郭彥峰,顏 鈺,劉 謹(jǐn),付云崗

(西安理工大學(xué)包裝工程系,陜西西安710048)

PET包裝薄膜滲透性能的影響因素分析

郭彥峰,顏 鈺,劉 謹(jǐn),付云崗

(西安理工大學(xué)包裝工程系,陜西西安710048)

研究了溫度、相對濕度、薄膜厚度對聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)包裝薄膜的滲透性能的影響規(guī)律,分析了PET包裝薄膜對氧氣(O2)、二氧化碳(CO2)氣體的選擇透過性,基于氣體分子滲透反應(yīng)動力學(xué)和回歸分析法獲得了滲透率的經(jīng)驗(yàn)公式。結(jié)果表明,PET薄膜、PET鍍鋁(PET/Al)薄膜對水蒸氣(H2O)、O2、CO2的滲透性能(透濕率、透氣率)隨著溫度的升高而增加,滲透率(透氣率、透濕率)的對數(shù)形式與熱力學(xué)溫度的倒數(shù)呈線性關(guān)系;相對濕度對12μm PET薄膜透濕率的影響最小,而對20μm PET薄膜、18μm PET/Al薄膜的影響稍明顯;PET薄膜對O2、CO2氣體具有顯著的選擇透過性,CO2透氣率是O2透氣率的約2倍,而PET/Al薄膜對O2、CO2氣體的透氣率都很低且差異甚小,具有優(yōu)異的阻透性能。

聚對苯二甲酸乙二醇酯;包裝;薄膜;透氣性;透濕性

0 引言

氣調(diào)包裝是一種利用選擇透過性塑料薄膜包裝易腐產(chǎn)品(如水果、蔬菜、食品)的保鮮技術(shù),成本低、貯運(yùn)方便,有利于延長這類產(chǎn)品的貯藏期、貨架壽命、品質(zhì)特性[1-5]。在氣調(diào)包裝系統(tǒng)環(huán)境中,通過塑料薄膜對H2O、O2、CO2氣體的選擇性滲透性能(或阻透性能),調(diào)節(jié)易腐產(chǎn)品的呼吸、蒸騰作用,從而實(shí)現(xiàn)易腐產(chǎn)品的保鮮貯藏[3-6]。因此,國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注適用于氣調(diào)包裝技術(shù)的選擇透過性塑料薄膜的制備及其滲透性能的研究 ,Lange、Rafael、Mangaraj等[7-9]認(rèn)為聚偏氯乙烯(PVDC)、PET、聚丙烯(PP)、聚乙烯 (PE)薄膜對O2、CO2氣體的透過性差,具有優(yōu)良的阻透性能,是重要的氣調(diào)包裝技術(shù)用薄膜。廖啟忠、杜振杰等[10-11]研究了雙向拉伸聚丙烯(BOPP)、PE鋁箔復(fù)合材料的阻透性能,龐然等[12]提出了非標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下薄膜透氣量的一種數(shù)據(jù)擬合方法,王京海[13]研究了食品包裝材料透濕性能的基本規(guī)律,潘松年[14]提出采用滲透反應(yīng)動力學(xué)理論來研究分析塑料薄膜的滲透機(jī)理和參數(shù)。本文針對課題組在果品(蘋果、獼猴桃)貯藏保鮮包裝技術(shù)中所采用的 PET類塑料薄膜,試驗(yàn)分析了溫度、相對濕度、薄膜厚度對 PET包裝薄膜的透氣性、透濕性的影響規(guī)律,分析了 PET包裝薄膜對O2、CO2氣體的選擇透過性,并利用氣體分子滲透反應(yīng)動力學(xué)、回歸分析法獲得了透氣率、透濕率的經(jīng)驗(yàn)公式,為這種薄膜在氣調(diào)包裝技術(shù)中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PET薄膜,12、20μm,西北復(fù)合包裝有限公司;

PET/Al薄膜,18μm,西北復(fù)合包裝有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

透氣性測試儀,BTY-B1,濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司;

透濕性測試儀,TSY-T1,濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司。

1.3 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

按照 GB/T 1038—1970測試樣品的透氣性能,固定相對濕度為60%,改變溫度進(jìn)行測試;

按照 GB 1037—1988測試樣品的透濕性能,相對濕度90%,改變溫度進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對PET薄膜滲透性能的影響

