用元件、微波屏蔽层或者微波食品包装，其特征在于，所述的碳系材料电导率为10⁵S/m～5×10⁷S/m。

2.权利要求1所述的应用，其特征在于，所述的碳系材料为石墨烯或碳纳米管中的一种，或者两者的混合物。

3.一种微波作用元件，其特征在于，其材料包括碳系材料或者金属纳米颗粒碳系材料的混合物；所述的碳系材料电导率10⁵S/m～5×10⁷S/m。

4.权利要求3所述微波作用元件，其特征在于，碳系材料的厚度为10～500μm。

5.权利要求3所述微波作用元件，其特征在于，碳系材料的厚度为10～100μm。

6.一种微波作用元件的生产方法，其特征在于，步骤包括，将碳系材料油墨，或者含有金属纳米颗粒的碳系材料油墨打印到食品包装或标签上，形成厚度为10～500μm涂层；

所述的碳系材料电导率为10⁵S/m～5×10⁷S/m，所述的金属纳米颗粒与碳系材料重量比为0～20：100。

7.权利要求6所述一种微波作用元件的生产方法，其特征在于，所述的金属纳米颗粒与碳系材料重量比为0.01～10：100。

8.权利要求6所述一种微波作用元件的生产方法，其特征在于，所述的碳系材料为碳纳米管和石墨烯中一种，或者两者的混合物。

9.一种食品包装的加工方法，其特征在于，步骤包括：将碳系材料油墨或者含有金属纳米颗粒的碳系材料油墨打印到食品包装的内表面、外表面、中间层的任意一个或多个位置，形成厚度为10～500μm的涂层；

或者，将碳系材料的油墨或者含有金属纳米颗粒的碳系材料油墨打印在标签上，形成厚度为10～500μm的涂层，并将标签贴在食品包装的内表面、外表面、中间层的任意一个或多个位置；

碳系材料的电导率为10⁵S/m～5×10⁷S/m；所述的金属纳米颗粒与碳系材料重量比为0～20：100。

10.权利要求9所述食品包装的加工方法，其特征在于，涂层厚度为10～100μm。

Images