包裝用塑料材料CO2滲透分析及測試技術

文/濟南蘭光機電技術有限公司 范珺

對于包裝塑料加工企業而言，通過對含氣包裝CO2流失的途徑分析以及包裝塑料的CO2滲透測試研究，有助于其了解材料對于非常規氣體的滲透情況，從而最終為終端企業提供合規并具有競爭力的包裝產品。

在如今的塑料包裝應用領域，含氣包裝異軍突起，逐漸顯現了更多的功能性。

形式之一是氣調包裝，即在封閉包裝內，通過充入CO2、N2等氣體，調節包裝內的氣體組分，起到抑制引起內容物（尤其是食品）品質劣變的物理、化學、生理反應等的作用。CO2是氣調包裝中占據重要地位的氣體成分，突出作用是其高效的抑菌效果。由于CO2能穿透細菌的細胞，使細胞內的pH值下降和酶的活性降低，因此能夠抑制細胞的繁殖；并且CO2低毒，對食品感官品質影響小，因而對于魚肉海鮮、鮮嫩果蔬、烘焙點心等有防腐和防霉的作用。

形式之二是碳酸飲料包裝。碳酸飲料是在加工中增大壓力將CO2溶解于糖水中制得。CO2與液體接觸時發生碳酸化反應，產生酸味，調和了飲料的風味，同時形成刺激性口感，賦予了碳酸飲料特有的泡沫外觀。CO2的碳酸化降低了液體的pH值，營造了酸性環境，從而有利于抑制微生物的繁殖，起到抑菌防腐的作用。

氣體流失機理和滲透測試的方法

對于上述兩種含氣包裝的產品，CO2氣體量的保持是實現其包裝功能和產品特性的前提條件，對于內容物的品質保鮮、風味保持具有重要的實際意義。但從現實角度來看，“流失”不可避免。根據濟南蘭光多年對包裝塑料和塑料容器滲透機理的研究，流失主要有兩種途徑：

1.微觀層面——滲透

對于含氣包裝，包裝內的CO2濃度明顯高于外側，在濃度差的作用下，高壓側的氣體會吸附溶解到塑料材料上，在其中經過擴散，從另一側解析而出，這一過程就是CO2的滲透流失過程。滲透速率主要取決于包裝塑料的阻隔性、厚度以及環境溫濕度。

2.宏觀層面——泄漏

這主要指的是包裝封邊或瓶口部位的密封性。若封邊質量不佳，瓶蓋未擰緊，或瓶口和瓶蓋螺紋設計存在缺陷，導致封邊或瓶口的密封不良，此時氣體容易通過縫隙泄漏而出。

宏觀層面的泄漏往往呈現快速、大量的流失特點，易于觀察，因此易于防控。但微觀層面的氣體流失，是一個緩慢長期的過程，不易被察覺，這往往是內容物發生保質期內品質劣變的重要成因。

因此，對于包材供應商來說，應建立產品性能控制體系，對用于含氣包裝的材料阻隔性做到預先檢驗，及時調整工藝，以提供符合使用方要求的包材。而對于以含氣包裝為主要形式的包材終端使用方來說，應將包裝材料的CO2滲透性能，以及其他常規氣體如N2、O2和空氣等的滲透阻隔性能檢驗、研究，納入內容物質量控制體系中，對自產包材或供應包材的阻隔性能的應用適用性進行判斷，同時也作為評價篩選供應商的有效數據來源。

當前，塑料材料的CO2透過率的測試，主要參照GB/T1038-2000《塑料薄膜和薄片氣體透過性試驗方法：壓差法》。其原理為：用塑料薄膜或薄片將低壓室和高壓室分開，高壓室充有約105Pa的試驗氣體，低壓室的體積已知。試樣密封后用真空泵將低壓室內空氣抽到接近零值。用測壓計測量低壓室內的壓力增量△P，可確定試驗氣體由高壓室透過膜（片）到低壓室的以時間為函數的氣體量，但應排除氣體透過速度隨時間而變化的初始階段。氣體透過量按以下公式計算：

Qg=(△ P)/(△ t)×(V/S)×T0/(P0T)×24/(P1-P2)