此節(jié)研究了在溫度變化、相對濕度不變時(shí),PET薄膜、PET/Al薄膜的滲透性能。如圖1所示,PET薄膜、PET/Al薄膜對 H2O、O2和 CO2的滲透性能(透濕率、透氣率)隨著溫度的升高而增加。首先,溫度的改變對 PET、PET/Al薄膜的聚合物狀態(tài)產(chǎn)生影響。當(dāng)溫度升高時(shí),熱運(yùn)動使得聚合物分子鏈構(gòu)象變化加快,H2O、O2和CO2滲透通過的空間增大,擴(kuò)散速度加快,即這3種薄膜對 H2O的透濕率、O2和CO2的透氣率都有所上升。其次,溫度升高對滲透氣體(H2O、O2和CO2)的分子動能產(chǎn)生影響。滲透氣體溫度升高,分子熱運(yùn)動加劇,其能量更易達(dá)到在分子鏈之間擴(kuò)散所需要的能量值,即滲透氣體對聚合物的透過量增大。

圖1 PET薄膜的滲透率隨溫度變化曲線Fig.1 Permeability curves of PET packaging films changing with temperature

無機(jī)氣體的滲透過程與薄膜的種類及厚度、環(huán)境溫濕度等因素密切相關(guān)。對于無機(jī)氣體(如O2、CO2、H2O),溫度對滲透速率有很大影響,在選擇包裝材料時(shí)要注意溫度的影響[2]。基于阿倫尼烏斯方程(Arrhenius Equation)、亨利溶解定律(Henry′s Law),PET包裝薄膜的滲透率隨溫度變化的關(guān)系描述為[14]:

式中 Q——包裝薄膜的滲透率(透氣率、透濕率)

d——包裝薄膜的厚度,μm

Δp——壓力差,MPa

E——活化能 ,kJ/mol

T——熱力學(xué)溫度,K

R——摩爾氣體常數(shù)

P0、k ——常數(shù)

由于Δp、P0、d、k、E、R 均為常數(shù) ,令,得到PET包裝薄膜的滲透率與溫度之間的經(jīng)驗(yàn)公式:

其中,a、b是經(jīng)驗(yàn)公式的2個特征參數(shù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),采用回歸分析法,計(jì)算得到特征參數(shù) a、b的值(如表1所示),由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的擬合數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性良好(如圖2所示),例如,18μmPET/Al薄膜的滲透率的經(jīng)驗(yàn)公式如式(3)所示:

表1 經(jīng)驗(yàn)公式的特征參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of experimental formulas

圖2 擬合數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較Fig.2 Comparison of fitting data and experimental results

2.2 相對濕度對PET薄膜透濕性能的影響

此節(jié)分析了溫度基本恒定、相對濕度變化時(shí)12μm PET、20μm PET薄膜和 18μm PET/Al薄膜的透濕性能。如表2所示,當(dāng)溫度基本恒定、相對濕度較高時(shí),相對濕度的變化、微小的溫度變化對這種薄膜透濕率的影響都較小,其中對12μm PET薄膜的影響最小,而對20μm PET薄膜、18μm PET/Al薄膜的影響稍微明顯一些。由于 PET薄膜屬于強(qiáng)極性分子,對O2、CO2等無機(jī)氣體的透過率幾乎不受環(huán)境濕度的影響,而在透濕過程中聚合物中水分子的存在增加了聚合物的自由體積(起到增塑劑的作用),從而改變了其對H2O的滲透能力。

表2 相對濕度對PET薄膜透濕性能的影響Tab.2 Relative humidity effects on water vapor permeability of PET films

2.3 其他因素對PET薄膜透氣性能的影響

2.3.1 薄膜類型、厚度的影響

PET是一種結(jié)晶聚合物,結(jié)晶區(qū)阻礙 O2、CO2、H2O分子的滲透,幾乎所有的滲透過程均發(fā)生在聚合物的非晶區(qū),即這些氣體分子必須在結(jié)晶區(qū)周圍尋找滲透途徑[6-8]。PET薄膜經(jīng)過真空鍍鋁后,表面形成稠密的鋁結(jié)晶層,阻礙O2、CO2等無機(jī)氣體順利穿過,且阻透性不隨溫度而發(fā)生明顯變化,對O2、CO2氣體的阻透性能提高了數(shù)十倍甚至近百倍。比較分析圖1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,得到以下結(jié)論:

(1)隨著溫度的升高,這3種 PET薄膜的滲透率(透氣率、透濕率)都有不同程度的上升,但 PET/Al薄膜的透氣率要明顯低于未鍍鋁PET薄膜,且受溫度影響較小,即 PET/Al薄膜的阻透性能更好,適用于果蔬、食品的氣調(diào)包裝材料;

