塑料包裝材料性能

包裝材料學(xué)第三章塑料包裝材料性能第一節(jié)塑料包裝材料的阻隔性能第一節(jié)塑料包裝材料的阻隔性能塑料的阻隔性是指塑料包裝材料或容器防止小分子氣體如O2、CO2、N2、水蒸汽、香味及其它有機(jī)溶劑蒸汽等透過的能力。那么這些小分子物質(zhì)是如何通過聚合物大分子鏈的，它們之間是如何相互作用的呢？聚合物的阻隔性能實(shí)質(zhì)是阻止?jié)B透物在其內(nèi)部遷移的能力影響滲透物遷移能力的因素：聚合物的自由體積那么自由體積的大小由何因素決定，對(duì)阻隔性能又會(huì)有何影響？第一節(jié)塑料包裝材料的阻隔性能高分子鏈間未被占據(jù)的空隙稱自由體積。

自由體積是分子鏈進(jìn)行構(gòu)象轉(zhuǎn)變和鏈段運(yùn)動(dòng)所需的活動(dòng)空間影響塑料包裝材料阻隔性能的因素1.溫度對(duì)阻隔性能的影響溫度的影響可以在材料的熱膨脹過程中觀察到：隨著溫度的提高，相鄰原子和分子間的距離拉大，自由體積增大，因此滲透物的遷移更容易，而阻隔性能也會(huì)相應(yīng)的降低影響塑料包裝材料阻隔性能的因素溫度對(duì)阻隔性能的影響（定量計(jì)算公式）滲透系數(shù)P與溫度的關(guān)系符合阿倫尼烏斯方程：P=Ae-E/(RT)（經(jīng)驗(yàn)公式）其中：P—滲透系數(shù)g·cm·cm-2·s-1·kPa-1A--常數(shù)E--滲透活化能Ｊ·mol-1Ｒ--氣體常數(shù)8.314Ｊ·mol-1·K-1Ｔ--熱力學(xué)溫度K用于表征塑料阻隔能力大小的指標(biāo)為滲透系數(shù)，即一定厚度的塑料制品在一定壓力、溫度和濕度條件下，單位時(shí)間和單位面積內(nèi)透過小分子物質(zhì)的體積或重量。從這個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式中可以得出：在一定溫度條件下，滲透系數(shù)是一個(gè)恒定的值溫度不變，薄膜厚度相同的情況下，活化能越高，滲透系數(shù)越小，滲透反應(yīng)速度越慢，因此在選擇阻隔性包材時(shí)，活化能較高，滲透系數(shù)較小的材料最好影響塑料包裝材料阻隔性能的因素影響塑料包裝材料阻隔性能的因素已知25℃下，氧在無定形PET中的滲透系數(shù)為14g·cm·cm-2·s-1·kPa-1，試計(jì)算50℃下滲透性系數(shù)P（已知PET的活化能E為38kＪ·mol-1）塑料與滲透物之間的相容性2.分子極性

?當(dāng)結(jié)晶度一定時(shí)，極性大分子或強(qiáng)極性大分子比非極性大分子或弱極性大分子因分子間結(jié)合緊密而使氣體在其內(nèi)部的擴(kuò)散困難。分子極性越大，其樹脂透氣率越小，阻氣性越好。官能團(tuán)X聚合物滲透系數(shù)P注釋HHDPE1550~3100非極性，分子鏈間作用弱，側(cè)基小，高柔性，高結(jié)晶度HLDPE3900~5400非極性、支化、低結(jié)晶性CH3PP2300~3900非極性，側(cè)基大，較PE硬，較低結(jié)晶度C6H5PS3900~6200大體積側(cè)基，無規(guī)，阻礙堆砌，不結(jié)晶OHPVOH0.15強(qiáng)極性，鍵間有氫鍵，結(jié)晶ClPVC75~310強(qiáng)極性，側(cè)基較OH大，不結(jié)晶乙烯基聚合物中官能團(tuán)X對(duì)氧滲透性系數(shù)的影響影響塑料包包裝材料阻阻隔性能的的因素水蒸氣是極極性分子，所以水蒸蒸氣對(duì)極性性分子塑料料的溶入和和擴(kuò)散速度度均大于對(duì)對(duì)非極性塑塑料分子，，透濕系數(shù)數(shù)值也較大大。