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數(shù)據(jù)擬合在軟包裝阻隔性測試中的應(yīng)用

閱讀：1578      發(fā)布時間：2008-7-28
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摘要: 對于食品、藥品、化妝品等多數(shù)日化產(chǎn)品以及部分工業(yè)制品，采用高阻隔性包裝材料進(jìn)行產(chǎn)品的包裝對延長包裝內(nèi)容物的保質(zhì)期及提高內(nèi)容物保存質(zhì)量都是非常有效的，然而包裝材料的阻隔性能會受環(huán)境因素的影響而變化，以受溫度的影響zui為顯著。同時由于不同的材料其分子結(jié)構(gòu)存在差異，因此材料的阻隔性能受溫度影響而出現(xiàn)的變化也不相同，因此每種材料都需要進(jìn)行獨立的溫度影響分析，而借鑒其他材料在特定溫度點的阻隔性數(shù)據(jù)進(jìn)行推斷是不可行的。然而在進(jìn)行阻隔性參數(shù)測試時，在常規(guī)溫度下（例如：10℃~50℃）的阻隔性參數(shù)可通過直接試驗的方式獲得，而要實際進(jìn)行非常規(guī)溫度下（如：冷藏、高溫消毒等溫度）的阻隔性能不但需要特制耐熱、耐寒性能的設(shè)備而且也需要創(chuàng)造特殊溫度的試驗環(huán)境，因此測試難度大大提高，測試經(jīng)濟(jì)性大大降低。非常規(guī)溫度下的阻隔性參數(shù)具有較強的實際應(yīng)用意義，僅參考常溫測試數(shù)據(jù)而未考慮到特殊保存溫度而引起的材料選擇失誤非常多見，這有時會造成更加嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。阻隔性數(shù)據(jù)擬合應(yīng)用技術(shù)在軟包裝研究方面的應(yīng)用可有效地解決上述矛盾。阻隔性數(shù)據(jù)擬合應(yīng)用技術(shù)基于廣泛應(yīng)用的膜滲透理論模型，通過對常規(guī)溫度下的阻隔性測試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析獲得非常規(guī)溫度下的阻隔性數(shù)據(jù)，整個過程無需創(chuàng)造特殊的試驗環(huán)境，測試設(shè)備只需要在常溫范圍內(nèi)進(jìn)行試驗，因此非常規(guī)溫度下阻隔性數(shù)據(jù)的獲得就變得簡單經(jīng)濟(jì)。通過大量實測數(shù)據(jù)證明阻隔性數(shù)據(jù)擬合應(yīng)用技術(shù)是科學(xué)的、客觀的。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)擬合，阻隔性，包裝材料，非常規(guī)溫度，軟包裝

      *，氧氣、水蒸氣是導(dǎo)致食品、藥品、化妝品變質(zhì)失效的主要因素之一，因此材料的阻隔性能是評價包裝材料的一項關(guān)鍵指標(biāo)。然而，材料的阻隔性能與溫度有著極為密切的，溫度的變化會顯著影響材料的阻隔性能。因此，在進(jìn)行包裝設(shè)計之前需要獲得材料在實際使用溫度下的阻隔性參數(shù)。但是，很多材料的實際使用溫度并不在實驗室常規(guī)溫度以及設(shè)備可控的溫度范圍之內(nèi)，例如冷藏、高溫消毒等溫度，我們將這些溫度稱為非常規(guī)溫度。
      在非常規(guī)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、低效率、操作不方便等等，Labthink研發(fā)阻隔性數(shù)據(jù)擬合應(yīng)用技術(shù)（Data Curve Fitting in Permeation，簡稱DCFP）來解決這些難題。通過DCFP技術(shù)，可以簡單、方便、經(jīng)濟(jì)地獲得材料在非常規(guī)溫度下的材料阻隔性數(shù)據(jù)。
 
