塑料包装材料性能

包装材料学第三章塑料包装材料性能第一节塑料包装材料的阻隔性能第一节塑料包装材料的阻隔性能塑料的阻隔性是指塑料包装材料或容器防止小分子气体如O2、CO2、N2、水蒸汽、香味及其它有机溶剂蒸汽等透过的能力。那么这些小分子物质是如何通过聚合物大分子链的，它们之间是如何相互作用的呢？聚合物的阻隔性能实质是阻止渗透物在其内部迁移的能力影响渗透物迁移能力的因素：聚合物的自由体积那么自由体积的大小由何因素决定，对阻隔性能又会有何影响？第一节塑料包装材料的阻隔性能高分子链间未被占据的空隙称自由体积。

自由体积是分子链进行构象转变和链段运动所需的活动空间影响塑料包装材料阻隔性能的因素1.温度对阻隔性能的影响温度的影响可以在材料的热膨胀过程中观察到：随着温度的提高，相邻原子和分子间的距离拉大，自由体积增大，因此渗透物的迁移更容易，而阻隔性能也会相应的降低影响塑料包装材料阻隔性能的因素温度对阻隔性能的影响（定量计算公式）渗透系数P与温度的关系符合阿伦尼乌斯方程：P=Ae-E/(RT)（经验公式）其中：P—渗透系数g·cm·cm-2·s-1·kPa-1A--常数E--渗透活化能Ｊ·mol-1Ｒ--气体常数8.314Ｊ·mol-1·K-1Ｔ--热力学温度K用于表征塑料阻隔能力大小的指标为渗透系数，即一定厚度的塑料制品在一定压力、温度和湿度条件下，单位时间和单位面积内透过小分子物质的体积或重量。从这个经验公式中可以得出：在一定温度条件下，渗透系数是一个恒定的值温度不变，薄膜厚度相同的情况下，活化能越高，渗透系数越小，渗透反应速度越慢，因此在选择阻隔性包材时，活化能较高，渗透系数较小的材料最好影响塑料包装材料阻隔性能的因素影响塑料包装材料阻隔性能的因素已知25℃下，氧在无定形PET中的渗透系数为14g·cm·cm-2·s-1·kPa-1，试计算50℃下渗透性系数P（已知PET的活化能E为38kＪ·mol-1）塑料与渗透物之间的相容性2.分子极性

•当结晶度一定时，极性大分子或强极性大分子比非极性大分子或弱极性大分子因分子间结合紧密而使气体在其内部的扩散困难。分子极性越大，其树脂透气率越小，阻气性越好。官能团X聚合物渗透系数P注释HHDPE1550~3100非极性，分子链间作用弱，侧基小，高柔性，高结晶度HLDPE3900~5400非极性、支化、低结晶性CH3PP2300~3900非极性，侧基大，较PE硬，较低结晶度C6H5PS3900~6200大体积侧基，无规，阻碍堆砌，不结晶OHPVOH0.15强极性，键间有氢键，结晶ClPVC75~310强极性，侧基较OH大，不结晶乙烯基聚合物中官能团X对氧渗透性系数的影响影响塑料包包装材料阻阻隔性能的的因素水蒸气是极极性分子，所以水蒸蒸气对极性性分子塑料料的溶入和和扩散速度度均大于对对非极性塑塑料分子，，透湿系数数值也较大大。高阻隔隔性材料PET分子子极性强，，而其透湿湿系数值大大于非极性性分子PE，故PE是一种极极好的防潮潮包装材料料。聚合物的聚聚集状态3.分子结结晶性气体和水蒸蒸气透过结结晶性聚合合物的扩散散能量比非非结晶性聚聚合物高，，扩散系数数小，故结结晶性聚合合物表现出出较好的阻阻气性。在其余条件件相同的情情况下，树树脂分子结结晶度越高高，表现出出越好的阻阻隔性能。。影响塑料包包装材料阻阻隔性能的的因素聚合物的聚聚集状态对对阻隔性能能的影响原因：当温度低于Tg时，分子链链段没有明明显的运动动能力；当当温度高于Tg后，晶区分分子都没有有运动能力力，晶区的自由由体积比无无定形小，因此渗透透物分子穿穿过晶区的的能力就弱弱得多。