高阻隔性包裝材料發(fā)展綜述

董志遠(yuǎn) 王克儉

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院成型制造研究中心,北京 100029）

一、概述

塑料包裝的阻隔性能指的是包裝材料，如包裝薄膜、包裝袋、塑料容器，對某些滲透對象——如氧氣、水蒸氣、空氣、有機(jī)氣體、光、熱量等由其一側(cè)通過包裝滲透到達(dá)另一側(cè)的阻隔能力，包括阻氧性、阻濕性、阻氣性、阻光性[1]、隔熱性等。

作為包裝材料必須具備的一種基本功能，阻隔性能是考量每種包裝材料的一項(xiàng)重要指標(biāo)，尤其是食品、藥品、電子元器件等對包裝材料阻隔性的要求更高，這類包裝材料需要阻止氧氣、水蒸氣、微生物、有機(jī)氣體等物質(zhì)的滲入以及光、熱的傳導(dǎo)，同時(shí)還要保證防污、防潮，維持包裝內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)定，延長食品、藥品等被包裝物的保質(zhì)期[2]。

如今，聚合物的阻隔性能越來越受到關(guān)注。早期阻隔性高分子材料主要以單一的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚酰胺（PA）、乙烯乙烯醇共聚物(EVOH)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚偏二氯乙烯（PVDC）等為代表，但是大多數(shù)單一材料存在阻隔性能單一、機(jī)械強(qiáng)度低，印刷性差等局限性，目前已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)今包裝領(lǐng)域的市場要求。

二、常見的高阻隔材料

目前應(yīng)用較為廣泛且具有工業(yè)化生產(chǎn)前景的高阻隔材料主要有 PVDC、EVOH、PEN、PA、腈基樹脂等。

其中，EVOH對氣體的阻隔性最好，PEN對水蒸氣的阻隔性最好[5]。在綜合性能方面PVDC材料最優(yōu)[6]。

1.PVDC

聚偏二氯乙烯 PVDC是偏氯乙烯(VCD）的均聚物，由于PVDC的分子結(jié)構(gòu)對稱，導(dǎo)致其具有很強(qiáng)的分子間作用力，鏈段堆砌緊密，結(jié)晶度高，因此PVDC共聚物對水蒸氣及其它氣體表現(xiàn)出高阻隔性。

另外，PVDC還具有保鮮性、防腐性、耐熱性等優(yōu)良性能，其阻隔性不受濕度的影響，目前已廣泛用作食品、藥品、化工、五金機(jī)械制品和軍火工業(yè)領(lǐng)域的包裝材料[7]。

PVDC應(yīng)用形式廣泛，可以作為阻隔層增加其他塑料薄膜的阻隔性能，是使用最多的高阻隔性包裝材料。PVDC適宜于現(xiàn)代包裝的優(yōu)勢使得其已逐漸在軟包裝領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。

2.EVOH

EVOH是乙烯和乙烯醇的共聚物。由于EVOH中存在大量羥基，產(chǎn)生很強(qiáng)的分子間作用力，使得結(jié)晶度較高，聚合物鏈填充更緊密，EVOH便具有良好的阻隔性能，但其熱封性較差。EVOH的阻隔性能受乙烯相對濃度的影響，當(dāng)乙烯含量增加時(shí)，其性能趨近于聚乙烯，氣體阻隔性下降[9]。

EVOH的另一個(gè)顯著特點(diǎn)是加工性良好，熔融狀態(tài)下較穩(wěn)定，易于熱成型加工及回收加工，綠色環(huán)保，不會造成環(huán)境污染。在包裝領(lǐng)域，EVOH廣泛應(yīng)用于肉類無菌包裝、化學(xué)藥品、電子元件等包裝及其他綠色包裝行業(yè)。

3.PVA

聚乙烯醇 PVA是由聚乙酸乙烯酯水解得到的半結(jié)晶聚合物，其性質(zhì)主要取決于其水解度、含水量和分子量。與EVOH相似，PVA分子鏈中存在大量極性羥基，分子鏈之間形成氫鍵，分子間作用力大大提高，促進(jìn)PVA結(jié)晶，最終使得阻隔性提高[8]。

聚乙烯醇具有良好的透明性和韌性，與自然環(huán)境具有良好的親和性，無污染，在潮濕的細(xì)菌環(huán)境中可完全分解。它的氣密性優(yōu)于干燥的PVDC，能透過水蒸氣，但難透過有機(jī)溶劑蒸汽，惰性氣體和氫氣。由于生產(chǎn)成本較低，目前主要用于薄膜形式的食品包裝。

