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高阻隔性材料及阻隔性檢測技術

瀏覽次數：8803 發布時間：2017年01月19日 14:53:04

[導讀] 廣州標際包裝設備有限公司一、包材阻隔性能簡介定義：包裝材料的阻隔性指的是材料阻止小分子透過的性能（其中的小分子包括水分子

廣州標際包裝設備有限公司

一、包材阻隔性能簡介

定義：包裝材料的阻隔性指的是材料阻止小分子透過的性能（其中的小分子包括水分子、O₂、N₂、CO₂以及有機氣體等氣體分子），既包括阻隔外界氣體進入包裝內部，也包括阻止包裝內部的水分、香氣等滲透出去。

計算方式：包裝材料的阻隔性可以用氣體透過量（率）或氣體透過係數來衡量。在GB/T 1038-2000中，氣體透過量指的是在恒定溫度和單位壓力差下，在穩定透過時，單位時間內透過試樣單位麵積的氣體的體積。氣體透過係數則是指在恒定溫度和單位壓力差下，在穩定透過時，單位時間內透過試樣單位厚度、單位麵積的氣體的體積。

不同阻隔性的材料

阻隔性	氧氣透過率	常見材料
低隔性	>0.1cc/day	PE、PP、PS(聚苯乙烯)、PLA(聚乳酸)
中隔性	~0.05cc/day	PVC、PET、Nylon、MET、BOPP、
高隔性	<0.01cc/day	LCP’s(液晶聚合物)、EVOH、PVDC、MXD6(特殊尼龍)、Foil(箔)、Siox coatings(氧化矽蒸鍍薄膜)

二、塑料包材阻隔性能

塑料：四大包裝材料之一。

由聚合物和填料所組成

優點：質輕、透明、價格低、易加工、不易碎等

在包裝中的應用日益廣泛，需求量急劇增加

塑料結構多樣，且影響因素較多——不同塑料的阻隔性也有很大的差異：

極性：不同化學組成的聚合物具有不同的極性，因而對不同小分子的溶解性差異顯著。

結晶度：聚合物大多為晶態與非晶態共存的結構，晶態結構中分子排列緊密有序因此幾乎不具有透過性，所以整個材料的氣體透過性則取決於晶態結構的比例，即結晶度；結晶度又受聚合物分子結構、分子量和加工工藝等的影響。

溫度：聚合物大分子的分子運動會隨溫度的升高而加強，導致自由體積增加，阻隔性隨之降低甚至喪失

濕度：具有親水性基團的聚合物的阻隔性受濕度的影響也很大

高阻隔性塑料材料應用舉例

食品包裝的阻隔性能

食品包裝的阻隔性能對保證食品的安全有著舉足輕重的作用:

• 再好的食品，再環保的包裝，如果阻隔性能不好，氧氣的大量滲入，會使富含脂肪和維生素類食品變色、哈變或酸敗，或使細菌和黴菌大量繁殖，直接影響食品的品質。

• 滿足產品保質保鮮的需要,保證預期的貨架壽命, 減少防腐劑的使用。

• 在選擇塑料包裝時，應根據所包裝食品的特點以及貯運環境，選擇具有適宜阻隔性的材料。

三、阻隔性能影響因素

材料的阻隔性與滲透溶解-擴散機理

滲透的溶解-擴散機理：氣體在其高濃度的一側吸附於薄膜表麵，在高分子薄膜體內擴散, 最後於其低濃度的薄膜一側脫附而揮發。

溶解-擴散機理

質量的傳遞速率與薄膜中滲透物的濃度梯度成正比,並與滲透物在薄膜兩側的壓力差成正比。

C: 濃度 P:壓力

影響阻隔性的因素

環境

• 溫度 • 濕度

材料本身

• 線性或非線性材料 • 結晶度,分子間吸引力,添加劑,樣品厚度

影響阻隔性的因素 ——溫度

經驗法則

•溫度每升高1℃，滲透率增加5 to 7%

•溫度每升高

10 ℃，滲透率加倍

影響阻隔性的因素——濕度

–相對濕度或水汽影響含氫鍵的極性高分子 (Nylon,材料EVOH)