高阻隔隔性材料PET分子子極性強(qiáng)，，而其透濕濕系數(shù)值大大于非極性性分子PE，故PE是一種極極好的防潮潮包裝材料料。聚合物的聚聚集狀態(tài)3.分子結(jié)結(jié)晶性氣體和水蒸蒸氣透過結(jié)結(jié)晶性聚合合物的擴(kuò)散散能量比非非結(jié)晶性聚聚合物高，，擴(kuò)散系數(shù)數(shù)小，故結(jié)結(jié)晶性聚合合物表現(xiàn)出出較好的阻阻氣性。在其余條件件相同的情情況下，樹樹脂分子結(jié)結(jié)晶度越高高，表現(xiàn)出出越好的阻阻隔性能。。影響塑料包包裝材料阻阻隔性能的的因素聚合物的聚聚集狀態(tài)對(duì)對(duì)阻隔性能能的影響原因：當(dāng)溫度低于Tg時(shí)，分子鏈鏈段沒有明明顯的運(yùn)動(dòng)動(dòng)能力；當(dāng)當(dāng)溫度高于Tg后，晶區(qū)分分子都沒有有運(yùn)動(dòng)能力力，晶區(qū)的自由由體積比無無定形小，因此滲透透物分子穿穿過晶區(qū)的的能力就弱弱得多。聚合物的物物理結(jié)構(gòu)4.分子定定向塑料薄膜和和容器因成成型加工時(shí)時(shí)的拉伸作作用而使大分子受到到不同程度度的定向作作用，使大大分子呈規(guī)規(guī)則分布而而排列緊密密，阻隔性性提高。大分子定向向程度越高高，其阻隔隔性越好影響塑料包包裝材料阻阻隔性能的的因素原理分析：：拉伸使原來來的結(jié)晶顆顆粒破碎而而變??；另另一方面拉拉伸使大分分子取向增增加，使大大分子排列列更加規(guī)整整而有序，，從而提高高結(jié)晶度和和大分子的的排列密度度影響塑料包包裝材料阻阻隔性能的的因素聚合物伸長率/%P滲透系數(shù)PP0150PP30080PET010PET5005取向?qū)ρ醯牡臐B透性的的影響濕度度對(duì)對(duì)阻阻隔隔性性能能的的影影響響5.分分子子親親水水性性塑料料樹樹脂脂中中具具有有親親水水性性能能的的主主要要是是PVA、、PA等等薄薄膜膜。。親水水性性樹樹脂脂由由于于其其強(qiáng)強(qiáng)的的吸吸水水性性而而使使樹樹脂脂溶溶脹脹，，分分子子間間距距增增大大而而使使阻阻隔隔性性下下降降（原因因：：水水起起到到增增塑塑劑劑的的作作用用，，增增加加聚聚合合物物的的自自由由體體積積）。。非非親親水水性性聚聚合合物物的的透透濕濕性性幾幾乎乎不不受受環(huán)環(huán)境境濕濕度度的的影影響響。。影響響塑塑料料包包裝裝材材料料阻阻隔隔性性能能的的因因素素提高高塑塑料料包包裝裝材材料料阻阻隔隔性性能能的的方方法法1、、復(fù)復(fù)合合改改性性塑料料包包裝裝薄薄膜膜的的復(fù)復(fù)合合改改性性是是一一種種最最有有效效的的提提高高塑塑料料包包裝裝材材料料阻阻隔隔性性能能的的方方法法。。