(2)PET薄膜的厚度越大,則聚合物的密度越大,擴(kuò)散越不易進(jìn)行,故 20μm PET薄膜比 12μm PET薄膜的透氣量小,但透氣率與厚度并不呈線性關(guān)系。

2.3.2 氣體種類的影響

O2、CO2氣體分子都屬于非極性分子,在 PET聚合物中沒有與O2、CO2氣體分子發(fā)生特殊作用的官能團(tuán),故臨界溫度是控制溶解度的主要因素。CO2氣體的臨界溫度是31℃,遠(yuǎn)高于O2,它在PET薄膜表面的溶解度更大。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖3)得到以下結(jié)論:

圖3 PET薄膜對CO2、O2透氣率的比較Fig.3 Comparison of CO2and O2permeability of PET films

(1)12、20μm PET薄膜的 CO2透氣率明顯高于O2透氣率,且 CO2透氣率是O2透氣率的約2倍,這表明PET薄膜對O2、CO2氣體具有顯著的選擇透過性;

(2)PET/Al薄膜對 O2、CO2氣體的透氣率都很低,差異甚小,即 PET/Al薄膜具有優(yōu)異的阻透性能,但它對O2、CO2氣體沒有顯著的選擇透過性。

上述分析表明,PET薄膜、PET/Al薄膜對 O2、CO2氣體具有優(yōu)良的阻透性能、選擇透過性,適用于果蔬、食品的保鮮貯藏技術(shù),是一種優(yōu)質(zhì)的氣調(diào)包裝薄膜。在本項(xiàng)目組對陜西省白水縣10月中下旬采收的“紅富士”蘋果的自然氣調(diào)包裝技術(shù)實(shí)驗(yàn)中,在氣調(diào)包裝紙箱內(nèi)壁分別單獨(dú)粘貼了20μm PET薄膜、18μm PET/Al薄膜,紙箱內(nèi)還放置了蓄冷劑、水分吸收劑、乙烯吸收劑。對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,沒有采用薄膜的氣調(diào)包裝紙箱的保鮮貯藏期約20 d,采用20μm PET的氣調(diào)包裝紙箱可保鮮貯藏蘋果90 d,而選用 PET/Al薄膜的氣調(diào)包裝紙箱可保鮮貯藏蘋果120 d,即 PET薄膜、PET/Al薄膜有利于蘋果在非冷庫、非氣調(diào)庫條件下的保鮮貯藏。

3 結(jié)論

(1)PET薄膜對O2、CO2氣體具有顯著的選擇透過性,12、20μm PET薄膜的CO2透氣率明顯高于O2透氣率,且CO2透氣率是O2透氣率的約2倍;

(2)PET/Al薄膜對 O2、CO2氣體的透氣率都很低,具有優(yōu)異的阻透性能,但它對O2、CO2氣體沒有顯著的選擇透過性;

(3)這種PET薄膜、PET/Al薄膜可應(yīng)用于果品的氣調(diào)包裝紙箱技術(shù)。

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Analysis of Factors Influencing Permeability of PET Packaging Films

GUO Yanfeng,YAN Yu,LIU Jin,FU Yungang
(Department of Packaging Engineering,Xi’an University of Technology,Xi’an 710048,China)

The influence of temperature,relative humidity,and film thickness on the permeability of PET packaging films was investigated.Based on the gas molecular osmotic reaction kinetics,empirical equations for permeating rates of water vapor,O2,and CO2were formulated through regression analysis method.With the increasing of ambient temperature,the permeating rate of H2O,O2,and CO2through PET film and PET/Al film increased.The logarithm of permeating rate of H2O,and CO2was linearly related to the reciprocal temperature.In the 12μm-thick PET film,the permeating rate of water vapor was independent,in the 20μm-thick PET film and 18μmthick PET/Al film,that was weakly dependent of humidity.PET film had prominent permselectivity for O2and CO2,with the permeating rate of CO2being twice that of O2.The permeating rates of O2and CO2in PET/Al film were comparable,both lower than those in PET film.

polyethylene terephthalate;packaging;film;gas permeability;water vapor permeability

TQ323.4+1

B

1001-9278(2011)05-0060-05

2010-11-29

西安市科技局科技計(jì)劃項(xiàng)目(NC08018)

聯(lián)系人,guoyf@xaut.edu.cn