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高阻隔性材料及阻隔性檢測技術(shù)

瀏覽次數(shù)：8813 發(fā)布時間：2017年01月19日 14:53:04

[導(dǎo)讀] 廣州標(biāo)際包裝設(shè)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(biāo)際包裝設(shè)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(jī)氣體等氣體分子），既包括阻隔外界氣體進(jìn)入包裝內(nèi)部，也包括阻止包裝內(nèi)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）或氣體透過系數(shù)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(wěn)定透過時，單位時間內(nèi)透過試樣單位面積的氣體的體積。氣體透過系數(shù)則是指在恒定溫度和單位壓力差下，在穩(wěn)定透過時，單位時間內(nèi)透過試樣單位厚度、單位面積的氣體的體積。

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(氧化硅蒸鍍薄膜)

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(yōu)點：質(zhì)輕、透明、價格低、易加工、不易碎等

在包裝中的應(yīng)用日益廣泛，需求量急劇增加

塑料結(jié)構(gòu)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(xué)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(jié)晶度：聚合物大多為晶態(tài)與非晶態(tài)共存的結(jié)構(gòu)，晶態(tài)結(jié)構(gòu)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于晶態(tài)結(jié)構(gòu)的比例，即結(jié)晶度；結(jié)晶度又受聚合物分子結(jié)構(gòu)、分子量和加工工藝等的影響。

溫度：聚合物大分子的分子運(yùn)動會隨溫度的升高而加強(qiáng)，導(dǎo)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(tuán)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(yīng)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(huán)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(xì)菌和霉菌大量繁殖，直接影響食品的品質(zhì)。

• 滿足產(chǎn)品保質(zhì)保鮮的需要,保證預(yù)期的貨架壽命, 減少防腐劑的使用。

• 在選擇塑料包裝時，應(yīng)根據(jù)所包裝食品的特點以及貯運(yùn)環(huán)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(kuò)散機(jī)理

滲透的溶解-擴(kuò)散機(jī)理：氣體在其高濃度的一側(cè)吸附于薄膜表面，在高分子薄膜體內(nèi)擴(kuò)散, 最后于其低濃度的薄膜一側(cè)脫附而揮發(fā)。

溶解-擴(kuò)散機(jī)理

質(zhì)量的傳遞速率與薄膜中滲透物的濃度梯度成正比,并與滲透物在薄膜兩側(cè)的壓力差成正比。

C: 濃度 P:壓力

影響阻隔性的因素

環(huán)境

• 溫度 • 濕度

材料本身

• 線性或非線性材料 • 結(jié)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(jīng)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

（對于線性材料，滲透率與滲透物濃度成正比）

•濃度與分壓成正比

•材料兩側(cè)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，對于單層結(jié)構(gòu)的薄膜：厚度上升(x), 滲透下降(1/x)

多層結(jié)構(gòu)的滲透率可把每層的滲透率用并聯(lián)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

多層復(fù)合：

得到的復(fù)合膜的阻隔性與復(fù)合的層數(shù)、每層材料本身的阻隔性以及復(fù)合層的厚度有關(guān)。

目前常用的復(fù)合膜有三層、五層和七層這幾種。

高阻隔的復(fù)合膜中間層通常采用具有優(yōu)良阻隔性的材料，如鋁箔、EVOH、PVDC、PVA、PA等。

采用的復(fù)合工藝有干式復(fù)合、多層共擠出和多層共擠流延等。

表面改性或鍍層：

主要通過化學(xué)反應(yīng)對材料的表面進(jìn)行基團(tuán)修飾，從而改變其極性。

也可通過物理或化學(xué)的方法，將無機(jī)金屬或氧化物等蒸鍍在PET等塑料薄膜表面，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(qiáng)度的復(fù)合薄膜，因而具有巨大的應(yīng)用潛力）。

添加填料：

在聚合物中添加無機(jī)填料不僅可提高材料的機(jī)械強(qiáng)度，且可有效改善材料的阻隔性。

研究最為廣泛且目前已經(jīng)商業(yè)化的是納米黏土與聚合物的復(fù)合材料。（納米黏土是一種層狀結(jié)構(gòu)且無透過性的硅酸鹽）。

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(guān)鍵問題之一。

五、前沿檢測技術(shù)

阻水性測試方法

方法	標(biāo)準(zhǔn)
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(cè)形成一特定的濕度差，水蒸氣透過試樣進(jìn)入干燥的一側(cè)，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(wěn)定濕度的氣體在薄膜的上腔流動，下腔放置吸收濕氣的干燥裝置，水分子透過試樣擴(kuò)散到下腔，被干燥劑吸收，通過稱重傳感器測量干燥裝置的重量，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(yù)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(wěn)定濕度的氮氣在薄膜的上腔流動，干燥氮氣在下腔流動；由于濕度梯度的存在，水蒸氣會從高濕腔穿過薄膜擴(kuò)散到低濕腔；透過試樣的水蒸氣被流動的干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(shù)。

紅外法工作原理圖

水蒸氣透過率測試儀的測試原理

電解法：采用電解傳感器原理。將預(yù)先處理好的試樣固定在測試腔中間將測試腔分上下兩個腔，相對穩(wěn)定濕度的氣體在薄膜的上腔流動，干燥氣體在薄膜的下腔流動，水分子透過試樣擴(kuò)散到另一側(cè)的干燥氣體中，被流動的氣體攜帶至電解傳感器，通過對傳感器測量到的水汽濃度進(jìn)行分析，從而計算出水汽透過量。