探究溫度對復合膜阻隔性和力學性能的影響

譚國靜，楊凱，褚學軍

探究溫度對復合膜阻隔性和力學性能的影響

譚國靜1，楊凱2，褚學軍2

（1.青島黃海學院，山東 青島 266000；2.青島市產品質量檢驗研究院，山東 青島 266000）

探究溫度變化對幾種包裝用復合膜阻隔性和力學性能的影響。采用4種不同材質的復合膜為研究對象，通過調節溫度變化，分別對復合膜進行拉伸強度、斷裂伸長率、穿刺強度、直角撕裂力、氧氣透過量、水蒸氣透過量測試。隨著溫度的升高，復合膜的拉伸強度、穿刺強度、直角撕裂力呈現逐漸變小的趨勢，斷裂伸長率呈現先增大后減小的趨勢，氧氣透過量、水蒸氣透過量呈現逐漸變大的趨勢。溫度從15 ℃升至55 ℃，BOPP/EVOH復合膜的力學性能和阻隔性能受溫度影響小，其中拉伸強度降低了5.2 MPa，斷裂伸長率增加了10%，穿刺強度降低了4.4 N，直角撕裂力降低了5.0 N，水蒸氣透過量提高了2.34 g/(m2·d)，氧氣透過量增加了12.5 cm3/(m2·d·0.1 MPa)。根據實驗探究，溫度是影響包裝復合材料性能的重要因素，為不同溫度條件下不同材質復合膜的性能變化提供了數據指導，BOPP/EVOH復合膜的綜合性能受溫度變化影響最小。

溫度；復合膜；阻隔性；力學性能

隨著人們生活水平的提高，食品需求的多樣化也隨之越來越大，對塑料軟包裝提出了更高的要求，食品包裝材料要同時滿足力學、阻隔、耐熱、印刷等多種功能的需求[1]。復合膜結合了多種材料的優異性能，各組分相互結合各自的優勢、相互彌補各自的缺陷，使得復合膜在使用時展現出的優越的力學性能和阻隔性能，是延長食品保質期的重要保證[2]。阻隔性是衡量包裝內部食品受外界水蒸氣、氣體、微生物等環境因素影響的關鍵指標[3-4]，是包裝食品的新鮮度、保質期、風味的重要保障[5]。食品包裝良好的力學性能可以保證其在運輸、儲存中不破裂。隨著包裝材料和技術的不斷優化，對食品包裝的力學及阻隔性能的研究也越來越多，新技術、新材料、新工藝成為復合膜性能研究的重要趨勢[6-9]。塑料包裝的阻隔性主要分為阻氣性和阻濕性，阻隔性是阻止空氣環境中的氧氣、氮氣、二氧化碳、水蒸氣、有機物和微生物等對象，這些小分子通過吸附、滲透、擴散、解吸幾個過程從薄膜的一側到達另一側，使食品產生氧化變質[10-12]。不同的食品對包裝材料的力學性能、阻隔性要求不同，使用環境的不同也對包裝材料的性能產生不同的影響[13-15]。復合薄膜的耐穿刺力是包裝材料的重要指標，對復合膜進行穿刺強度性能指標的檢測，能夠有效分析復合膜的物理性能，以減少外界因素變化使材料性能變差易損，從而使內裝物變質或泄漏[16]。復合膜在食品包裝應用過程中，必然面臨溫度環境的問題，溫度因素對復合膜各方面性能有很大的影響。選擇食品包裝材料時，除了考慮食品與材料的適用性、物理性能、貨架期設計等因素外，產品所處的溫度環境也是不容忽視的重要考慮因素。科學合理的搭配包裝材料，不僅能夠降低包裝成本，還能根據當地氣候的變化選擇更適宜的材料，更好地保證食品品質。為了更好地了解溫度因素對不同類型的包裝復合膜的性能影響趨勢及規律，引導食品包裝材料廠家改善包裝材料的組成，本文從不同的溫度因素入手，采用4種不同材質的復合膜，分別為雙向拉伸聚酰胺（BOPA）/聚乙烯（PE）復合膜、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）/PE復合膜、雙向拉伸聚丙烯（BOPP）/鍍鋁聚丙烯（VMCPP）復合膜、BOPP/（乙烯/乙烯醇共聚物）（EVOH）復合膜。探究4種復合膜的拉伸強度、斷裂伸長率、穿刺強度、直角撕裂力、氧氣透過量、水蒸氣透過量受溫度變化的影響，為科學合理地使用復合膜提供參考。

