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| 摘要 | 對於食品、藥品、化妝品等多數（shù）日化產品以及（jí）部分工（gōng）業製品，采用高阻隔性包裝材料進行產品的包裝對延長包裝內容物的保質（zhì）期及提高內容（róng）物保存（cún）質量都是非常有效（xiào）的（de），然而包裝材（cái）料的阻隔性能會受環境因素的影響而變化，以受溫度的影響最為顯著。 |
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| 關鍵字 | 數據擬合,阻隔性,包裝（zhuāng）材（cái）料,非常規溫度（dù）,軟（ruǎn）包裝 |
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眾所周（zhōu）知，氧氣、水蒸氣是導致食品、藥品（pǐn）、化妝品變質失效（xiào）的（de）主要因素之一，因此（cǐ）材料（liào）的阻隔性能是評價包裝材料的一項關（guān）鍵指標。然而，材料的阻隔（gé）性能與溫度有著極為密切的聯係，溫度的變（biàn）化（huà）會顯著（zhe）影響材料的阻隔性能。因此，在進行包（bāo）裝設計之前需要獲得材料在實際使用溫度下的阻隔性參數。但是，很多材料的實際使用溫度並不在實驗室常規溫度以及設備可控的溫（wēn）度範圍之內，例（lì）如冷藏、高溫消毒等溫度，我們將這些溫度稱為非常（cháng）規溫度。
在非常規溫度下實際檢測材料的阻隔性能會遇到很多困難，例如，高成本、低（dī）效率、操作不方便等等，Labthink研發阻隔性數據擬合應用技術（Data Curve Fitting in Permeation，簡稱DCFP）來（lái）解決這些難題。通過DCFP技術，可（kě）以（yǐ）簡單、方便、經濟地獲（huò）得材料在非常規溫度（dù）下的（de）材料阻隔（gé）性數據。
1. 溫度（dù）對阻隔性能（néng）的影響
1.1 影響（xiǎng）原因（yīn）
溫（wēn）度（dù）升高對（duì）薄膜材料及滲透氣體（tǐ）都會帶來影響。對於薄膜，當（dāng）溫（wēn）度升高（gāo）時，聚合物（wù）內聚度（dù）下（xià）降，會使聚合物自（zì）由體積增大（dà），這樣滲透氣體分子在聚合（hé）物內的擴散阻礙會有效減小，擴散速度加快。對於滲透氣體來講，溫度（dù）升高，氣（qì）體分子能量增大，使得它的能量（liàng）更易達到在（zài）分子鏈間（jiān）擴散所需要的能量值，這樣氣（qì）體分子對聚合物的擴（kuò）散係數就會變大。可見，溫度升高，滲透變（biàn）得容易，表現為（wéi）材料的阻隔（gé）性能（néng）降低。無機氣體的滲透係數、擴散係數、溶（róng）解度係數與溫度的關係均服從（cóng）Arrhenius方程：
（1）
（2）
（3） 式中：P、D、S——滲透係數、擴散係數、溶解度（dù）係數（shù）
P0、D0、S0——與氣體－固體配（pèi）偶有關的常數
EP、ED、ΔH——透過活化能、擴散活化能、溶解（jiě）熱
R——摩爾氣體（tǐ）常數（shù），8.31441J/mol·K
T——絕對溫度
從Arrhenius方（fāng）程（chéng）我們可以看出，溫度變化，P、D、S變化（huà），材料阻隔性能也隨之變化。但材料阻隔性能受溫度（dù）影（yǐng）響的程（chéng）度存在差異性，即（jí）不同材料受溫度的影（yǐng）響並不一致。
1.2 影響程度