式中，Qg——材料的氣體透過量，單位為 cm3/m2·d·Pa ；

(△P)/(△t) ——在穩定透過時，單位時間內低壓室氣體壓力變化的算數平均值，單位為Pa/h；

V——低壓室體積，單位為cm3；

S——試樣的試驗面積，單位為m2；

T——試驗溫度，單位為K；

P1-P2——試樣兩側的壓差，單位為Pa；

T0——標準狀態下的溫度（273.15 K）；

P0——標準狀態下的壓力（1.0133×105Pa）。

測試案例及分析

筆者選取了同等厚度的PP材料和PET材料，按照上述測試原理，借助氣體滲透儀測試其不同溫度下的CO2和N2的透過量，一方面形象化展示儀器阻隔性測試方法，另一方面展示不同材料的CO2和N2的透過量差異，以及溫度對其的影響。以此為范例，為包材上下游企業提供該領域測試、研究的相關方法指導。

壓差法薄膜氣體滲透測試

濟南蘭光的VAC-V2壓差法氣體滲透儀

測試采用的儀器為濟南蘭光的VAC-V2壓差法氣體滲透儀，該設備專業用于多種薄膜、片材試樣在各種溫度下的氣體透過率、滲透系數、溶解度系數及擴散系數的測試；適用于多種氣體的透過率測試，如O2、CO2、N2、氦氣和空氣等 ；測 試 范 圍 為 0.05～50 000 cm3/(m2·24 h·0.1 MPa)，真空分辨率可達到0.1 Pa；控溫范圍為5～95℃，控溫精度為±0.1℃；控濕范圍為 0%RH、2%RH～98.5%RH 及100%RH，控濕精度為±1%RH；有3個完全獨立的試驗腔，可同時測試3種相同或不同的試樣。

測試時，按照標準和儀器要求，將預先處理好的試樣放置在上下測試腔之間并夾緊。然后對低壓腔（下腔）進行真空處理，并對整個系統抽真空。當達到規定的真空度后，關閉測試下腔，向高壓腔（上腔）充入一定壓力的試驗氣體，并保證在試樣兩側形成一個恒定的壓差（可調）。這樣氣體會在壓差梯度的作用下，由高壓側向低壓側滲透，通過對低壓側內壓強的監測處理，可得到所測試樣的各項阻隔性參數。

測試結果見表1。從材料來看，同面積、同厚度的PET薄膜的N2和CO2的透過量明顯低于PP薄膜。從滲透氣體來看，兩種材質對N2的透過量遠低于CO2的透過量，其原因是因為氣體分子的大小和形狀會影響氣體在材料內的擴散性。分子的大小可以通過氣體分子的動力學直徑來表示，見表2。普遍情況下，分子的動力學直徑越小，在聚合物中擴散越容易。

除了分子的大小和形狀，分子的極性和凝聚難易也會影響氣體在材料表面的溶解性。由于不同的高分子材料其極性也不完全一致，因此溶解度系數的變化成為影響多種氣體在不同材料間滲透的主要原因。如果材料中沒有可與透過氣體發生作用的官能團時，臨界溫度是控制溶解度的主要因素，臨界溫度較高者往往在聚合物中具有較大的溶解度。CO2的臨界溫度是31℃，遠高于其他常見無機氣體，所以它在材料表面的溶解度更大。故綜合而言，CO2透過量明顯高于N2透過量。

表1 多種氣體阻隔性實測數據

上述膜材的測試數據，展示了同種材料的薄膜形式對CO2、N2滲透速率的差異，這種差異趨勢在該材料的容器片材形式也會有所呈現，但受到的影響因素更多。由于容器是一個由瓶蓋和瓶體構成的包裝系統，而且兩部分大多采用不同的材質。因此，在探討容器微觀滲透現象時，需要分別研究兩部分的氣體滲透差異，然后綜合分析。為了簡化容器阻隔性測試研究工作，目前業內多采用容器整體滲透測試技術，即借助儀器實現容器整體系統的透過量測試，由此獲得的數據更加直觀且更具可比性。

結語

對于包裝塑料加工企業而言，通過對含氣包裝CO2流失的途徑分析以及包裝塑料的CO2滲透測試研究，有助于其了解材料對于非常規氣體的滲透情況，從而最終為終端企業提供合規并具有競爭力的包裝產品。

表2 N2和CO2氣體的分子量及動力學直徑

濟南蘭光的G2/130 壓差法容器氣體透過率測試儀