1 實驗

1.1 材料與設備

主要材料：BOPA/PE復合膜，公稱厚度為80 μm，工業級，青島海德包裝有限公司；PET/PE復合膜，公稱厚度為80 μm，工業級，青島海德包裝有限公司；BOPP/VMCPP復合膜，公稱厚度為80 μm，工業級，青島海德包裝有限公司；BOPP/EVOH復合膜，公稱厚度為80 μm，工業級，青島海德包裝有限公司。

主要設備：CH–1–ST千分臺式薄膜測厚儀，上海六菱儀器廠有限公司；VAC–V2壓差法氣體滲透儀，濟南蘭光機電技術有限公司；W3/0120水蒸氣透過率測試儀，濟南蘭光機電技術有限公司；UTM–1432萬能試驗機，承德市金建檢測儀器有限公司；XLS–05A電子拉力試驗機，承德市金建檢測儀器有限公司；GDW–150L高低溫試驗箱，天津愛斯匹克試驗設備有限公司。

1.2 方法

1）拉伸強度、斷裂伸長率測試。依據GB/T 1040.3—2006《塑料拉伸性能的測定第3部分：薄膜和薄片的試驗條件》進行拉伸強度、斷裂伸長率測試。將薄膜裁成150 mm×15 mm的2型試樣，拉伸速度為200 mm/min，每組測試5個試樣。

2）穿刺強度測試。依據GB/T 10004—2008《包裝用塑料復合膜、袋干法復合、擠出復合》進行穿刺強度測試。將薄膜裁成直徑為100 mm的試片，鋼針運行速度為50 mm/min，測試片數5個以上。

3）直角撕裂力測試。依據QB/T 1130—1991《塑料直角撕裂性能試驗方法》進行直角撕裂力測試。將薄膜裁成直角形試樣，拉伸速度為200 mm/min，每組測試5個試樣。

4）水蒸氣透過量測定。依據GB/T 1037—2021《塑料薄膜與薄片水蒸氣透過性能測定杯式增重與減重法》測定水蒸氣透過量。將樣品裁成合適大小進行測試，設置相對濕度為90%，溫度分別設置為15、25、35、45、55 ℃，每種測試3個試樣。

5）氧氣透過量測定。依據GB/T 1038—2000《塑料薄膜和薄片氣體透過性試驗方法壓差法》測定氧氣透過量。溫度分別設置為15、25、35、45、55 ℃，每種測試3個試樣。