塑塑料料包包裝裝薄薄膜膜的的復(fù)復(fù)合合既既可可以以是是二二層層復(fù)復(fù)合合，，也也可可以以是是多多層層復(fù)復(fù)合合多多層層復(fù)復(fù)合合層層數(shù)數(shù)現(xiàn)現(xiàn)已已發(fā)發(fā)展展到到10層層，，而而且且層層數(shù)數(shù)越越多多，，阻阻隔隔效效果果越越好好。。1））樹樹脂脂間間的的復(fù)復(fù)合合雖然然有有些些單單層層薄薄膜膜的的阻阻隔隔性性不不太太好好，，然然而而進(jìn)進(jìn)行行多多層層復(fù)復(fù)合合以以后后，，其其復(fù)復(fù)合合薄薄膜膜的的阻阻隔隔性性也也會(huì)會(huì)大大大大提提高高，，這一一點(diǎn)點(diǎn)從從復(fù)復(fù)合合薄薄膜膜材材料料阻阻隔隔性性計(jì)計(jì)算算公公式式中中可可以以看看出出。。提高高塑塑料料包包裝裝材材料料阻阻隔隔性性能能的的方方法法復(fù)合合薄薄膜膜材材料料阻阻隔隔性性計(jì)計(jì)算算公公式式：：1/P=T1/P1+T2/P2+…….提高高塑塑料料包包裝裝材材料料阻阻隔隔性性能能的的方方法法式中中：：P——復(fù)復(fù)合合薄薄膜膜的的總總透透過過率率T1，T2—各各復(fù)復(fù)合合層層的的厚厚度度P1，P2—各各復(fù)復(fù)合合層層的的透透過過率率主要要是是經(jīng)經(jīng)過過多多層層復(fù)復(fù)合合后后，，薄薄膜膜的的針針孔孔、、晶晶點(diǎn)點(diǎn)造造成成的的缺缺陷陷可可以以被被彌彌補(bǔ)補(bǔ)從透過過機(jī)機(jī)理理上分分析析:薄薄膜膜層層數(shù)數(shù)的的提提高高，，使使欲欲透透過過的的氣氣體體的的透過過路路徑徑變變得得復(fù)復(fù)雜雜，相相應(yīng)應(yīng)也也使使得得氣氣體體透過的的阻力力加大大提高塑塑料包包裝材材料阻阻隔性性能的的方法法例如：：計(jì)算算在下下述多多層結(jié)結(jié)構(gòu)中中氧的的總滲滲透性性系數(shù)數(shù)層數(shù)聚合物厚度/mm滲透性系數(shù)層1PE1.8150層2PA1.02.6層3PVC1.218.0層4PP2.0150（2））普通通樹脂脂與中中等阻阻隔樹樹脂性性能的的復(fù)合合這種復(fù)復(fù)合方方式的的外層為為普通通樹脂脂，而內(nèi)層為為中等等阻隔隔性能能樹脂。。由于于兩種種樹脂脂的相容性性不太太好，往往往需加入粘粘合層層，因此此若含含粘合合層時(shí)時(shí)，總總層數(shù)數(shù)以三層層和五五層居居多。復(fù)合材材料中中的普普通樹樹脂為為LDPE、LLDPE、HDPE、、PP及PVC等，，而中中等阻阻隔性性能樹樹脂為為PA、PET及EVAL等等。其中普普通樹樹脂如如PE、PP等等還在在復(fù)合合薄膜膜的制制袋過過程中中起到到熱封封層的的作用用。這這方面面復(fù)合合的例例子有有BOPP/EVA/PE、、PA/PE、、PET/PE。塑料包包裝系系統(tǒng)中中的傳傳質(zhì)問問題：：滲透透H2OH2OO2N2H2OCO2滲透的的機(jī)理理：單單分子子擴(kuò)散散過程程，即即分子子在高高壓側(cè)側(cè)的壓壓力作作用下下:滲入包包裝材材料內(nèi)內(nèi)表面面氣體分分子在在包裝裝材料料中從從高濃濃度向向低濃濃度進(jìn)進(jìn)行擴(kuò)擴(kuò)散，，在低壓壓側(cè)一一面向向外散散發(fā)假設(shè)包包裝材材料厚厚度為為X，，氣體體在高高壓側(cè)側(