1. 溫度對阻隔性能的影響
1.1 影響原因
      溫度升高對薄膜材料及滲透氣體都會帶來影響。對于薄膜，當(dāng)溫度升高時，聚合物內(nèi)聚度下降，會使聚合物自由體積增大，這樣滲透氣體分子在聚合物內(nèi)的擴(kuò)散阻礙會有效減小，擴(kuò)散速度加快。對于滲透氣體來講，溫度升高，氣體分子能量增大，使得它的能量更易達(dá)到在分子鏈間擴(kuò)散所需要的能量值，這樣氣體分子對聚合物的擴(kuò)散系數(shù)就會變大?？梢?，溫度升高，滲透變得容易，表現(xiàn)為材料的阻隔性能降低。無機氣體的滲透系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、溶解度系數(shù)與溫度的關(guān)系均服從Arrhenius方程：
                                  （1）
                                  （2）
                                  （3）
式中：P、D、S——滲透系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、溶解度系數(shù) 
         P0、D0、S0——與氣體－固體配偶有關(guān)的常數(shù)
         EP、ED、ΔH——透過活化能、擴(kuò)散活化能、溶解熱
         R——摩爾氣體常數(shù)，8.31441J/mol·K
         T——溫度
      從Arrhenius方程我們可以看出，溫度變化，P、D、S變化，材料阻隔性能也隨之變化。但材料阻隔性能受溫度影響的程度存在差異性，即不同材料受溫度的影響并不一致。
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(xiàn)使用Labthink VAC-V1型壓差法氣體滲透儀，在0℃~70℃條件下，進(jìn)行PC膜（125μm）、PET膜（25μm）、PP膜（200μm）、PVDC膜（30μm）、鋁箔膜（100μm）的氧氣滲透性試驗（參見圖1）。

 
圖1. 溫度對材料透氧量的影響
      從圖1可以看出，除鋁箔試樣外，測試溫度對幾種試樣透氧量的影響都非常顯著，但是影響程度并不一致。對于PET薄膜來講，在40℃時的透氧量比在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(dá)到了56％。隨著溫差的增大，材料的透氧量會繼續(xù)增大，甚至?xí)铀僭鲩L。
1.3 溫度影響所導(dǎo)致的損失
      產(chǎn)品在流通過程中所處的環(huán)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(dǎo)致材料阻隔性能改變，由此引起的產(chǎn)品包裝不能滿足包裝預(yù)期效果的情況經(jīng)常發(fā)生。同時，如果用于包裝的阻隔性材料選擇不當(dāng)，會給企業(yè)帶來沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。而包裝設(shè)計失敗以及產(chǎn)品失效所帶來的損失并不于產(chǎn)品本身，給企業(yè)品牌以及企業(yè)形象所帶來的負(fù)面影響更是難以衡量。
2. *解決方案
2.1 阻隔性數(shù)據(jù)擬合應(yīng)用技術(shù)（Data Curve Fitting in Permeation）
      在非常規(guī)溫度下實際檢測材料的阻隔性能會遇到很多困難。*：結(jié)果精度低，誤差難以控制；第二，設(shè)備制造難度大，測試成本很高；第三，測試效率低，操作不方便。然而阻隔性數(shù)據(jù)擬合應(yīng)用技術(shù)（DCFP）卻能很好地克服上述困難。簡單的說，DCFP是以Fick定律、Henry定律、  Arrhenius方程等重要理論為依據(jù)，可通過常規(guī)條件下不同溫度點的阻隔性數(shù)據(jù)獲得任意溫度下的氣體滲透量、滲透系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)以及溶解度系數(shù)的阻隔性分析技術(shù)。使用DCFP技術(shù)時無需增加設(shè)備，而且只需要很短的時間就可以完成。
2.2 應(yīng)用試驗
      DCFP使用方便，大量的實測數(shù)據(jù)證明，其實際應(yīng)用效果好、擬合精度高。由于篇幅所限，這里以對PET膜（20μm）、PP膜（200μm）、PVDC膜（30μm）的測試為例進(jìn)行介紹，其他材料的測試情況在此就不再給予一一介紹。Labthink實驗室試驗采用VAC-V1壓差法氣體滲透儀，常規(guī)測試范圍在0.1 cm3/m2•24h•0.1MPa～100000 cm3/m2•24h•0.1MPa，真空分辨率達(dá)0.1Pa，測試腔真空度可保證在20Pa以下?？稍谑覝氐?0℃范圍內(nèi)進(jìn)行控溫，溫控精度為±0.2℃。使用設(shè)備組成：Labthink VAC-V1壓差法氣體滲透儀，數(shù)據(jù)計算處理系統(tǒng)，真空泵（zui低真空0.1Pa），純度為99.9%的氧氣。實驗設(shè)備如圖2所示。

