数据拟合在软包装阻隔性测试中的应用
文章来源：Labthink兰光
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发布日期：2008-07-22
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摘要：对于食品、药品、化妆品等多数日化产品以及部分工业制品，采用高阻隔性包装材料进行产品的包装对延长包装内容物的保质期及提高内容物保存质量都是非常有效的，然而包装材料的阻隔性能会受环境因素的影响而变化，以受温度的影响最为显著。
关键词：
数据拟合
,阻隔性
,包装材料
,非常规温度
,软包装
众所周知，氧气、水蒸气是导致食品、药品、化妆品变质失效的主要因素之一，因此材料的阻隔性能是评价包装材料的一项关键指标。然而，材料的阻隔性能与温度有着极为密切的联系，温度的变化会显著影响材料的阻隔性能。因此，在进行包装设计之前需要获得材料在实际使用温度下的阻隔性参数。但是，很多材料的实际使用温度并不在实验室常规温度以及设备可控的温度范围之内，例如冷藏、高温消毒等温度，我们将这些温度称为非常规温度。
在非常规温度下实际检测材料的阻隔性能会遇到很多困难，例如，高成本、低效率、操作不方便等等，Labthink研发阻隔性数据拟合应用技术（Data Curve Fitting in Permeation，简称DCFP）来解决这些难题。通过DCFP技术，可以简单、方便、经济地获得材料在非常规温度下的材料阻隔性数据。
1. 温度对阻隔性能的影响
1.1 影响原因
温度升高对薄膜材料及渗透气体都会带来影响。对于薄膜，当温度升高时，聚合物内聚度下降，会使聚合物自由体积增大，这样渗透气体分子在聚合物内的扩散阻碍会有效减小，扩散速度加快。对于渗透气体来讲，温度升高，气体分子能量增大，使得它的能量更易达到在分子链间扩散所需要的能量值，这样气体分子对聚合物的扩散系数就会变大。可见，温度升高，渗透变得容易，表现为材料的阻隔性能降低。无机气体的渗透系数、扩散系数、溶解度系数与温度的关系均服从Arrhenius方程：
（1）
（2）
（3） 式中：P、D、S——渗透系数、扩散系数、溶解度系数
P0、D0、S0——与气体－固体配偶有关的常数
EP、ED、ΔH——透过活化能、扩散活化能、溶解热
R——摩尔气体常数，8.31441J/mol·K
T——绝对温度
从Arrhenius方程我们可以看出，温度变化，P、D、S变化，材料阻隔性能也随之变化。但材料阻隔性能受温度影响的程度存在差异性，即不同材料受温度的影响并不一致。
1.2 影响程度
为了观察温度波动会给材料阻隔性能带来影响的程度，现使用Labthink VAC-V1型压差法气体渗透仪，在0℃~70℃条件下，进行PC膜（125μm）、PET膜（25μm）、PP膜（200μm）、PVDC膜（30μm）、铝箔膜（100μm）的氧气渗透性试验（参见图1）。
图1. 温度对材料透氧量的影响
从图1可以看出，除铝箔试样外，测试温度对几种试样透氧量的影响都非常显著，但是影响程度并不一致。对于PET薄膜来讲，在40℃时的透氧量比在30℃时增长了38％，PC薄膜40℃时的透氧量比30℃时增长了20％，PP薄膜的增长幅度为46％，PVDC薄膜的增幅更是达到了56％。随着温差的增大，材料的透氧量会继续增大，甚至会加速增长。
1.3 温度影响所导致的损失
产品在流通过程中所处的环境温度与材料的检测温度难以保证一致，而温度的变化会导致材料阻隔性能改变，由此引起的产品包装不能满足包装预期效果的情况经常发生。同时，如果用于包装的阻隔性材料选择不当，会给企业带来沉重的经济负担。而包装设计失败以及产品失效所带来的损失并不仅限于产品本身，给企业品牌以及企业形象所带来的负面影响更是难以衡量。
2. 最佳解决方案
2.1 阻隔性数据拟合应用技术（Data Curve Fitting in Permeation）
在非常规温度下实际检测材料的阻隔性能会遇到很多困难。第一：结果精度低，误差难以控制；第二，设备制造难度大，测试成本很高；第三，测试效率低，操作不方便。然而阻隔性数据拟合应用技术（DCFP）却能很好地克服上述困难。简单的说，DCFP是以Fick定律、Henry定律、 Arrhenius方程等重要理论为依据，可通过常规条件下不同温度点的阻隔性数据获得任意温度下的气体渗透量、渗透系数、扩散系数以及溶解度系数的阻隔性分析技术。使用DCFP技术时无需增加专用设备，而且只需要很短的时间就可以完成。
2.2 应用试验