4.PA

聚酰胺 PA俗稱尼龍，是大分子主鏈重復(fù)單元中含有酰胺基團(tuán)的高聚物的總稱。PA具有良好的阻隔氧氣、二氧化碳等氣體的性能，其耐穿刺、耐油性很好，但在潮濕環(huán)境中它的阻隔性有明顯下降。

PA的品種繁多，有PA6、PA66、MXD6等，均具有一定的阻隔性，但不屬于高阻隔材料。

MXD6是一種從間二甲基胺和已二酸縮聚而成的尼龍薄膜，其氣密性比PA6高10倍以上，它的最大特點(diǎn)是阻隔性不隨濕度的上升而下降，因此國外普遍使用MXD6。

基于其較寬的加工溫度，MXD6可以與 PP共擠出、與HDPE共擠吹塑。在工業(yè)上，MXD6主要以薄膜形式應(yīng)用于包裝材料，包括食品與飲料的包裝、儀器設(shè)備包裝等。

三、主要應(yīng)用領(lǐng)域

1.食品包裝

高阻隔性是食品包裝的基本要求之一，阻隔性差會嚴(yán)重影響食品的品質(zhì)，降低保質(zhì)期，影響食品安全及企業(yè)效益。

影響食品貯藏品質(zhì)的因素有很多，因食品種類和加工方式而異，主要有：空氣、水蒸氣、光、熱、異味、微生物等，一旦滲透，很容易發(fā)生霉變等化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生有害物質(zhì)，危害人體健康。

食品包裝阻隔性要求是由食品本身特性決定的，不同種類的食品對阻隔性要求也不同，主要分為對外阻隔、對內(nèi)阻隔、互為阻隔、選擇性阻隔等[10]。

各種高阻隔材料在食品包裝行業(yè)應(yīng)用廣泛，PVDC薄膜具有收縮性、阻氧性、阻水性，在微波加熱的條件下不分解，廣泛用于家用保鮮膜；PVDC與PE、PP、HIPS等合成樹脂多層擠出用于真空奶制品、果醬等包裝材料，其拉伸性能較好，適于較大容積的包裝；EVOH的阻氧性好，其復(fù)合膜常用于保鮮食品包裝材料如香腸、牛奶等包裝。

2.醫(yī)藥衛(wèi)生

藥品包裝是指使用適當(dāng)?shù)牟牧匣蛉萜鳌⒗冒b技術(shù)對藥物制劑的半成品或成品進(jìn)行分（灌）、封、裝、貼簽等操作，為藥品提供品質(zhì)保證的一種加工過程的總稱[22]。

藥品包裝材料需滿足一定的機(jī)械性能、阻隔性能、良好的安全性能、合適的加工性能等要求。不管藥品包裝形式如何變化，阻隔性始終是考量包裝材料的重要指標(biāo)之一，采用高阻隔性包裝材料可以有效提高藥品的保存質(zhì)量，避免在保質(zhì)期內(nèi)變質(zhì)。

因此，高阻隔性包裝材料在醫(yī)藥包裝上得以迅速推廣和應(yīng)用[11]。根據(jù)對產(chǎn)品包裝的不同要求，包裝材料應(yīng)對水分、水蒸氣、空氣、光、異味、熱、微生物等具有一定的阻擋。PVDC與PE、PVC的復(fù)合片材適用于易吸潮、易揮發(fā)藥品的包裝；EVOH的阻氧性好，其復(fù)合膜常用于溶劑、醫(yī)藥的包裝等。

3.其他領(lǐng)域

除食品及醫(yī)藥包裝之外，高阻隔材料還廣泛應(yīng)用于化學(xué)品、軍用品、電子元器件包裝等，例如腈基樹脂可以用于包裝家用產(chǎn)品、汽車和工業(yè)產(chǎn)品或包裝修正液、指甲油等化妝品；PVDC可用于軍品包裝，避免火藥、炸藥等敏感材料及精密儀器中的關(guān)鍵部位受潮失效。

四、阻隔性測試方法

塑料包裝材料的阻隔性能一般是通過對氣體透過量和水蒸氣透過量的檢測來檢驗(yàn)的[12]。

1.氣體透過量測試

氣體透過量測試，又稱透氣性測試、阻氣式測試，主要是考察薄膜、薄片對常見無機(jī)氣體的阻隔性能，通常檢測材料對氧氣、二氧化碳、氮?dú)獾韧高^性能。

按測試原理，透氣性測試可分為壓差法、等圧法兩大類[13～18]。

壓差法是遵照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1038-2000《塑料薄膜和薄片氣體透過性試驗(yàn)方法 壓差法》指定的方法，其原理是用試驗(yàn)薄膜劃分出兩個(gè)獨(dú)立空間，一側(cè)充入測試用的氣體，另一側(cè)抽真空，因?yàn)閴毫Σ畹淖饔?，高壓室氣體通過薄膜滲透到低壓室當(dāng)中，通過測量低壓側(cè)氣體體積或壓力的變化即可計(jì)算出氣體透過量，得到該薄膜對測試氣體的阻隔性能。

