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good塑料包装薄膜的阻隔性探究塑料包装薄膜的阻隔性探究叶龙(武汉工程大学材料科学与工程学院06包材)【摘要】随着食品和医药对包装的要求越来越严格，一些新的功能薄膜也脱颖 而岀，英中高阻隔性塑料包装材料己成为塑料包装材料的重要发展方向之 一，性能优异的高阻隔性包装材料在食品和医药等领域得到广泛应用本 文灵活运用物理化学和高分子物理的基本原理对阻隔性的原理、分类、表 征、测试及应用现状及展望作深入的阐述，并从文献全面总结出提高薄膜 阻隔性的方法关键词】塑料薄膜；阻隔性；渗透系数；透气性测试TheBarrierPropertiesofPlasticPackagingFilmsYeLong(SchoolofMaterialScie nceandE ngin eeri ng, Wuhanl nstituteofTech no logy)【正文】0、导言在包装设计中，阻隔性是包装材料具有的最重要特性，特别是食品的 保质期对包装材料的阻隔性的依存度很大1, 3］认识和掌握材料的阻 隔性是设计合理包装结构的重要条件一方面，只有选择了具有适当阻隔 性的材料，才能满足产品的保质、保存要求；另一方面，也可防止肓目追 求阻隔性，提高包装成本。

高阻隔性材料是近几年塑料包装业发展的重点, 广泛应用于食品、医药、卷烟、化工、电子、军工等各个领域1、塑料薄膜的阻隔原理分析【2〜6】材料的阻隔性是针对特定渗透对象而言的，包括常见气体、水蒸气、 液体、有机物等，是材料对特定渗透对象由其一侧渗透通过到达另一侧(一 般是由高浓度侧渗透材料进入浓度一侧，化学势原理)的阻隔性能根据物理化学中的吸附理论【5】，从微观的角度来看薄膜渗透过程是 按以下步骤进行的：(1)气体原子或分子吸附到薄膜表面；(2)溶解；(3) 气体在高浓度一侧(P1)的薄膜表面达到溶解平衡；(4)由于浓度梯度的 存在，气体向薄膜的另一侧(P2)扩散；(5)解吸该过程如图1所示 一般来说，扩散是渗透过程中最慢的又是最关键的步骤，它和渗透与溶解 有密切的关系当同一种气体(如氧气)透过不同的薄膜时，渗透系数主要 取决于气体在膜中的扩散系数，而不同气体透过同种薄膜时，渗透系数的 大小主要取决于气体对膜的溶解度系数对同一薄膜來讲，渗透系数与薄 膜的透气量成正比9】由Fick定律可得，在浓度梯度不变的情况下，如 果D很小，气体将需要一段很长的时间才能扩散到薄膜的另一面，表现在宏观上就是薄膜的阻隔性比较好:如果D比较人， 气体透过薄膜就比较容易，相对应的就是薄膜的阻隔性较差。

整个渗透过程出现的快慢由两个因素决定，一是在聚合物里渗透溶解 的快慢，由溶解度参数S表示；二是渗透物分子在聚合物基体内移动的快 慢，由扩散系数D表示渗透过程原理图2、塑料薄膜阻隔性的分类2.1阻气性【1〜4】2.2阻湿性【2, 3】阻湿性，也即透湿性，指的是薄膜对水蒸气的透过性水蒸气透过高 聚物包装材料的机理，基本上与无机气体通过的机理相同，不同之处在于 水蒸气是极性分子，无机气体是非极性分子由此而带来一下差别1 水蒸气对亲水性高聚物的渗透性：对纤维素薄膜、PVA、EVOH、PA 等吸水性高聚物水蒸气对薄膜的扩散系数随水蒸气浓度的增大而增加 而对非亲水性的高聚物，扩散系数是不变的1 水蒸气对极性分子薄膜的渗透：水蒸气是极性分子，对极性高聚物 的溶解速率和扩散速率均大于非极性分子塑料1 水蒸气的渗透性与分子聚集态结构冇关：晶态高聚物的的渗透速率 大于非晶态高聚物；密度低的渗透能力大于密度高的聚合物；无取向排列 的高聚物渗透性大于取向排列的高聚物2.3有机物渗透性（阻油性）【2】一般规律是阻氧气性好的材料，对有机物和气味的阻隔性好，对水分 敏感的高聚物，有机物渗透性一般也较高有机物渗透与以下因素有关: ①极性：极性相近的有机物对相应的高聚物渗透性大；②分子量：有机物 分了量大的透过性差；③溶解度参数：有机物与高聚物的溶解度参数相近 的易渗透。

