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软包装材料的透气性测试
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访问量:557
发表于
2004-11-18 09:02:46
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软包装材料的透气性测试
济南兰光包装实验室
[摘要]：
本文通过对气体渗透过程的描述简要介绍了气体渗透的测定方法、相关测试标准等。并介绍了气体（不包括有机气体）对包装材料的渗透对软包装内容物的影响。
关键词：透气性，测试，包装，材料
Gas Permeation Testing of Wrapper
Abstract：Gas permeation, information about test methods, reference standards, and some representative equipments are introduced. Effects of gas (such as oxygen, air, nitrogen, carbon dioxide etc. not include the organically gas) penetration to the content are shown.
Key words: Permeation, Testing, Wrapper, Packaging
众所周知，在食品、医药、精密电子元件等行业，产品包装材料的气体阻隔性能是一项非常重要的指标，它能够直接影响到产品的保存期、保存环境、销售环境等。气体对食品和药品的影响是最早引起软包装行业广泛关注的，氧气的渗透可能导致食品变质、药品失效等，现在对于食品和药品包装，行业标准已经对包装薄膜的透气量及测试有了初步的说明。本文介绍薄膜的透气机理，详细介绍了气体透过对内容物的影响，以及现在广泛使用的气体阻隔性测试方法。本文仅介绍常用气体的测试，不涉及有机气体。
1．气体透过过程
包装材料的渗透性广义来说是通过材料或材料与内容物之间的物质传递。从热力学观点来看，小分子物质对包装材料的渗透是单分子扩散过程，整个过程出现的快慢由溶解度参数和扩散系数这两个因素决定。在不讨论包装物泄漏的条件下，薄膜对气体的阻隔性就是气体对薄膜的渗透：气体分子从高浓度区进入材料表面，通过向材料的扩散，而又从低浓度区的另一表面解吸[1]。如图1所示。
d
c1 c2
x
吸附高浓度 扩散 解吸低浓度
图1 气体渗透通过薄膜[1]
1.1扩散现象
扩散现象是由于组分密度分布不均匀引起质量传递，形成质量流所致。从微观上来说，气体中的扩散现象和气体分子热运动有直接关系。我们仅讨论温度处处相同，并且不存在由压强差引起的粒子定向流动的纯扩散[2-3]。在图2中，所描述组分（白色小圆圈表示）的分子数在dS下面多，在dS上面少，由于气体分子的热运动，在同样的dt时间内这种组分由下向上穿过dS面的分子数比由上向下穿过dS面的分子数多，于是有净质量由下向上输运，这就在宏观上表现为扩散[2]。
z
dS
0 x
图2 扩散现象[2]
描述扩散现象的基本公式是菲克定律（Fick Law）。
F= - Ddc/dx
式中 D——扩散系数
F——为气体等透过量
c――气体等浓度
扩散系数D的大小表征了扩散过程的快慢，它的数值与物质的性质有关。式中的负号说明扩散总是沿浓度减小的方向进行（D值总取正值）。
Fdx= - Ddc从浓度c1到c2 积分，并代入Henry定律c=sp及F=Q/tA可得有用的渗透计算公式[4]：
Qg=Pg·A·t△p/d
△p=p1-p2
式中 p1、p2——为渗透两侧高、低分压
s——溶解度参数
Pg——渗透系数 Pg＝D×s
Qg——渗透物质总量
A——薄膜透过面积
t——气体透过时间
标准中定义气体透过量是在一个大气压差下，每平方米透过面积，24h透过的气体量（标准状况下）；透气系数是在单位时间内，单位压差下，透过单位面积、单位厚度薄膜的透气量（标准状况下）。
上述推导是p2不变的情况下进行的。但实际测量中，p2由透过气体决定，低压侧压力在变化，但稳定后， 是稳定的。得[4]：
Qg
1.2透过气体对内容物的影响
对于食品、医药、精密电子元件等行业而言产品包装材料的阻隔性能是一项非常重要的指标。例如：水果保鲜，包装薄膜的阻氧性及阻湿性（即薄膜对氧气和水蒸气的阻隔性）是水果保鲜期的决定因素。再如伤湿止痛膏，就是特别需要阻氧包装的药品，选用阻气阻湿好的PVDC膜包装，气味就不会散失，不会影响疗效[5]。
空气中的氧气对食品中的营养成分有一定的破坏作用：氧使食品中的油脂发生氧化，即使是在低温条件下也能进行；油脂氧化产生的过氧化物可使食品失去食用价值，而且发生异臭，产生有毒物质；氧能使食品中的维生素和多种氨基酸失去营养价值；氧还能使食品的氧化褐变反映加剧；对于食品微生物，大部分细菌由于氧的存在而繁殖生长，造成食品的腐败变质[6]。对于果蔬保鲜，由于生鲜果蔬在贮运流通过程中为保持其正常的代谢作用仍在呼吸，吸收一定数量的氧而放出一定量的CO2和水，并消耗一部分营养，薄膜的透氧性低可减少放出的水和消耗的养分，延长水果的保鲜期。在碳酸饮料包装上，由于PET具有良好的透明性和强度以及对CO2的不可渗透性等优点，目前PET塑料容器已占整个碳酸软饮料包装的40％，代替了一部分玻璃瓶和金属听罐[7]。
对于药品包装，包装材料能对药品的质量、有效期、包装形式、销售、成本等起重要作用。一般的药品生产，无论是片剂、颗粒剂、注射剂、液剂、散剂、还是软膏等，都处于量少品种多的状况，而且从药品出厂直到到达病人手中要经过比较复杂的途径。药品包装材料应具有稳定性、阻隔性能、结构性能和良好的加工性。空气中对药品影响最大的要数氧气，氧气可使许多药品，如维生素C、A、D和肾上腺素，苯酚等氧化变质从而使它们的主要成分含量下降、疗效减弱或无效。尽管许多药品带有保护膜，但是药品包装的阻气性仍是至关重要的。目前用于包装的塑料仍采用世界上的六大通用塑料：PE、PP、PS、PVC、PA、PC，国内的药品包装多用其中的PE、PVC、PP、以及聚酯。药用包装材料除满足包装材料的一般性能外，还要满足安全性和适用性等特殊要求，例如药用泡罩包装材料包括药用铝箔、塑料硬片、热封涂料等材料，其中药用铝箔以硬质工业用纯铝为基材，具有无毒、耐腐蚀、不渗透、阻热、防潮、阻光、可高温灭菌等优点。因为药品对潮、湿、光透非常敏感，故要求所用的泡罩材料对水、光、汽等有高阻隔性，多选用PVC、PVDC、或复合材料PVC/PVDC、PVC/PE、PVC/PVDC/PE、PVDC/OPP/PE等[5,7]。
2．透气性测试方法
从测试原理上分，透气性测试方法有压差法和通过电量分析传感器法两类，目前广泛采用压差法测试薄膜透气性[1]。
2．1压差法的测定原理
用待测薄膜将测试腔隔成两个独立的空间，向其中一侧（高压室）充入测试气体，在试样两侧形成一定的压差，高压室的气体透过薄膜渗透到低压室，通过测量低压室的压力或体积变化就可以得出气体的渗透率。GB/T1038-2000就是采用了压差法。国际上现有的压差法薄膜透气性测试标准有ASTM D1434-1998，ISO 15105-1，ISO 2556：2001等。
压差法透气仪的测试范围宽，使用简单，可以进行
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