阻隔性能可以反映產品對外界空氣、水分的阻擋效果。通過測試材料的阻隔性,可以確保包裝材料能夠有效地保護產品,防止由于氧氣、水分或其他環境因素的滲透而導致的產品變質或損壞。
阻隔性能的定義:
阻隔性能可分為氣體阻隔性和水蒸氣阻隔性,對應的指標為氧氣透過量和水蒸氣透過量。
氧氣透過量[cm3/(㎡*d*Pa]是指在塑料材料兩側的單位壓差下,單位時間內滲透過材料單位面積的氣體的量,也被稱為“透氣”、“透氧”等;
水蒸氣透過量[g/(㎡*24h)]是指在規定的溫度與相對濕度及試樣兩側保持一定的水蒸氣壓差的條件下,24h內透過單位面積試樣的水蒸氣質量,也被稱為“透濕”。
阻隔性能的影響因素:
1)分子極性:
當結晶度一定時,極性大分子或強極性大分子因分子間結合緊密而使氣體內部的擴散困難。分子極性越大,其樹脂透氣率越小,阻氣性越好。常用塑料樹脂中,PET和PVA為強極性樹脂,PA,PVC為極性樹脂,PS等為弱極性樹脂,PE,PP等為非極性樹脂。他們的阻氣隨分子極性的提高而提高,如PET和PE對O2的透過率相差十分懸殊。
水蒸氣是極性分子,根據相似相溶的原理,水蒸氣在極性分子塑料中的融入和擴散速度均大于非極性塑料分子,其透濕系數值也較大。高阻隔性材料和PET分子極性強,而其透濕系數值大于非極性分子PE,故PE是一種極好的防潮包裝材料。
2)分子結晶性:
氣體和水蒸氣透過結晶性塑料薄膜所需要的擴散能量比非結晶性塑料薄膜高,擴散系數小,故結晶性塑料薄膜表現出較好的阻氣性。在其余條件相同的情況下,塑料薄膜分子結晶度越高,表現出較好的阻隔性能。
3)分子定向性:
塑料薄膜因成型時的拉伸而使塑料大分子受到不同程度的定向作用,呈規則分別而排列緊密,薄膜阻隔性提高。定向程度越高,其阻隔性越好。尤其是薄膜經過雙向拉伸處理后,不僅晶粒尺寸可大大降低,而且結晶度也可增高。可解釋為一方面拉伸使原來的結晶顆粒破碎而變小;另一方面拉伸使大分子取向增加,排列更加規整有序,從而提高結晶度和大分子的排列密度。
4)分子親水性:
塑料薄膜中具有親水性能的主要有PVA,PA等,親水性樹脂由于其強的吸水性可使樹脂溶脹,分子間距增大可使阻隔性下降。通常,親水性塑料薄膜的水蒸氣擴散系數不是常數,它隨水蒸氣的溶度增大而增大,導致透濕系數的改變,而非親水性塑料薄膜的透濕性幾乎不受環境濕度的影響。
5)環境溫度:溫度對塑料薄膜的分子結構有影響,溫度升高將使樹脂的結晶度,定向度降低,分子間距拉大,密度降低,這都使塑料薄膜的阻隔性降低。
一般塑料薄膜的其他透過率均按指數規律隨溫度的變化而增減,相比而言,PVDC的阻氣性受溫度的影響較小,非塑料的鋁箔材料受溫度的影響更小,故一般選擇這兩種膜做高溫蒸煮袋更合適一些。與之相比,超高阻隔性的二氧化硅鍍膜塑料薄膜的阻隔性受溫度的影響更小。
實際應用中,EVOH,PVDC共聚物,PAN共聚物,PA類,PEN,PET等幾種材料常常用作阻隔性材料,其中EVOH,PVDC,PAN共聚物和芳香尼龍MXD6為高阻隔性材料,而PA類,PET為中等阻隔性材料。EVOH,PVDC,PEN,PAN雖阻隔性十分優異,但或加工型不好,或價格高,或性能不全面,一般不單獨使用,常用于共混,復合及涂層改性。
提升阻隔性能的方法:
可從兩方面來提高包裝薄膜阻隔性,一方面是減少高濃度側的吸附量,另一方面是增大擴散路徑。可采取(包括但不限于)如下方法:
(1)通過在薄膜表面涂布一層無機阻隔材料(包括涂布和蒸鍍ALOx、SiOx以及兩者的混合物等),因為無機材料的鍵長小于水、氧分子動力學直徑,形成阻隔;
(2)引入極性基團,提高分子鏈間的相互作用,減少鏈間空隙形成,提升阻隔;
(3)在薄膜的制造過程中加入阻隔填料,如納米二氧化硅,可通過填補薄膜內部的微孔洞,從而提升阻隔;
(4)利用某些材料特定的阻隔性,采用多層共擠等方式來達到提升阻隔的效果,如EVOH/PE/PP/PE/EVOH多層共擠。
阻隔性能的測試方法:
GB/T 1038.1-2022塑料制品 薄膜和薄片 氣體透過性試驗方法 第1部分:差壓法
GB/T 1038.2-2022塑料制品 薄膜和薄片 氣體透過性試驗方法 第2部分:等壓法
GB/T 1037-2021塑料薄膜與薄片水蒸氣透過性能測定 杯式增重與減重法
GB/T 31354-2014包裝件和容器氧氣透過性測試方法 庫侖計檢測法
GB/T 31355-2014包裝件和容器水蒸氣透過性測試方法 紅外傳感器法
GB/T 1038.1-2022塑料制品 薄膜和薄片 氣體透過性試驗方法 第1部分:差壓法
GB/T 19789-2021包裝材料 塑料薄膜和薄片氧氣透過性試驗 庫侖計檢測法