 
圖2. VAC-V1壓差法氣體滲透儀
      利用設(shè)備自身的溫度控制功能，分別在23℃、25℃、30℃、33℃、35℃、37℃等溫度點下進(jìn)行5次以上透氧量檢測，然后使用DCFP技術(shù)通過這些溫度點下的透氧量數(shù)據(jù)獲得高溫以及低溫下的材料透氧量。同時進(jìn)行18℃、40℃、43℃、45℃、47℃、以及50℃下的透氧量檢測，并將實測數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，參見圖3和表1。

 
圖3. 高、低溫度點的擬合數(shù)據(jù)及實際測試數(shù)據(jù)
表1. PET材料在高、低溫度點的擬合數(shù)據(jù)及實際測試數(shù)據(jù)
試驗溫度
℃
透氧量（平均值）
cm3/m2·24h·0.1MPa
滲透系數(shù)（平均值）
E-12 cm3·cm/cm2·s·cmHg
擬合透氧量
cm3/m2·24h·0.1MPa
擬合滲透系數(shù)
E-12 cm3·cm/cm2·s·cmHg
誤差
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膜在不同溫度點下的透氧量組成，每一種薄膜有兩條對應(yīng)的曲線，一條（深藍(lán)、明黃、紫色）是通過實際測試數(shù)據(jù)繪制的，另一條（淡紫、天藍(lán)、褐色）是通過擬合數(shù)據(jù)繪制的，每一種薄膜的測試數(shù)據(jù)曲線與擬合數(shù)據(jù)曲線都重合地非常好。
通過DCFP技術(shù)可獲得材料在非常規(guī)溫度下（例如，超過100℃或者低于0℃）的阻隔性數(shù)據(jù)也是非常方便的，圖4就是通過 DCFP技術(shù)得到的PET（20μm）透氧量在-173℃到177℃之間隨溫度變化的曲線。

 
圖4. PET薄膜的透氧量隨溫度變化的曲線
      將DCFP技術(shù)用于獲得不同溫度點的材料阻隔性數(shù)據(jù)具有相當(dāng)高的準(zhǔn)確性，可以在保證材料阻隔性能的前提下為適當(dāng)調(diào)整材料厚度達(dá)到狀態(tài)提供有效的解決方法。而且，DCFP技術(shù)在應(yīng)用和推廣上還具有很多優(yōu)勢：*，結(jié)果精度高；第二，成本低；第三，使用非常方便、快捷。
3.DCFP技術(shù)的應(yīng)用
      包裝材料的阻隔性能受溫度的影響非常顯著，而每種材料的阻隔性能受溫度的影響又各不相同，因此只有掌握了材料的溫度特性，才能更好地將其應(yīng)用于實際包裝。通過DCFP技術(shù)可以準(zhǔn)確、簡單、方便、經(jīng)濟(jì)地獲得材料在非常規(guī)溫度下的阻隔性數(shù)據(jù)，它的應(yīng)用能大大降低獲得材料在實際使用溫度點阻隔性數(shù)據(jù)的困難，可有效解決由于使用溫度與測試溫度不同而導(dǎo)致的產(chǎn)品損失。

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