1.3 樣品制備

1）取樣時，按表1復合膜組成采購樣品，去掉成品膜卷表面10層，取表面平整，無斑點、瑕疵的樣品進行研究。

2）選取4種材質復合膜分別放置于溫度為15、25、35、45、55 ℃的高低溫試驗箱中4 h，調節后10 s內從試驗箱中取出進行力學性能測試。

3）取步驟2中調節后樣品，將壓差法氣體滲透儀、水蒸氣透過率測試儀的溫度分別設置為15、25、35、45、55 ℃，然后進行測試。

表1 不同材質復合膜組成及厚度

Tab.1 Composition and thickness of different composite films

2 結果與討論

2.1 溫度變化對不同材質復合膜拉伸強度的影響

4種材質復合膜的拉伸強度隨溫度變化見表2。由表2可以看出，4種材質的復合膜拉伸強度都出現逐漸降低的趨勢，主要原因是隨著溫度升高，分子鏈的熱運動增強，分子鏈間的作用力逐漸減小，受外力拉伸時，更易斷裂。溫度從15 ℃升至55 ℃，BOPA/PE復合膜的拉伸強度由42.9 MPa逐漸降低至36.8 MPa，減小了6.1 MPa；PET/PE復合膜的拉伸強度由41.3 MPa逐漸降低至35.6 MPa，減小了5.7 MPa；BOPP/VMCPP復合膜的拉伸強度由55.4 MPa逐漸降低至46.9 MPa，減小了8.5 MPa；BOPP/EVOH復合膜的拉伸強度由81.5 MPa降低至76.3 MPa，減少了5.2 MPa。可以看出，溫度升高，拉伸強度變小，BOPP/EVOH復合膜拉伸強度受溫度影響最小，而BOPP/VMCPP材質的復合膜受溫度影響最大，這是由于復合膜的2層組分對復合膜的拉伸強度貢獻不一樣，在BOPA/PE、PET/PE 2種復合膜中對拉伸強度起主要作用的是外層BOPA和PET，在BOPP/VMCPP、BOPP/EVOH這2種復合膜中起主要作用的是內層VMCPP和EVOH。溫度升高，VMCPP鍍鋁層附著力下降，拉伸強度下降最大，而EVOH分子間作用力下降最小，拉伸強度下降最小。

2.2 溫度變化對不同材質復合膜斷裂伸長率的影響

4種材質復合膜的拉伸強度隨溫度變化見表3。由表3可以看出，溫度從15 ℃升至55 ℃，4種材質復合膜的斷裂伸長率都出現先升高后降低的趨勢，復合膜的斷裂伸長率在45 ℃最大，主要原因是溫度升高，分子間相互作用力變小，分子鏈間的自由體積增大，柔順性增加，受外力作用時，應變能夠隨應力變化而變化，斷裂伸長率增加，當溫度高于45 ℃時，材料分子間作用力進一步破壞，材料易斷裂。從15 ℃升至45 ℃，4種材質復合膜的斷裂伸長率都逐漸變大，BOPA/PE復合膜的斷裂伸長率由124%升高至138%，PET/PE復合膜的斷裂伸長率由84%升高至95%，BOPP/VMCPP復合膜的斷裂伸長率由78%升高至85%，BOPP/EVOH復合膜的斷裂伸長率由86%升高至96%，分別升高了14%、11%、7%、10%。綜合分析，溫度升高，復合膜的斷裂伸長率先升高后降低，BOPP/VMCPP材質的斷裂伸長率受溫度變化影響最小，而BOPA/PE復合膜影響最大。這主要是因為溫度對幾種復合膜的分子間作用力影響幅度不一樣導致。

2.3 溫度變化對不同材質復合膜穿刺強度的影響

4種材質復合膜的穿刺強度隨溫度變化趨勢見表4。由表4可以看出，溫度從15 ℃升至55 ℃，4種材質的復合膜穿刺強度都逐漸減小。這是由于穿刺強度與材料的韌性有關，溫度升高，分子間作用力減小，韌性強度變差，當材料受到外力沖擊時，分子鏈之間更容易分離。從15 ℃升至55 ℃，BOPA/PE復合膜的穿刺強度由8.7 N降低至3.8 N，PET/PE復合膜的穿刺強度由6.9 N降低至3.2 N，BOPP/VMCPP復合膜的穿刺強度由11.4 N降低至6.9 N，BOPP/EVOH復合膜的穿刺強度由12.5 N降低至8.1 N，穿刺強度分別降低了4.9、3.7、4.5、4.4 N。可以看出，溫度升高，復合膜穿刺強度變小，PET/PE復合膜穿刺強度受溫度變化影響最小，而BOPA/PE復合膜穿刺強度受溫度變化影響最大。

表2 溫度變化對復合膜拉伸強度的影響

Tab.2 Effect of temperature change on tensile strength of different composite films

表3 溫度變化對復合膜斷裂伸長率的影響

Tab.3 Effect of temperature change on elongation at break of different composite films

表4 溫度變化對復合膜穿刺強度的影響

Tab.4 Effect of temperature change on puncture strength of different composite films