cè)的壓壓強(qiáng)為為P1,在低低壓側(cè)側(cè)為P2，氣體體濃度度為C，高高濃度度為C1，低濃濃度為為C2塑料包包裝系系統(tǒng)中中的傳傳質(zhì)問問題：：滲透透P2----包裝壁P1---C1C2X=0X=l根據(jù)費(fèi)克第第一擴(kuò)擴(kuò)散定定律，透氣率率（單位位時(shí)間間、單單位面面積的的氣體體滲透透量）與濃度度梯度度成正正比，，可以以表示示為：：K=－D·dc/dx=－D·(C2-C1)/l根據(jù)亨利定定律，，在一定定溫度度下，，水蒸蒸氣或或氣體體溶解解在包包裝材材料中中的濃濃度C與與該氣氣體分分壓力力p成成正比比，即即C=Sp，式式中S為溶溶解度度系數(shù)數(shù)∴K=DS·(P1-P2)/l塑料包包裝系系統(tǒng)中中的傳傳質(zhì)問問題：：滲透透又∵P=DS（（滲透系系數(shù)P為擴(kuò)擴(kuò)散系系數(shù)D與溶溶解系系數(shù)S的乘乘積）氣體滲滲透率率K也也可表表示為為單位位時(shí)間間t單單位面面積A上的的透過過量q來表表示，，即K=q/At塑料包包裝系系統(tǒng)中中的傳傳質(zhì)問問題：：滲透透K=DS··(p1-p2)/lq/At=P·(p1-p2)/lP=ql/At△p塑料包包裝系系統(tǒng)中中的傳傳質(zhì)問問題：：滲透透P=ql/At△pP滲透系數(shù)t在恒定條件下滲透發(fā)生所用時(shí)間l包裝材料的壁厚p氣體或蒸氣的分壓△p包裝材料壁兩側(cè)的分壓差A(yù)包裝材料表面發(fā)生滲透的面積q氣體透過量（質(zhì)量或體積）c滲透物在聚合物中的濃度S溶解度系數(shù)D擴(kuò)散系數(shù)與滲透透過程程相關(guān)關(guān)的符符號(hào)滲透公公式的的應(yīng)用用包裝材材料的的選擇擇。為為了確確定某某特定定包裝裝材料料的最最高性性價(jià)比比，需需要用用到材材料的的力學(xué)學(xué)性能能和材材料對(duì)對(duì)于氧氧、二二氧化化碳、、氮、、水以以及有有機(jī)蒸蒸氣的的滲透透系數(shù)數(shù)。注意的是，，很多滲滲透系系數(shù)都都是近近似值值，不不能代代替實(shí)實(shí)驗(yàn)值值當(dāng)包裝裝體系系溫度度、分分壓差差和保保存時(shí)時(shí)間確確定時(shí)時(shí)，可可計(jì)算算出物物品吸吸收或或放出出氣體體或蒸蒸氣的的量滲透公公式的的應(yīng)用用P=ql/At△pq=PtA△p/l已知P、A、△△p和和l，，估計(jì)計(jì)包裝裝體系系中發(fā)發(fā)生物物質(zhì)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移的的量達(dá)達(dá)到q時(shí)所所用的的時(shí)間間，即即保存存期，，這時(shí)時(shí)q應(yīng)應(yīng)該是是物品品損失失或得得到的的水的的量，，或者者是某某一物物品與與氧反反應(yīng)的的量滲透公式的的應(yīng)用P=ql/At△pt=ql/AP△△p計(jì)算產(chǎn)品在在保存期限限內(nèi)與0.005%（g/ml）的氧氧反應(yīng)時(shí)，，PET包包裝的最小小厚度（已已知包裝為為500ml的容器器，面積為為400cm2相對(duì)濕度為為60%