聚合物的物物理结构4.分子定定向塑料薄膜和和容器因成成型加工时时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，使大大分子呈规规则分布而而排列紧密密，阻隔性性提高。大分子定向向程度越高高，其阻隔隔性越好影响塑料包包装材料阻阻隔性能的的因素原理分析：：拉伸使原来来的结晶颗颗粒破碎而而变小；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规整整而有序，，从而提高高结晶度和和大分子的的排列密度度影响塑料包包装材料阻阻隔性能的的因素聚合物伸长率/%P渗透系数PP0150PP30080PET010PET5005取向对氧的的渗透性的的影响湿度度对对阻阻隔隔性性能能的的影影响响5.分分子子亲亲水水性性塑料料树树脂脂中中具具有有亲亲水水性性能能的的主主要要是是PVA、、PA等等薄薄膜膜。。亲水水性性树树脂脂由由于于其其强强的的吸吸水水性性而而使使树树脂脂溶溶胀胀，，分分子子间间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剂剂的的作作用用，，增增加加聚聚合合物物的的自自由由体体积积）。。非非亲亲水水性性聚聚合合物物的的透透湿湿性性几几乎乎不不受受环环境境湿湿度度的的影影响响。。影响响塑塑料料包包装装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装装材材料料阻阻隔隔性性能能的的方方法法1、、复复合合改改性性塑料料包包装装薄薄膜膜的的复复合合改改性性是是一一种种最最有有效效的的提提高高塑塑料料包包装装材材料料阻阻隔隔性性能能的的方方法法。。塑塑料料包包装装薄薄膜膜的的复复合合既既可可以以是是二二层层复复合合，，也也可可以以是是多多层层复复合合多多层层复复合合层层数数现现已已发发展展到到10层层，，而而且且层层数数越越多多，，阻阻隔隔效效果果越越好好。。1））树树脂脂间间的的复复合合虽然然有有些些单单层层薄薄膜膜的的阻阻隔隔性性不不太太好好，，然然而而进进行行多多层层复复合合以以后后，，其其复复合合薄薄膜膜的的阻阻隔隔性性也也会会大大大大提提高高，，这一一点点从从复复合合薄薄膜膜材材料料阻阻隔隔性性计计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装装材材料料阻阻隔隔性性能能的的方方法法复合合薄薄膜膜材材料料阻阻隔隔性性计计算算公公式式：：1/P=T1/P1+T2/P2+…….提高高塑塑料料包包装装材材料料阻阻隔隔性性能能的的方方法法式中中：：P——复复合合薄薄膜膜的的总总透透过过率率T1，T2—各各复复合合层层的的厚厚度度P1，P2—各各复复合合层层的的透透过过率率主要要是是经经过过多多层层复复合合后后，，薄薄膜膜的的针针孔孔、、晶晶点点造造成成的的缺缺陷陷可可以以被被弥弥补补从透过过机机理理上分分析析:薄薄膜膜层层数数的的提提高高，，使使欲欲透透过过的的气气体体的的透过过路路径径变变得得复复杂杂，相相应应也也使使得得气气体体透过的的阻力力加大大提高塑塑料包包装材材料阻阻隔性性能的的方法法例如：：计算算在下下述多多层结结构中中氧的的总渗渗透性性系数数层数聚合物厚度/mm渗透性系数层1PE1.8150层2PA1.02.6层3PVC1.218.0层4PP2.0150（2））普通通树脂脂与中中等阻阻隔树树脂性性能的的复合合这种复复合方方式的的外层为为普通通树脂脂，而内层为为中等等阻隔隔性能能树脂。。