2.4 溫度變化對不同材質復合膜直角撕裂力的影響

4種材質復合膜的直角撕裂力隨溫度變化見表5。由表5可以看出，當溫度從15 ℃升至55 ℃時，4種材質的復合膜直角撕裂力都呈現逐漸減小的趨勢。這是因為復合膜的直角撕裂力主要與分子間作用力及分子結構有關，溫度升高，分子間作用力變小，應力更容易集中在撕裂點，表現為直角撕裂力下降。從15 ℃升至55 ℃，BOPA/PE復合膜的直角撕裂力由10.2 N降低至4.3 N，PET/PE復合膜的直角撕裂力由9.7 N降低至3.7 N，BOPP/VMCPP復合膜的直角撕裂力由8.2 N降低至2.8 N，BOPP/EVOH復合膜的直角撕裂力由13.4 N降低至8.4 N，直角撕裂力分別降低了5.9、6.0、5.4、5.0 N。由此可以看出，溫度升高，復合膜的直角撕裂力變小，PET/PE復合膜的直角撕裂力受溫度升高影響最大，而BOPP/EVOH復合膜直角撕裂力受溫度升高影響最小。當復合膜受到外力按一定速度拉伸時，復合膜表現為脆性破壞，因此分子間作用力受溫度升高下降多的PET/PE復合膜的直角撕裂力受溫度影響最大，而BOPP/EVOH復合膜直角撕裂力受溫度影響最小。

表5 溫度變化對復合膜直角撕裂力的影響

Tab.5 Effect of temperature change on right-angle tearing force of different composite films

2.5 溫度變化對不同材質復合膜氧氣透過量的影響

4種材質復合膜的氧氣透過量隨溫度變化如圖1所示。從圖1可以清楚地看出，4種類型的復合膜的氧氣透過量隨溫度的變化趨勢基本一致。對于同一樣品，當溫度升高時，氧氣透過量逐漸變大，在15～35 ℃內，氧氣透過量增長趨勢平緩；在35～55 ℃變動范圍內，氧氣透過量增長趨勢較明顯。這是因為隨著溫度的升高，氧氣分子的熱運動加劇，運動能增加，同時復合膜的分子鏈運動加快，自由體積增加，氧氣分子更容易通過復合膜。溫度越高，氧氣分子的熱運動增加的幅度越大，所以氧氣透過量增長趨勢更明顯。當溫度從15 ℃升高到55 ℃時，BOPA/PE復合膜的氧氣透過量由41.5 cm3/(m2·d·0.1 MPa)增大至125.4 cm3/(m2·d·0.1 MPa)，PET/PE復合膜的氧氣透過量由70.6 cm3/(m2·d·0.1 MPa)增大至178.5 cm3/(m2·d·0.1 MPa)，BOPP/VMCPP復合膜的氧氣透過量由9.4 cm3/(m2·d·0.1 MPa)增大至30.8 cm3/(m2·d·0.1 MPa)，BOPP/EVOH復合膜的氧氣透過量由3.3 cm3/(m2·d·0.1 MPa)增大至15.8 cm3/(m2·d·0.1 MPa)，氧氣透過量分別增大了83.9、107.9、21.4、12.5 cm3/(m2·d·0.1 MPa)。由此可以看出，溫度升高，4種復合膜氧氣透過量都變大，阻隔性變差。PET/PE復合膜氧氣透過量受溫度變化影響最大，而BOPP/EVOH復合膜氧氣透過量受溫度變化影響最小。這是因為PET/PE復合膜對氧氣起阻隔作用的主要是PET層，PET分子中含有苯環等剛性基團，溫度升高對PET分子鏈的柔順性影響最大，而BOPP/EVOH復合膜中起阻隔作用的EVOH分子柔順性受溫度影響變化最小。

圖1 溫度變化對不同材質復合膜氧氣透過量的影響

2.6 溫度變化對不同材質復合膜水蒸氣阻隔性的影響

表6數據為溫度對4種材質復合膜水蒸氣透過量的影響。可以清楚地看到，隨著溫度的逐漸升高，4種材質復合膜的水蒸氣透過量逐漸變大。這是因為溫度升高，水蒸氣分子的熱運動加劇，更容易吸附在復合膜表面，溶解量增大并滲透過薄膜；同時溫度升高，分子鏈運動加劇，自由體積變大，導致復合膜水蒸氣透過性能增高。當溫度從15 ℃升高到55 ℃時，BOPA/PE復合膜的水蒸氣透過量由2.73 g/(m2·d)增大至7.22 g/(m2·d)，PET/PE復合膜的水蒸氣透過量由2.22 g/(m2·d)增大至6.56 g/(m2·d)，BOPP/VMCPP復合膜的水蒸氣透過量由1.11 g/(m2·d)增大至3.11 g/(m2·d)，BOPP/EVOH復合膜的水蒸氣透過量由1.22 g/(m2·d)增大至3.56 g/(m2·d)。水蒸氣透過量的提高值分別為4.49、4.34、2.00、2.34 g/(m2·d)。由此可以看出，溫度升高，水蒸氣透過量變大，水蒸氣阻隔性變差。復合膜的水蒸氣透過量受溫度影響從大到小的順序為BOPA/PE、PET/PE、BOPP/EVOH、BOPP/VMCPP。BOPA/PE復合膜的水蒸氣透過量受溫度變化影響最大，而BOPP/VMCPP復合膜的水蒸氣透過量受溫度變化影響最小。