2.4保香性[3]保香性是材料阻隔性因素的综合体现，包括了渗透、有机物渗出、迁 移、转移等机理影响保香性的因素有：①02、H20的渗透引起香味变化； ②有机物小分子渗透引起香味变化；③高聚物包装材料中成分的迁移引起 异味；④包装内容物香味成分的转移和散失，导致香味成分的减少实验 表明包装材料的阻隔性越好，保香性也越好3、塑料薄膜阻隔性的表征【2, 3]表征高分子材料阻隔性（透过性）大小的指标为透过系数，包括气体 透过系数、水蒸气透过系数，通常是指在恒定温度和相对湿度环境中，在 稳定透过时，单位时问内透过试样单位厚度、单位面积内透过小分子物质 的体积或重量3.1渗透系数P(1)式中L为复合结构总厚度；Ln为每层膜的厚度；Rn为每层膜的渗透系数从该公式可以看出，阻隔性主要取决于阻隔性最好的一层的阻隔 性，复合膜的其他部分对阻隔性只是起了载体作用随着高聚物材料在包 装市场中应用领域及需求量的加人，新型功能材料开发进度不断加快，阻 隔性薄膜研发测试己不再局限于渗透系数、渗透量等指标上，对扩散系数、 溶解度系数等直接影响向渗透参数的测试需求逐渐增多，材料的阻隔测试 己步入逐渐完善的过程3.2气体透过率系数Pg透过系数氧气 高聚物4、塑料薄膜阻隔性的检测在选择包装材料并进行材料的结构设计时，如何检测材料的阻隔性指 标，是首当其冲需耍解决的问题。

试验方法的选择以及数据Z间是否具有 可比性都是关注的焦点由于材料对氧气以及水蒸气阻隔性的检测需求最 强，因此检测发展很快二氧化碳水常用的氧气透过性检测方法有：压差法（真空法和常压法）、等压法 （氧传感器法）；水蒸气阻隔性检测方法有：称重法、传感器法（湿度传 感器法、红外探测器法、电解法），如图2所示1, 2, 3]阻隔性检测 设备都是高端精密仪器，而且测试具有很强的环境依赖性，无论维护和使 用，都是一般的材料物理性能检测设备所不能相比的图2阻隔性的测试方法4.1透气性测试【2, 11, 14]透气性测试，也称气体阻隔性测试，主要是考察薄膜对常见无机气体 的阻隔性能，是薄膜主要的阻隔性指标之一通常检测的是塑料薄膜材料的 透氧性，由于气调包装（ModifiedAtmospherePackaging）的广泛应用，也 需对包装材料的二氧化碳、氮气透过性进行检测这里主要介绍压差法与 等压法4.1.1 压差法（Differential・pressuremethod）符合压差法原理的用于检测氧气透过量的检测仪器有国内济南兰光 机电技术有限公司生产的VAC系列压差法气体渗透仪，其最高精度可达0.01cm3/m2?24h?0.1MPao真空法是压差法中最具代表性的一种测试 方法，也是气体渗透定义的方法。

其测试原理（如图3所示）是利用试样 将渗透腔隔成两个独立的空间，先将试样两侧都抽成真空，然后向其中一 侧充入O.IMPa （绝压）的测试气体，而另一侧则保持真空状态这样在试 样两侧就形成了 O.IMPa的测试气体压差，测试气体渗透通过薄膜进入低 压侧并引起低压侧压力的变化通过使用高精度测压计测量低压侧的压力 变化量就可以利用公式计算得到气体透过量压差法具有对测试气体没有选择性、测试成本低、试验成功率高等显 著的检测优势，然而最为突出的当数在其测试环境中气体“纯净”因为 在真空法的试验过程中会先对整个测试腔抽真空至27Pa以下，再对测试 上腔充入纯净的测试气体，这样在整个试验环境中的杂质气体（非试验气体）就可以忽略了， 因此朵质气体可能给试验带来的影响就能排除了24]图3压差法试验原理图4.1.2 等压法（Equal-pressuremethod）冃前应用于透气性检测的等压法主耍是传感器法，它主耍用于氧气透 过性检测，测试原理如图4所示：利用试样将渗透腔隔成两个独立的气流系统，一侧为流动的测试气体（可以是纯氧气或是含氧气的混合气体）, 另一侧为流动的干燥载气(氮气)试样两边的压力相等，但氧气分压不 同。