–水汽不影響無氫鍵的極性高分子(PET)

影響阻隔性的因素——濃度

（對於線性材料，滲透率與滲透物濃度成正比）

•濃度與分壓成正比

•材料兩側的滲透物分壓梯度如下：

影響阻隔性的因素——濃度

滲透物濃度越大，其本身的滲透推動力就越大。

濃度20.9%的氧氣 VS 濃度100%的氧氣

氧氣透過率	0.0012 cc/day	0.0052 cc/day
實驗時間	4天	4天

影響阻隔性的因素——厚度

通常情況下，對於單層結構的薄膜：厚度上升(x), 滲透下降(1/x)

多層結構的滲透率可把每層的滲透率用並聯電阻公式疊加而成

材料越厚，越多層，氣體通過它的時間就越長，也就是滲透率就越低。

四、阻隔性能改善方法

多層複合：

得到的複合膜的阻隔性與複合的層數、每層材料本身的阻隔性以及複合層的厚度有關。

目前常用的複合膜有三層、五層和七層這幾種。

高阻隔的複合膜中間層通常采用具有優良阻隔性的材料，如鋁箔、EVOH、PVDC、PVA、PA等。

采用的複合工藝有幹式複合、多層共擠出和多層共擠流延等。

表麵改性或鍍層：

主要通過化學反應對材料的表麵進行基團修飾，從而改變其極性。

也可通過物理或化學的方法，將無機金屬或氧化物等蒸鍍在PET等塑料薄膜表麵，形成幾十到上百納米的阻隔層（采用該方法可將普通薄膜的阻氧和阻濕性能提高幾十至上百倍，甚至可得到透明、高強度的複合薄膜，因而具有巨大的應用潛力）。

添加填料：

在聚合物中添加無機填料不僅可提高材料的機械強度，且可有效改善材料的阻隔性。

研究最為廣泛且目前已經商業化的是納米黏土與聚合物的複合材料。（納米黏土是一種層狀結構且無透過性的矽酸鹽）。

但在用作食品包裝時，納米材料的遷移和安全性也是需要考慮的關鍵問題之一。

五、前沿檢測技術

阻水性測試方法

方法	標準
杯式法/重量法（增重法；減重法）	GB/T 1038-2000 <中國> ASTM E-96 <美國> ISO 2528 <國際> TAPPI T-464 <美國>
紅外法	GB/T 26253-2010 <中國> ISO 15106-2：2003(E) <國際> ASTM E-1249 <美國> TAPPI T-557 <美國> JIS K7129 <日本>
電解法	GB/T 21529-2008 <中國> GB/T 00092003-2015 <中國> ASTM E 398-2013 <美國> ISO 15106-3 <國際>

水蒸氣透過率測試儀的測試原理

杯式法：在一定溫度下，使試樣兩側形成一特定的濕度差，水蒸氣透過試樣進入幹燥的一側，通過測定透濕杯的重量隨時間變化的量，從而計算出試樣的水蒸氣透過量。

杯式法工作原理圖

水蒸氣透過率測試儀的測試原理

杯式法：把試樣固定在測試腔中間將測試腔分上下兩個腔，相對穩定濕度的氣體在薄膜的上腔流動，下腔放置吸收濕氣的幹燥裝置，水分子透過試樣擴散到下腔，被幹燥劑吸收，通過稱重傳感器測量幹燥裝置的重量，從而計算出水汽透過量。

杯式法工作原理圖

水蒸氣透過率測試儀的測試原理

紅外法：采用紅外傳感器測試原理。將預先處理好的的試樣固定在測試腔中間，把測試腔分為上下兩個腔，相對穩定濕度的氮氣在薄膜的上腔流動，幹燥氮氣在下腔流動；由於濕度梯度的存在，水蒸氣會從高濕腔穿過薄膜擴散到低濕腔；透過試樣的水蒸氣被流動的幹燥氮氣攜帶至紅外傳感器，通過傳感器輸出的電信號得出試樣的水蒸氣透過率等參數。