《包装设计制作工艺与检测技术标准实用手册》

第三篇 包装材料及容器

第七章　复合包装材料

第二节　复合膜薄和软包装复合材料

三、多层复合包装材料的阻隔性

以上我们讨论了层合复合材料的结构与性能。对于复合薄膜来说，上述讨论的各种性能及影响因素原则上也适用。由上面的讨论很容易发现，一个多层复合软包装的性能在许多方面都与材料本身的渗透性有关。因此，我们在这里将较为系统地讨论多层材料的渗透性和阻隔性。

（一）多层复合结构的渗透性

由菲克扩散第一定律和亨利定律不难得出通过单层薄膜的气体稳态扩散速率

J＝－D(ЯC／ЯX)　　　　（3－7－1）

式中：J为气体扩散速率；D为扩散系数；(ЯC／ЯX)是沿渗透方向的气体浓度梯度。

如果假设D与浓度C无关，由（3－7－1）式得

J＝－D（C2－C1）／L　　　　（3－7－2）

式中：C2、C1是在表面1和2上的扩散物质浓度；L为膜厚。

如果气体或蒸气在膜中的溶解服从亨利定律，则（3－7－2）式可改写为

J＝－DSL（p2－p1）　　　　（3－7－3）

或者

J＝PL（p1－p2）　　　　（3－7－4）

式中：S是溶解度系数；P是渗透系数；p1，p2是扩散气体在膜两侧的分压。

该式表明，透过薄膜的稳态气体扩散速率与扩散驱动力⑽P＝p1－p2成正比与膜厚L成反比。

对于一个由n层膜复合而成的多层结构，在稳态透过的条件下，通过每层膜的扩散速率相等，并等于总的扩散速率，而使气体扩散的总驱动力为每层的扩散驱动力之和，即

J1＝J2＝J3＝…＝J　　　　（3－7－5）

⑽p1＋⑽p2＋⑽p3＋…＝⑽p　　　　（3－7－6）

如果我们假定气体透过复合材料每层的扩散速率都符合上述单层膜的规律，那么则有

J1＝P1⑽p1L1J2＝P2⑽p2L2…………Jn＝Pn⑽pnLn-　　　　（3－7－7）

整理（3－7－5）、（3－7－6）、（3－7－7）式可以得

LP＝L1P1＋L2P2＋L3P3＋…＋LnPn　　　　（3－7－8）

式中：L为复合结构总厚度；P为总的渗透系数；L1，L2，…，Ln为每层膜的厚度；P1，P2，…，Pn为每层膜的渗透系数。

（3－7－8）式可以改写成

1／P＝∑ni＝11／L()LiPi　　　　（3－7－9）

（3－7－9）式即为多层复合结构渗透系数与组成这个多层结构每层材料的渗透系数之间的关系式。

下面我们举例说明（3－7－9）式的应用。设某包装膜由5层结构组成：聚乙烯／粘合剂／乙烯－乙烯醇／粘合剂／聚乙烯，在这个复合结构中有3种不同的高分子材料，它们的透氧系数和厚度分别为：

聚乙烯（d＝0．96）　　　　　　P1＝427．5，L1＝381×2

乙烯－乙烯醇P2＝0．066，L2＝76．2

粘合剂（改性聚烯烃）P3＝388．6，L3＝25．4×2

（上列数据的单位分别是：P：cm3．μm／m2·d·kPa；L：μm）

将上列数据代入（3－7－9）式，得

889P＝381×2427．5＋76．20．066＋25．4×2388．6　　　　（3－7－10）

解得P＝0．777，即5层结构总的渗透系数为0．777。由上述计算我们发现，对于889μm厚的复合材料来说，透气率0．777889＝0．00087，其阻隔性能几乎完全由76．2μm厚的乙烯－乙烯醇阻隔层决定，阻隔层的透气率为0．06676．2＝0．00087。复合结构的其他部分，只起了载体作用。

这个例子说明了在层合包装材料中阻隔性聚合物的重要作用及采用层合结构的优越性：可用一个薄的阻隔层和相对地厚的结构层复合，在不降低阻隔性能的前提下减少价格较贵的阻隔型树脂的用量，从而降低材料的成本。

（二）温度变化对渗透性的影响

以上我们只讨论了多层复合材料总的渗透系数与组成它的各层材料的渗透系数之间的关系，并未考虑温度和湿度对渗透系数的影响。实际上，环境温度和湿度对渗透系数的影响很大，必须加以考虑。

当温度升高时，渗透系数迅速增大，通常认为温度对渗透系数的影响遵循下面的方程式：

P＝P0epx｛－Ep／RT｝　　　　（3－7－11）

式中：P0是一个与温度无关的常数；Ep是渗透活化能；R是气体常数；T是绝对温度。

扩散系数和溶解度系数有类似的关系：

D＝D0exp｛－ED／RT｝　　　　（3－7－12）

S＝S0exp｛－⑽HS／RT｝　　　　（3－7－13）

式中：ED是扩散活化能；⑽Hs是溶解热。

对照（3－7－11）、（3－7－12）、（3－7－13）以及

P＝DS　　　　（3－7－14）

可以得出

Ep＝⑽HS＋ED　　　　（3－7－15）

由Ep或⑽HS、ED与温度的关系可以讨论P随温度的变化情况。

（1）对于H2、O2、N2等非凝聚性气体，溶解热⑽HS很小，但为正数，而扩散活化能ED总是正的，所以这时EP总是大于零的正数，根据（3－7－11）式，P将随温度升高而增大。对于大多数气体渗透都遵循这个规律。

（2）对于可凝聚气体，如水蒸气，有机化合物蒸气等，在渗透过程中可能发生凝聚，因而溶解热⑽HS将变为负值。这时虽然ED仍为正，但EP则可能为正、可能为负，甚至为0，由⑽HS和ED的绝对值决定。P随温度变化出现较复杂的情况。当EP的值趋于0时，P几乎不随温度变化，当水蒸气向聚苯乙烯的渗透时就观察到这种情况。

图3－7－2给出了一些聚合物的透氧系数随温度的变化规律，它们都属于上述讨论的第一种情况，即随温度升高，渗透系数迅速变大，阻隔性变差。

图3－7－2　某些树脂透氧系数随温度的变化规律

OPP—取向聚丙烯；PVC—聚氯乙烯；PET—聚苯二甲酸乙二酯；ON—取向尼龙；Barex210—丙烯腈－甲基丙烯酸共聚物（75／25）；Saran26—偏二氯乙烯与氯乙烯共聚物；EVAL－E—E级乙烯－乙烯醇共聚物；EVAL－F—F级乙烯－乙烯醇共聚物；KPP—聚偏二氯乙烯涂布聚丙烯

返回目录页