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高阻隔性材料及阻隔性检测技术

浏览次数：8263 发布时间：2017年01月19日 14:53:04

[导读] 广州标际包装设备有限公司一、包材阻隔性能简介定义：包装材料的阻隔性指的是材料阻止小分子透过的性能（其中的小分子包括水分子

广州标际包装设备有限公司

一、包材阻隔性能简介

定义：包装材料的阻隔性指的是材料阻止小分子透过的性能（其中的小分子包括水分子、O₂、N₂、CO₂以及有机气体等气体分子），既包括阻隔外界气体进入包装内部，也包括阻止包装内部的水分、香气等渗透出去。

计算方式：包装材料的阻隔性可以用气体透过量（率）或气体透过系数来衡量。在GB/T 1038-2000中，气体透过量指的是在恒定温度和单位压力差下，在稳定透过时，单位时间内透过试样单位面积的气体的体积。气体透过系数则是指在恒定温度和单位压力差下，在稳定透过时，单位时间内透过试样单位厚度、单位面积的气体的体积。

不同阻隔性的材料

阻隔性	氧气透过率	常见材料
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(特殊尼龙)、Foil(箔)、Siox coatings(氧化硅蒸镀薄膜)

二、塑料包材阻隔性能

塑料：四大包装材料之一。

由聚合物和填料所组成

优点：质轻、透明、价格低、易加工、不易碎等

在包装中的应用日益广泛，需求量急剧增加

塑料结构多样，且影响因素较多——不同塑料的阻隔性也有很大的差异：

极性：不同化学组成的聚合物具有不同的极性，因而对不同小分子的溶解性差异显著。

结晶度：聚合物大多为晶态与非晶态共存的结构，晶态结构中分子排列紧密有序因此几乎不具有透过性，所以整个材料的气体透过性则取决于晶态结构的比例，即结晶度；结晶度又受聚合物分子结构、分子量和加工工艺等的影响。

温度：聚合物大分子的分子运动会随温度的升高而加强，导致自由体积增加，阻隔性随之降低甚至丧失

湿度：具有亲水性基团的聚合物的阻隔性受湿度的影响也很大

高阻隔性塑料材料应用举例

食品包装的阻隔性能

食品包装的阻隔性能对保证食品的安全有着举足轻重的作用:

• 再好的食品，再环保的包装，如果阻隔性能不好，氧气的大量渗入，会使富含脂肪和维生素类食品变色、哈变或酸败，或使细菌和霉菌大量繁殖，直接影响食品的品质。

• 满足产品保质保鲜的需要,保证预期的货架寿命, 减少防腐剂的使用。

• 在选择塑料包装时，应根据所包装食品的特点以及贮运环境，选择具有适宜阻隔性的材料。

三、阻隔性能影响因素

材料的阻隔性与渗透溶解-扩散机理

渗透的溶解-扩散机理：气体在其高浓度的一侧吸附于薄膜表面，在高分子薄膜体内扩散, 最后于其低浓度的薄膜一侧脱附而挥发。

溶解-扩散机理

质量的传递速率与薄膜中渗透物的浓度梯度成正比,并与渗透物在薄膜两侧的压力差成正比。

C: 浓度 P:压力

影响阻隔性的因素

环境

• 温度 • 湿度

材料本身

• 线性或非线性材料 • 结晶度,分子间吸引力,添加剂,样品厚度

影响阻隔性的因素 ——温度

经验法则

•温度每升高1℃，渗透率增加5 to 7%

•温度每升高

10 ℃，渗透率加倍

影响阻隔性的因素——湿度

–相对湿度或水汽影响含氢键的极性高分子 (Nylon,材料EVOH)

–水汽不影响无氢键的极性高分子(PET)

影响阻隔性的因素——浓度

（对于线性材料，渗透率与渗透物浓度成正比）

•浓度与分压成正比

•材料两侧的渗透物分压梯度如下：

影响阻隔性的因素——浓度

渗透物浓度越大，其本身的渗透推动力就越大。

浓度20.9%的氧气 VS 浓度100%的氧气

氧气透过率	0.0012 cc/day	0.0052 cc/day
实验时间	4天	4天

影响阻隔性的因素——厚度

通常情况下，对于单层结构的薄膜：厚度上升(x), 渗透下降(1/x)

多层结构的渗透率可把每层的渗透率用并联电阻公式叠加而成

材料越厚，越多层，气体通过它的时间就越长，也就是渗透率就越低。

四、阻隔性能改善方法

多层复合：

得到的复合膜的阻隔性与复合的层数、每层材料本身的阻隔性以及复合层的厚度有关。

目前常用的复合膜有三层、五层和七层这几种。

高阻隔的复合膜中间层通常采用具有优良阻隔性的材料，如铝箔、EVOH、PVDC、PVA、PA等。

采用的复合工艺有干式复合、多层共挤出和多层共挤流延等。

表面改性或镀层：

主要通过化学反应对材料的表面进行基团修饰，从而改变其极性。

也可通过物理或化学的方法，将无机金属或氧化物等蒸镀在PET等塑料薄膜表面，形成几十到上百纳米的阻隔层（采用该方法可将普通薄膜的阻氧和阻湿性能提高几十至上百倍，甚至可得到透明、高强度的复合薄膜，因而具有巨大的应用潜力）。

添加填料：

在聚合物中添加无机填料不仅可提高材料的机械强度，且可有效改善材料的阻隔性。

研究最为广泛且目前已经商业化的是纳米黏土与聚合物的复合材料。（纳米黏土是一种层状结构且无透过性的硅酸盐）。

但在用作食品包装时，纳米材料的迁移和安全性也是需要考虑的关键问题之一。

五、前沿检测技术

阻水性测试方法

方法	标准
杯式法/重量法（增重法；减重法）	GB/T 1038-2000 <中国> ASTM E-96 <美国> ISO 2528 <国际> TAPPI T-464 <美国>
红外法	GB/T 26253-2010 <中国> ISO 15106-2：2003(E) <国际> ASTM E-1249 <美国> TAPPI T-557 <美国> JIS K7129 <日本>
电解法	GB/T 21529-2008 <中国> GB/T 00092003-2015 <中国> ASTM E 398-2013 <美国> ISO 15106-3 <国际>

水蒸气透过率测试仪的测试原理

杯式法：在一定温度下，使试样两侧形成一特定的湿度差，水蒸气透过试样进入干燥的一侧，通过测定透湿杯的重量随时间变化的量，从而计算出试样的水蒸气透过量。

杯式法工作原理图

水蒸气透过率测试仪的测试原理

杯式法：把试样固定在测试腔中间将测试腔分上下两个腔，相对稳定湿度的气体在薄膜的上腔流动，下腔放置吸收湿气的干燥装置，水分子透过试样扩散到下腔，被干燥剂吸收，通过称重传感器测量干燥装置的重量，从而计算出水汽透过量。

杯式法工作原理图

水蒸气透过率测试仪的测试原理

红外法：采用红外传感器测试原理。将预先处理好的的试样固定在测试腔中间，把测试腔分为上下两个腔，相对稳定湿度的氮气在薄膜的上腔流动，干燥氮气在下腔流动；由于湿度梯度的存在，水蒸气会从高湿腔穿过薄膜扩散到低湿腔；透过试样的水蒸气被流动的干燥氮气携带至红外传感器，通过传感器输出的电信号得出试样的水蒸气透过率等参数。