為了觀察溫度波動會給材料阻隔性能帶來影響的程度，現使用Labthink VAC-V1型壓差法氣體滲透（tòu）儀（yí），在0℃~70℃條件下，進行PC膜（mó）（125μm）、PET膜（25μm）、PP膜（200μm）、PVDC膜（30μm）、鋁箔膜（100μm）的氧氣滲透性試驗（參（cān）見圖1）。
圖1. 溫度對材料透氧量的影響
從（cóng）圖1可（kě）以看（kàn）出，除（chú）鋁箔試樣外，測試溫度對幾種試樣透氧量的影響都非常顯著，但是影響程度並不一致。對於PET薄膜來（lái）講，在40℃時的透（tòu）氧量比在30℃時增長了38％，PC薄膜40℃時的透氧量比30℃時增長了20％，PP薄膜的增長幅度為46％，PVDC薄膜的增幅更是達到了56％。隨著溫差的增大，材（cái）料的透氧量（liàng）會繼續增大，甚至（zhì）會加速增長。
1.3 溫度影響所導致的（de）損失
產品（pǐn）在流通過程中所處的環境溫度與材料的檢測溫度難以保證一致，而溫度的變化會導致材料阻隔性能（néng）改變，由此引起的產品包裝不（bú）能滿足包裝預期（qī）效果的情況（kuàng）經常發（fā）生。同時，如（rú）果用於包裝（zhuāng）的（de）阻隔性材料選擇不當，會給企業帶來沉重的經濟負擔。而包裝設計失（shī）敗以及產品失效所帶來的損失並（bìng）不僅限於產品本身，給企業品牌（pái）以及企業形象所帶來的負麵影響更是難以衡量（liàng）。
2. 解（jiě）決方案
2.1 阻隔性數據擬合應用技術（Data Curve Fitting in Permeation）
在非常規溫度下實際檢測材（cái）料（liào）的阻隔性能會遇到很多困難。第一：結果精度低，誤差難以控製；第二，設備製造難度大，測試成本很高；第三，測試效率低，操作不方（fāng）便。然（rán）而阻隔（gé）性數據擬合應用技術（DCFP）卻能很好地克服上（shàng）述困難（nán）。簡單的說，DCFP是（shì）以Fick定律（lǜ）、Henry定律、 Arrhenius方程等重要理論為依據，可通（tōng）過常規條件下不同溫度點的阻隔性數據（jù）獲得任意溫度下的氣體（tǐ）滲透量、滲透係數、擴散係數以及溶解度係數的阻（zǔ）隔性分析技術。使用DCFP技（jì）術時無需增加專用設備，而且隻需要（yào）很短的（de）時間就可以完成。
2.2 應用試驗（yàn）
DCFP使用方便，大量的實測數據證明（míng），其實（shí）際應用效果好、擬合精度（dù）高（gāo）。由於篇幅所限，這裏以對（duì）PET膜（20μm）、PP膜（200μm）、PVDC膜（30μm）的測試為例進行（háng）介紹，其他材料（liào）的測試情況在此就不再給（gěi）予一一介紹（shào）。Labthink實驗室試驗采（cǎi）用VAC-V1壓差法氣體滲（shèn）透儀，常規測試範圍在（zài）0.1 cm3/m2?24h?0.1MPa～100000 cm3/m2?24h?0.1MPa，真空分辨率達0.1Pa，測試腔真空度可（kě）保（bǎo）證在（zài）20Pa以下。可在室溫到50℃範圍（wéi）內進行（háng）控溫，溫控精（jīng）度為±0.2℃。使用設備組成：Labthink VAC-V1壓差法氣體（tǐ）滲透儀，數據計算處理（lǐ）係統，真空泵（最低真（zhēn）空（kōng）0.1Pa），純度為99.9%的氧氣。實驗設備如圖2所示。
圖2. VAC-V1壓差法氣體滲透儀（yí）
利用設備自（zì）身的溫度控製功能，分別在23℃、25℃、30℃、33℃、35℃、37℃等溫度點下進行5次以上透氧量檢測，然後使（shǐ）用DCFP技術通過這些溫度點下的透氧量數據獲（huò）得高溫以及低（dī）溫（wēn）下的材（cái）料（liào）透氧量。同時進行18℃、40℃、43℃、45℃、47℃、以及50℃下的透氧量檢測，並將（jiāng）實測數據與擬合數（shù）據進行比較（jiào），參見圖3和（hé）表1。