等壓法是遵照標(biāo)準(zhǔn) GB/T 19789-2005《包裝材料 塑料薄膜和薄片氧氣透過性試驗(yàn) 庫侖計(jì)檢測法》指定的方法，其原理是利用試樣劃分出兩個(gè)獨(dú)立的氣流系統(tǒng)，分別充入流動的測試氣體與氮?dú)?。保證薄膜兩邊的壓力相等，但氧氣分壓不同。在氧濃度差的作用下，氧氣透過薄膜并被氮?dú)饬魉椭羵鞲衅髦?，傳感器即可精確測量出氮?dú)饬髦袛y帶的氧氣量，從而計(jì)算出材料的氧氣透過率。等壓法的缺陷是目前無法滿足多數(shù)材料的檢測要求。

2.水蒸氣透過量測試方法

水蒸氣透過量測試方法，又稱透濕性測試、水蒸氣阻隔性測試，主要是考察薄膜、薄片對于水蒸氣的阻隔性，是包裝材料防潮性能的主要指標(biāo)。通常分為稱重法（又稱為杯式法）和傳感器法兩種。后者的測試數(shù)據(jù)需由稱重法數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，包括紅外檢定法、動態(tài)相對濕度測定法及電解分析法。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/ T 1037- 1988《塑料薄膜和片材透水蒸氣性試驗(yàn)方法 杯式法》，杯式法原理是在規(guī)定的溫度條件下，在試樣兩側(cè)保持一定的水蒸氣壓差，然后利用稱重傳感器把透濕杯的重量變化測出來，再根據(jù)試樣的面積、厚度、稱量間隔時(shí)間以及試樣兩側(cè)的濕度差計(jì)算出材料的透濕性能參數(shù)。

杯式法可分為增重法（滲透進(jìn)入透濕杯）和減重法（滲透離開透濕杯）兩種。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/ T 21529- 2008《塑料薄膜和薄片水蒸氣透過率的測定電解傳感器法》，電解分析法使用電解腔或電解池作為濕度傳感器，試驗(yàn)薄膜將滲透腔分隔成一個(gè)干腔和一個(gè)濕腔，水蒸氣從濕腔滲透通過試樣后被攜帶至電解腔中，由電解腔測量載氣的濕度，計(jì)算得試樣的水蒸氣透過量。

科學(xué)合理地選擇和使用阻隔包裝技術(shù)，正確選用阻隔性包裝材料，不僅能保證被包裝產(chǎn)品的品質(zhì)，而且有利于降低包裝成本，節(jié)約材料用量，對于拓展塑料包裝領(lǐng)域，開發(fā)新型綠色環(huán)保包裝材料具有深遠(yuǎn)意義。

五、未來發(fā)展

當(dāng)前，在全世界食品、藥品、化學(xué)品產(chǎn)品的強(qiáng)勁市場需求推動下，包裝材料持續(xù)快速發(fā)展，產(chǎn)品對包裝材料的要求更高，高阻隔膜材料發(fā)展迅速。

除此之外，為了提高塑料的阻隔性能，業(yè)界對現(xiàn)有的塑料包裝材料進(jìn)行改性。由于多層復(fù)合、共混、表面鍍覆、表面涂布和拉伸取向等阻隔技術(shù)的推廣，包裝材料阻隔性能有了很大提高。

北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院在已有研究基礎(chǔ)之上，從創(chuàng)新層疊原理出發(fā)，開發(fā)了一種采用熔體扭轉(zhuǎn)方法制備高阻隔性復(fù)合材料的新方法[19]；北京印刷學(xué)院等離子體物理及材料研究室設(shè)計(jì)加工了等離子體輔助化學(xué)氣相沉積設(shè)備，推動了環(huán)保綠色高阻隔包裝薄膜的產(chǎn)業(yè)化[20]；北京農(nóng)學(xué)院食品科學(xué)與工程學(xué)院研發(fā)了一種可用于工業(yè)化生產(chǎn)的氧化硅涂覆技術(shù)[21]。

隨著全球資源的逐漸緊缺，環(huán)境污染越發(fā)嚴(yán)重，同時(shí)國家持續(xù)完善環(huán)保政策，人們環(huán)保意識增強(qiáng)，開發(fā)環(huán)境友好高阻隔膜材料也逐漸成為社會熱點(diǎn)。

可以預(yù)見，隨著新材料和新技術(shù)的不斷進(jìn)步，高阻隔材料及相關(guān)技術(shù)在包裝領(lǐng)域?qū)焖侔l(fā)展，應(yīng)用范圍將更加廣泛。

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