塑料包装薄膜的阻隔性探究

响因素表现为：①分子链的极性；②分子链的刚性；③结晶度；④高聚物的密度；⑤取向度；⑥ 湿敏度；⑦温度。 2.2 阻湿性【2，3】
2
包材创新学术活动论文 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。
Key words Packaging；Plastics film；Barrier properties；Permeability test
【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，也可防止盲目追求 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 】
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
L = L1 + L2 +L L + Ln （1）
P P1 P2
Pn
式中 L 为复合结构总厚度； L1、L2、L 、Ln 为每层膜的厚度； P1、P2、L 、Pn 2 为每层膜的渗透系
1
包材创新学术活动论文 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 比较大，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。
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（Modified Atmosphere Packaging）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-pressure method）
合力越强，O2、CO2 等气体由于压力差而侵入通过聚合物链间的可能性越小，阻隔性就越好。自 由空间是表示聚合物链以自由的状态占据的体积，自由空间密度越大，聚合物链间的空间越大，
气体透过越容易。将上述因素综合考虑可以用透过热π
描述： π
=
71
⎡ ⎢ ⎣
ln(
δ2 fV
)
−
5.7
⎤ ⎥ ⎦
。阻气性具体影
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大，新型功能材料 开发进度不断加快，阻隔性薄膜研发测试已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，材料的阻隔测试已步入逐渐完善的过程。 3.2 气体透过率系数 Pg
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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出，其中高阻隔性
塑料包装材料已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。
20-25
40-70 0.2-6
50 5-9 150 18-30
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，是首当其冲需要解
决的问题。试验方法的选择以及数据之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。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。
【关键词】 塑料薄膜；阻隔性；渗透系数；透气性测试
The Barrier Properties of Plastic Packaging Films
Ye Long
(School of Material Science and Engineering，Wuhan Institute of Technology)
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•0.1MPa。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 0.1MPa（绝压）的测试
Pg = 1.1574×10−9 Qg × D （2）
式中 Qg-气体透过量,；D-试样厚度 3.3 水蒸气透过率系数 Pv
PV =1.1574 ×10−9 ×WVT × D / ∆P （3）
式中 WVT-水蒸气透过系数；D-试样厚度；△P-试样两侧的水蒸气压差 表 1 常见阻隔性材料的透过系数
（单位： cm3g20µm / m2gd g0.1MPa,100C,80% R.H. ）
图 2 阻隔性的测试方法
⎧
⎧
⎧真空法（即真空压差法）
⎪⎪氧气透过性⎪⎨压差法⎨⎩常压法（即正压差法、体积法）
⎪ ⎪
⎪ ⎩
等压法{微量氧传感器}
气体阻隔性测试⎪⎪⎨ ⎪
⎧
⎧增重法
⎪⎪杯式法（称重法）⎨⎩减重法
⎪⎪水蒸气透过性⎪⎨
⎪ ⎪
⎪⎪传感器法
⎪⎩
⎪⎩
⎧湿度传感器法⎫
⎪⎨红外探测器法⎪⎬
⎪⎩电解法
⎪ ⎭
3
包材创新学术活动论文 高聚物
透过系数
பைடு நூலகம்
氧气
二氧化碳
水
EVOH（乙烯 29%）
EVOH（乙烯 38%） PVDC 共聚物 PAN 共聚物 PEN PA-66 PA-6 PET
0.1
0.4 0.5-4
8 12-22 15-30 25-40 49-90
0.5
6 1.2 16 50 50-70 150-200 180
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。对同一薄膜来讲，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
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：有机物分子量大的透过性差；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：①O2、H2O 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】
图 1 渗透过程原理图
根据 Fick 第一扩散定律【5】，即单位时间、单位面积的气体透过量与浓度梯度成正比，即
∫ ∫ F
=
−
Ddc dt
，则
Fdx
=
−Ddc
，从浓度 c1
→
c2 积分有，
F
d
dx = −D
0
c2 c1
dc
，解得
F
=
D(c1
−
c2
)
/
d
。
再由 Henry 定律 c = SP ，则 F = D(SP1 − SP2 ) / d = DS (P1 − P2 ) / d ，得出渗透系数 Pg = DS ，从
而渗透量表达式为 F = Pg (P1 − P2 ) / d 。
（2）如果设 Q 为渗透物质总量，则对渗透面积为 A 的薄膜，在渗透时间 t 内， Q = FgtgA，可得
到有用的渗透设计计算公式： Q = Pg gAgtg∆P / d （其中 ∆P = P1 − P2 ）。可见渗透量与渗透系数、包
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。
②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。
③水蒸气的渗透性与分子聚集态结构有关：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】
装面积、存放时间和分压差成正比，与材料厚度成反比。根据具体的应用情况，我们可以通过选 择合适的扩散系数以及其他阻隔参数达到包装使用的目的。 2、塑料薄膜阻隔性的分类 2.1 阻气性【1～4】
塑料的阻气性，即对无机气体（氧气、氮气、二氧化碳等）的透过性，是以下两个因素直接
有关的：聚合物的凝结能δ 和自由空间密度 fv 。凝结能表示聚合物链的活动力，聚合物链间的结
Abstract
The barrier properties is the most important characteristic in the design of packaging materials.Understanding and mastering the barrier properties is an important condition to design a reasonable structure of packaging films. High-barrier material is a plastic packaging industry in recent years,which is widely used in food, medicine, chemicals, and other fields.This Article have put polymer physics and physical chemstry into pratice,which could explain the principles ,classification,characteristics and test methods of barrier properties thoroughly . Besides,a summary of the methods to improve the barrier properties is given .
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包材创新学术活动论文 气体，而另一侧则保持真空状态。这样在试样两侧就形成了 0.1MPa 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。