由于于两种种树脂脂的相容性性不太太好，往往往需加入粘粘合层层，因此此若含含粘合合层时时，总总层数数以三层层和五五层居居多。复合材材料中中的普普通树树脂为为LDPE、LLDPE、HDPE、、PP及PVC等，，而中中等阻阻隔性性能树树脂为为PA、PET及EVAL等等。其中普普通树树脂如如PE、PP等等还在在复合合薄膜膜的制制袋过过程中中起到到热封封层的的作用用。这这方面面复合合的例例子有有BOPP/EVA/PE、、PA/PE、、PET/PE。塑料包包装系系统中中的传传质问问题：：渗透透H2OH2OO2N2H2OCO2渗透的的机理理：单单分子子扩散散过程程，即即分子子在高高压侧侧的压压力作作用下下:渗入包包装材材料内内表面面气体分分子在在包装装材料料中从从高浓浓度向向低浓浓度进进行扩扩散，，在低压压侧一一面向向外散散发假设包包装材材料厚厚度为为X，，气体体在高高压侧侧的压压强为为P1,在低低压侧侧为P2，气体体浓度度为C，高高浓度度为C1，低浓浓度为为C2塑料包包装系系统中中的传传质问问题：：渗透透P2----包装壁P1---C1C2X=0X=l根据费克第第一扩扩散定定律，透气率率（单位位时间间、单单位面面积的的气体体渗透透量）与浓度度梯度度成正正比，，可以以表示示为：：K=－D·dc/dx=－D·(C2-C1)/l根据亨利定定律，，在一定定温度度下，，水蒸蒸气或或气体体溶解解在包包装材材料中中的浓浓度C与与该气气体分分压力力p成成正比比，即即C=Sp，式式中S为溶溶解度度系数数∴K=DS·(P1-P2)/l塑料包包装系系统中中的传传质问问题：：渗透透又∵P=DS（（渗透系系数P为扩扩散系系数D与溶溶解系系数S的乘乘积）气体渗渗透率率K也也可表表示为为单位位时间间t单单位面面积A上的的透过过量q来表表示，，即K=q/At塑料包包装系系统中中的传传质问问题：：渗透透K=DS··(p1-p2)/lq/At=P·(p1-p2)/lP=ql/At△p塑料包包装系系统中中的传传质问问题：：渗透透P=ql/At△pP渗透系数t在恒定条件下渗透发生所用时间l包装材料的壁厚p气体或蒸气的分压△p包装材料壁两侧的分压差A包装材料表面发生渗透的面积q气体透过量（质量或体积）c渗透物在聚合物中的浓度S溶解度系数D扩散系数与渗透透过程程相关关的符符号渗透公公式的的应用用包装材材料的的选择择。为为了确确定某某特定定包装装材料料的最最高性性价比比，需需要用用到材材料的的力学学性能能和材材料对对于氧氧、二二氧化化碳、、氮、、水以以及有有机蒸蒸气的的渗透透系数数。注意的是，，很多渗渗透系系数都都是近近似值值，不不能代代替实实验值值当包装装体系系温度度、分分压差差和保保存时时间确确定时时，可可计算算出物物品吸吸收或或放出出气体体或蒸蒸气的的量渗透公公式的的应用用P=ql/At△pq=PtA△p/l已知P、A、△△p和和l，，估计计包装装体系系中发发生物物质转转移的的量达达到q时所所用的的时间间，即即保存存期，，这时时q应应该是是物品品损失失或得得到的的水的的量，，或者者是某某一物物品与与氧反反应的的量渗透公式的的应用P=ql/At△pt=ql/AP△△p计算产品在在保存期限限内与0.005%（g/ml）的氧氧反应时，，PET包包装的最小小厚度（已已知包装为为500ml的容器器，面积为为400cm2相对湿度为为60%