DCFP使用方便，大量的实测数据证明，其实际应用效果好、拟合精度高。由于篇幅所限，这里以对PET膜（20μm）、PP膜（200μm）、PVDC膜（30μm）的测试为例进行介绍，其他材料的测试情况在此就不再给予一一介绍。Labthink实验室试验采用VAC-V1压差法气体渗透仪，常规测试范围在0.1 cm3/m2?24h?0.1MPa～100000 cm3/m2?24h?0.1MPa，真空分辨率达0.1Pa，测试腔真空度可保证在20Pa以下。可在室温到50℃范围内进行控温，温控精度为±0.2℃。使用设备组成：Labthink VAC-V1压差法气体渗透仪，数据计算处理系统，真空泵（最低真空0.1Pa），纯度为99.9%的氧气。实验设备如图2所示。
图2. VAC-V1压差法气体渗透仪
利用设备自身的温度控制功能，分别在23℃、25℃、30℃、33℃、35℃、37℃等温度点下进行5次以上透氧量检测，然后使用DCFP技术通过这些温度点下的透氧量数据获得高温以及低温下的材料透氧量。同时进行18℃、40℃、43℃、45℃、47℃、以及50℃下的透氧量检测，并将实测数据与拟合数据进行比较，参见图3和表1。
图3. 高、低温度点的拟合数据及实际测试数据
表1. PET材料在高、低温度点的拟合数据及实际测试数据
|
试验温度
℃ |
透氧量（平均值）
cm3/m2·24h·0.1MPa |
渗透系数（平均值）
E-12 cm3·cm/cm2·s·cmHg |
拟合透氧量
cm3/m2·24h·0.1MPa |
拟合渗透系数
E-12 cm3·cm/cm2·s·cmHg |
误差 |
|
18 |
45.579 |
1.388 |
43.383 |
1.321 |
-4.83% |
|
23 |
50.839 |
1.548 |
50.038 |
1.524 |
-1.55% |
|
25 |
52.666 |
1.604 |
52.906 |
1.611 |
0.44% |
|
30 |
59.369 |
1.808 |
60.621 |
1.846 |
2.10% |
|
33 |
65.443 |
1.993 |
65.64 |
1.999 |
0.30% |
|
35 |
68.884 |
2.098 |
69.156 |
2.106 |
0.38% |
|
37 |
74.080 |
2.256 |
72.81 |
2.218 |
-1.68% |
|
40 |
78.493 |
2.390 |
78.56 |
2.393 |
0.13% |
|
43 |
86.194 |
2.625 |
84.643 |
2.578 |
-1.79% |
|
45 |
89.987 |
2.741 |
88.887 |
2.707 |
-1.24% |
|
47 |
95.632 |
2.912 |
93.288 |
2.841 |
-2.44% |
|
50 |
102.181 |
3.112 |
100.188 |
3.052 |
-1.93% |
图3中的曲线由PET膜、PP膜、PVDC膜在不同温度点下的透氧量组成，每一种薄膜有两条对应的曲线，一条（深蓝、明黄、紫色）是通过实际测试数据绘制的，另一条（淡紫、天蓝、褐色）是通过拟合数据绘制的，每一种薄膜的测试数据曲线与拟合数据曲线都重合地非常好。
通过DCFP技术可获得材料在非常规温度下（例如，超过100℃或者低于0℃）的阻隔性数据也是非常方便的，图4就是通过 DCFP技术得到的PET（20μm）透氧量在-173℃到177℃之间随温度变化的曲线。
图4. PET薄膜的透氧量随温度变化的曲线
将DCFP技术用于获得不同温度点的材料阻隔性数据具有相当高的准确性，可以在保证材料阻隔性能的前提下为适当调整材料厚度达到最经济状态提供有效的解决方法。而且，DCFP技术在应用和推广上还具有很多优势：第一，结果精度高；第二，成本低；第三，使用非常方便、快捷。
3.DCFP技术的应用
包装材料的阻隔性能受温度的影响非常显著，而每种材料的阻隔性能受温度的影响又各不相同，因此只有掌握了材料的温度特性，才能更好地将其应用于实际包装。通过DCFP技术可以准确、简单、方便、经济地获得材料在非常规温度下的阻隔性数据，它的应用能大大降低获得材料在实际使用温度点阻隔性数据的困难，可有效解决由于使用温度与测试温度不同而导致的产品损失。
本文标题：数据拟合在软包装阻隔性测试中的应用
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