包装材料渗透性及最新检测技术

影响阻隔性的因素
----- 温度
经验法则
•温度每升高1C, 渗透率增加 5 to 7% •温度每升高 10C, 渗透率加 倍
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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)
Hale Waihona Puke Baidu
EVOH
渗透率与渗透物浓度成正比 (Ficken材料)
•O2 through PET; H2O through OPP
•渗透率与渗透物浓度关系非线 性 (Non-fickian材料)
•H2O through EVOH, Nylon….
MOCON OTR Methods for Barrier Materials
– 残余化学物从包材致食品的迁移
• Package Integrity
– 包装的完整密封性
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Barrier Properties 包装的阻隔性能
包装的阻隔性能对保证产品的安全有着举足轻 重的作用: • 如再好的食品，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 常规检测: 高分子材料透氧率OTR,透湿率 WVTR
包装材料渗透性及最新检测技术
Alex He
2014/6/30
Functions for Modern Packaging 现代包装的功能
• 产品的容器
– 合理尺寸,形状 – 方便使用
• 产品安全的第一道防 线
– 阻隔性 – 整体密封性
包装是产品生产的一部分
• 信息,市场功能
– 产品成份,使用说明 – 外观设计吸引顾客
• • • • • LCPs PGA Polyalkylketones Blends Nanocomposites
• )
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水汽阻隔材料举例
•Polyethylene •Ethylene copolymers
• Ionomers • EVA • ACR
•Polypropylene •PVdC •COC’s •LCP’s
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我们的产品需要什么样的阻隔性材料?
------ 影响产品品保质期的原因
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包装阻隔材料的作用 = 阻止或减少如下交换过程
味道 水汽
紫外线
氧气
二氧化碳
香料
包装阻隔材料选择
• • • • • • • • • • • • 氧化 …… 解决办法-----氧气阻隔材料, 例如 PET, PVDC, Nylon, EVOH 受潮,发霉 ……. 解决办法-----水汽阻隔材料,例如 PP, PE 氧化,受潮…… 解决办法-----复合材料, 例如 PP/PET/PE, PET/Al/PE 上述, 以及芳香味遗失…….. 解决办法-----化学阻隔,复合材料, 例如 PP/Nylon/Al/PE 受光催化氧化变质 解决办法------光阻隔材料,例如渡金属材料Metalized PET 其它方法 包装内加除氧剂,除湿剂;真空包装,冲氮包装,气调包装
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Applications应用
Solar Panels
Flexible Display
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Major Markets Served
– 食品和饮料 – 药品 – 保健品，医疗器械 – 个人护理产品 – 电子产品等
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Packaging Material and Food Safety 包装材料与食品安全
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袋子OTR 测试, 23C,21% O2 ------- MOCON OX-Tran 2/21
PA2
PB2 CB2
CB
CB1
溶解-扩散机理
• 渗透率等于溶解度与扩散 系数的乘积， • 即：P = S x D P：渗透系数 S：溶解度，是指渗透物在 高分子中的溶解量。它与 渗透物浓度有关。 D：扩散系数，是指物质从 体系的一处至另一处的传 递，是分子随机运动的结 果, 在Fickian体系, 它与渗 透物浓度无关
(MOCON Coulox™ 氧气检测器), Coulox™ 产生的线性信号遵守 Faraday定律, 是种绝对值检测器, 无需做定量标定
MOCON WVTR Methods for Barrier Materials
Method Comparison
ASTM E-398 ISO 15106-1 0.05-500 g/(m2*day)
(Permatran W 398, W 1/50) Dynamic Relative Humidity Measurement
ASTM F-1249
ISO 15106-2
ISO 15106-3 0.00005 – 5 g/(m2*day)
0.005-1000 g/(m2*day)
(Permatran W 3/33, W700) Concentration-based pulse modulated infrared sensor
Method Comparison
ASTM D3985, F1307, F-1927 (COULOXTM sensor ) (Isostatic Method) ASTM F-2622 (08) (Non-COULOX sensor ) (Isostatic Method)
MOCON Ox-Tran 2/21,2/61,702
(Aquatran Model 2)
Absolute coulometric sensor
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案例分析 : 袋装美式火腿
•某肉食品加工厂生产袋装美式火腿 •选择高阻隔材料塑料袋 •投放市场后在保质期内产品变质严重 •期间包装袋本身也出现层间薄离现象 •因损失严重, 厂家投诉塑料袋供应商…
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案例分析 : 袋装美式火腿
• Barrier Properties of Packaging Materials
– 包装材料的阻隔性
• Compatibility of Packaging Material and Food Product.