在氧气的分压矛作用下，氧气透过薄膜并被氮气流送至传感器中，由 传感器精确测量岀氮气流中携带的氧气量，从而计算岀材料的氧气透过率等压法的突岀优点是可以进行容器透氧性检测，但在测试气休的通用 性上不如压差法广泛由于在等压法测试原理中对载气的需耍使得在该方 法中存在两种数量相当的气体，当试样两侧有O.IMPa氧气分压差存在的 同时也有O.IMPa氮气分压差存在，不过它们的梯度方向正好相反，因此 在等压法中当氧气渗透通过薄膜的同时氮气进行着逆向的渗透图4等压法试验原理4.2透湿性测试[12, 13]杯式法，乂叫称重法(weighingmethod),是目前我国国家标准唯一认 可的透湿性测试方法我国的质检系统以及逐渐发展起来的中国包装工业 自上世纪70年代起在进行材料的透湿性检测时就全部采用杯式法杯式法可以 分为渗透进入透湿杯的增重法和渗透离开透湿杯的减重法两种测试方法 增重法的透湿杯中放有干燥剂，可认为透湿杯内部为0%RH,试验环境为 38C、90%RH；而在减重法中透湿杯内盛有蒸憾水或是饱和盐溶液，如果 盛的是蒸馄水可认为透湿杯内部为100%RH,试验环境为38C、10%RHo5、常见高阻隔薄膜材料的阻隔性分析【1, 2, 3, 6, 15-19]薄膜阻隔性能是指对小分子气体如氧、水汽、液体及气味等的屏蔽能力，阻隔性薄膜主要用于食品和医药包装，确保包装物在储存、运输过程 中保香保味不变质，以延长其保质期和货架寿命。

随着生活节奏的加快和 生活水平的提高各种方便食品如肉制品、乳制品、淹卤制品等的需求量越 来越大，对医药产品的质量要求也越来越高，此外阻隔性塑料薄膜也广泛 应用在化妆品、茶叶、化学试剂、农药、香料、饲料等产品的包装，因此 阻隔性薄膜己成为各国竞相开发的热点在阻隔性塑料薄膜中阻隔性树脂 的使用是关键，主要有聚乙烯醇(PVA)、乙烯乙烯醇共聚物(EVOH)、偏氯乙 烯共聚物(PVDC)、聚荼二甲酸乙二醇酯(PEN)、特殊尼龙(MXD6)、尼龙(PA)、 聚对苯二甲酸乙二醇(PET)等，在这些阻隔性树脂PVA、EVOH、PVDC、PEN属于高阻隔性材料，中，最常用的是PVDC 和EVOH,而PA与PET的阻隔性相近，属于中阻隔性材料15】5.1PVDC (聚偏二氯乙烯,PolyvinylideneChloride)PVDC是当今世界上综合阻隔性最好的高分子材料，也是最早开发的 高阻隔性材料，使用历史较长，从80年代开始广泛用于食品包装，国内 主要用作肠衣膜，PVDC具冇极好的阻氧阻湿性能，但是由于含氯而受到 环保人土的反对，在欧洲的一些国家属禁用材料PVDC涂覆薄膜使用量特别多，由于纯的PVDC软化温度高，且与其分 解温度接近，乂与一般增塑剂相溶性差，故加热成型困难而且难以直接应 用。

实际使用的PVDC薄膜多为偏氯乙烯(VDC)和氯乙烯(VC啲共聚物PVDC的特点是低透过性、阻隔性和耐化学药品性我国PVDC是伴随 着火腿肠加工技术引进并得到发展的冃前己广泛应用于食品、卷烟、饮 料保鲜和隔味，以及化工、医药、电子和军工产业的防潮包装5.2EVOH （乙烯一乙烯醇共聚物，Ethylene-vinylalcoholcopolymer ）EVOH 一直是应用最多的高阻隔性材料EVOH的阻隔性能取决于乙烯的含量，一般来说，当乙烯含量增加时候，气体阻隔性下降，但易于加工 EVOH显著特点是对气体具有极好的阻隔性和极好加工性，另外透明性、 光泽性、机械强度、伸缩性、耐磨性、耐寒性和表面强度都非常优异EVOH结构中存在疑基，EVOH具有亲水性和吸湿性，故EVOH常作复 合膜中。