表6 溫度變化對復合膜水蒸氣透過量的影響

Tab.6 Effect of temperature change on water vapor permeability of different composite films

3 結語

當溫度因素發生變化時，不同材質的復合膜的拉伸強度、斷裂伸長率、穿刺強度、直角撕裂力、水蒸氣透過量、氧氣透過量產生的影響不同。當溫度從15 ℃升至55 ℃時，拉伸強度、穿刺強度和直角撕裂力逐漸減小，斷裂伸長率先增大后減小，水蒸氣透過量和氧氣透過量逐漸變大。復合膜的拉伸強度受溫度因素變化影響從大到小的順序為BOPP/VMCPP、BOPA/PE、PET/PE、BOPP/EVOH；復合膜的斷裂伸長率受溫度因素變化影響從大到小的順序為BOPA/PE、PET/PE、BOPP/EVOH、BOPP/VMCPP；復合膜的穿刺強度影響受溫度因素變化影響從大到小的順序為BOPA/PE、BOPP/VMCPP、BOPP/EVOH、PET/PE；復合膜的直角撕裂力受溫度因素變化影響從大到小的順序為PET/PE、BOPA/PE、BOPP/VMCPP、BOPP/EVOH；復合膜的氧氣透過量受溫度因素變化影響從大到小的順序為PET/PE、BOPA/PE、BOPP/VMCPP、BOPP/EVOH；復合膜的水蒸氣透過量受溫度影響從大到小的順序為BOPA/PE、PET/PE、BOPP/EVOH、BOPP/VMCPP。綜合分析，BOPP/EVOH復合膜的力學性能和阻隔性能受溫度影響小；在溫度變化大，同時沒有特定應用目標時，BOPP/EVOH復合膜是一種可供選擇的理想包裝材料。

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Effect of Temperature on the Barrier and Mechanical Properties of Composite Films

TAN Guo-jing1, YANG Kai2, CHU Xue-jun2

(1. Qingdao Huanghai University, Shandong Qingdao 266000, China; 2. Qingdao Product Quality Testing Research Institute, Shandong Qingdao 266000, China)

The work aims to explore the effect of temperature change on the barrier and mechanical properties of several packaging composite films. Four kinds of different composite films were used as the research object. By adjusting the temperature, the tensile strength, elongation at break, puncture strength, right-angle tearing force, oxygen permeability and water vapor permeability of composite films were tested respectively. With the increase of temperature, the tensile strength, puncture strength and right-angle tearing force of composite films decreased gradually, the elongation at break increased firstly and then decreased, and the oxygen permeability and water vapor permeability increased gradually. When the temperature increased from 15 ℃ to 55 ℃, the mechanical properties and barrier properties of BOPP/EVOH composite film were less affected by temperature, with tensile strength decreasing by 5.2 MPa, elongation at break increasing by 10 %, puncture strength decreasing by 4.4 N, right-angle tearing force decreasing by 5.0 N, water vapor permeability increasing by 2.34 g/(m2·d), and oxygen permeability increasing by 12.5 cm3/(m2·d·0.1 MPa). According to the experimental research, the temperature is an important factor affecting the properties of packaging composite film and the research results provide guidance for the application of composite films in packaging field. The comprehensive properties of BOPP/EVOH composite film is least affected by temperature change.

temperature; composite film; barrier property; mechanical property

TB484.3

A

1001-3563(2023)13-0049-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.13.007

2022?12?12

譚國靜（1991—），女，碩士，助教，主要研究方向食品包裝材料、無機–有機復合材料。

責任編輯：曾鈺嬋