圖3. 高、低（dī）溫度點的擬合數據（jù）及實際測試數據
表1. PET材料在高、低溫度點的（de）擬合數據（jù）及實際測試數據
試驗溫度 ℃ | 透氧量（平均值） cm3/m2·24h·0.1MPa | 滲透係數（平均（jun1）值） E-12 cm3·cm/cm2·s·cmHg | 擬合透氧量 cm3/m2·24h·0.1MPa | 擬合滲透係數 E-12 cm3·cm/cm2·s·cmHg | 誤差（chà） |
18 | 45.579 | 1.388 | 43.383 | 1.321 | -4.83% |
23 | 50.839 | 1.548 | 50.038 | 1.524 | -1.55% |
25 | 52.666 | 1.604 | 52.906 | 1.611 | 0.44% |
30 | 59.369 | 1.808 | 60.621 | 1.846 | 2.10% |
33 | 65.443 | 1.993 | 65.64 | 1.999 | 0.30% |
35 | 68.884 | 2.098 | 69.156 | 2.106 | 0.38% |
37 | 74.080 | 2.256 | 72.81 | 2.218 | -1.68% |
40 | 78.493 | 2.390 | 78.56 | 2.393 | 0.13% |
43 | 86.194 | 2.625 | 84.643 | 2.578 | -1.79% |
45 | 89.987 | 2.741 | 88.887 | 2.707 | -1.24% |
47 | 95.632 | 2.912 | 93.288 | 2.841 | -2.44% |
50 | 102.181 | 3.112 | 100.188 | 3.052 | -1.93% |
圖3中的曲線由PET膜、PP膜、PVDC膜在不同溫度點下（xià）的透氧（yǎng）量組成，每一種薄膜有兩條對應的曲線，一（yī）條（深藍、明黃、紫色）是通過實際（jì）測試數據繪製的（de），另一條（淡紫、天藍、褐色）是通過擬合（hé）數據繪製的，每一（yī）種薄膜的測試數據曲線與擬合數據曲線都重合地非常（cháng）好。
通過DCFP技術可獲得材料在非常規（guī）溫度下（例（lì）如（rú），超過100℃或者（zhě）低於0℃）的阻隔性數據也（yě）是非常方便的，圖4就是通過 DCFP技術得到的（de）PET（20μm）透氧量在-173℃到（dào）177℃之間（jiān）隨溫度變化的曲（qǔ）線。
圖4. PET薄膜的透氧量隨溫度變化的曲線
將DCFP技術用於獲得不同溫度點的材料（liào）阻隔性數據具有相當高的準確性，可以在（zài）保證材料阻隔性能的前提下為適當調整材料厚度達到最經濟狀態提供有效的解決方法（fǎ）。而且，DCFP技（jì）術在應用和推廣上還具有很多優勢：第（dì）一，結果精度高；第二，成本低；第三（sān），使用非常方便、快捷。
3.DCFP技術的應用（yòng）
包裝材（cái）料的阻隔（gé）性能受溫度的影響非常顯著，而每種材料（liào）的（de）阻（zǔ）隔性能受溫度的影響又各不相同，因此隻有（yǒu）掌握了材料的溫度特性，才能更好（hǎo）地將其應用於實際包裝。通過DCFP技術可以準確、簡單、方便、經濟地獲得材料在非常規溫度下的阻（zǔ）隔（gé）性數據，它的應用能（néng）大大降低（dī）獲得材料在（zài）實際使用溫度點阻隔性數據的困難，可有效解決由於（yú）使用溫度（dù）與（yǔ）測試溫度不同而導致的產品損失。