– 包装材料与产品相容性
• Migration of residual chemicals in polymer
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Package Integrity 包装的完整密封性
•由劣质热封接缝, 针孔等造成的包装泄漏, 不仅降低了产品的货架寿命, 也对消费者 的健康带来损害. •要求: 对终极成型包装在实际应用条件下 进一步测试,确证包装的阻隔性,物理性能 在加工物流和销售环节中未受损坏. 常规检测：热封性能，整体包装阻隔性， 密封性，破裂强度测试。
渗透物浓度对Non-Fickian材料的影响
•F(x) = -D(dc/dx)
•For Fickian materials (or those that obey Fick’s Law), permeation is linear with concentration for all concentration ranges.
Absolute sensor, Most sensitive (0.005cc/m2*day) Testing both film and PKG Oxygen specific Equal pressure both sides
MOCON Ox-Tran 2/10 or Other Brands
渗透率常用单位
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.
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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。
CA1 CA PB1 PA1
• Metallized OPET and OPP
• Aromatic Polyamides
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不同阻隔性的材料
低阻隔: >0.1 cc/day
– PE, PP, PS, PLA
中阻隔: ~ 0.05 cc/day
– PVC, PET, Nylon, MET BOPP
高阻隔: <0.01 cc/day
• 当接触到36 cc O2 后，该食品被认为以变质
食品包装的研发—待选材料评估
Candidate Material Evaluations
食品包装的研发—待选材料评估
Candidate Material Evaluations
材料的阻隔性与渗透性
• 材料的阻隔性是由其渗透率来 表示的。 • 阻隔性与渗透率成反比 • 阻隔性越高，渗透率越低 • 渗透率由实验测试获得
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Relative Humidity Effects OTR
Polymers:
EVOH Uncoated Cellophane Nylon 6 PVA ABS HDPE LDPE
0%RH (dry)
0.0006
100%RH
1.5
0.0078
0.06 3.3 0.06 6.6 28.8
12.0
0.3 9.0 0.06 6.6 28.8
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香料香精阻隔材料举例
BOPP PVdC coated OPET or BOPP Polyamides Metallized Aluminum PVdC EVOH
油料脂肪阻隔材料
Ionomers EVOH HDPE Polyamides Polypropylene
紫外线阻隔材料
• Aluminum
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渗透物推动力
• 与渗透物的浓度直接有关 • 浓度与分压成正比 • 材料两侧的渗透物分压梯度
PA1 CA1 CA CA2 PA2
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渗透物推动力 20.9% (Room Air) versus 100% O2
OTR
0.0012 cc/day
4 days
0.0052 cc/day
4 days
Eq. Time
氧气阻隔材料举例
• • • • • • • • EVOH PVDC Polyamides(Nylon) Polyester SAN, PAN (SiO2)x Metallized Polyester PGA
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氧气阻隔材料– 新动向
• MAP • High Transmission • Active vs. passive barrier (oxygen scavengers) • Resins:
– LCP’s, EVOH, PVdC, MXD6, Foil, SiOx coatings
20C, 50% RH outside package, 100% RH inside package
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低阻隔材料
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高阻隔材料
23C, 0%RH
食品包装的研发--模式/降解退化程度
Mode / Extent of Degradation
Medium sensitive Sensor need calibration Testing both film and PKG Equal pressure both sides
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MOCON Permeation Methodology
®
(Oxygen transmission rate test) MOCON® 透氧仪设计原理
影响材料渗透性的因素
• 材料自身因素的影响 • 外部因素的影响
Permeation is impacted by…… 影响阻隔性的因素 ……
• Environment: 环境 • temperature 温度 • relative humidity 湿度
• Material itself: 材料本身 • Fickian behavior or Non-Fickian • 线性或非线性材料 • Material Properties • 结晶度,分子间吸引力,添加剂,样品厚度
• 被包装产品: • 美式火腿------ 为使肉质鲜嫩, 加工时添加水 溶液,故产品含水量高. 包装后, 袋中RH =75%
• 包装袋材料: • Nylon/PE 复合层 • 透氧率: • 0.05 cc /(bag*24hr), (在4C及0%RH 测试) • 0.4 /(bag*24hr), (在4C及75%RH 测试)
渗透基本原理
• 材料的渗透性可用来描述气体分子从物体的高浓 度的一侧到另一侧的流动速率
• Units of permeation：
渗透常用单位
Permeation rate
渗透系数常用单位
cc m il 2 m day atm cc 2 m day
Transmission rate