| 摘要 |
本文通過大量實測數據證明了在壓差法透氣性檢測中，對試樣兩側施加不同的壓力差不會對透氣性試驗數據產生影響。 |
| 關鍵詞
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壓力差,壓差法,等壓法,透氣性
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有一種觀點認為在壓差法中氣體壓力差的存在會影響軟包裝高分子聚合物的結構狀態，進而會影響透氣性測試結果。蘭光實驗室與湖南工業大學（株洲工學院）合作針對壓力差對聚合物透氣性能的影響進行項目研究，通過大量實測數據分析證明壓差法中壓力差的存在不會影響材料透氣性。
在透氣性測試過程中對試樣結構進行監控是很難實現的，所以要考證聚合物材料在壓差法中是否因為壓力差的存在而產生材料結構狀態上的變化、並對壓力差的存在與材料透氣性測試數據的關系進行分析需要借助試樣的可測性能指標進行判斷。
1. 連續測試的數據重復性以及試樣厚度的變化量
如果氣體壓力差對試樣微觀結構的影響是使其由松散結構變的更加緊湊，即將結構松散的物質壓“實”， 並增加氣體透過的困難，那麼材料經受較長時間的壓力作用後其厚度會減小，同時透氣性測試數據應隨連續測試次數的增加而呈現出減小的趨勢。我們選擇鋁箔復合膜、PET薄膜、PC薄膜三種透氣性能分別屬於高阻隔、中阻隔、低阻隔三個范圍內的材料，對同一試樣進行連續多次透氣性測試，觀察測試結果的重復性以及測試前後試樣厚度的變化量並進行分析。測試設備選用Labthink
VAC-V1壓差法氣體滲透儀以及CHY-C2
測厚儀，實測數據列於表1中。
表1. 透氧量、試樣厚度實測數據表
試樣 | 透氣性檢測 | 厚度檢測（μm） | |
透氧量1 | 試驗溫度 | CV（％） | 試驗前 | 試驗後2 | Δd | |
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鋁箔復合膜 | 0.150 | 27℃ | 14.72 | 97.9 | 97.9 | 0 | |
0.202 | 28.1℃ | |
0.179 | 27.3℃ | |
PET薄膜 | 58.467 | 30.2℃ | 1.65 | 25.6 | 25.7 | 0.1 | |
58.770 | 29.6℃ | |
60.291 | 30.1℃ | |
PC薄膜 | 521.122 | 30.3℃ | 1.43 | 128.3 | 128.3 | 0 | |
536.198 | 30.4℃ | |
529.115 | 30.3℃ | |
注：1. 透氧量的單位是：ml/m2·24h·0.1MPa。
2. 厚度測量在試樣的有效試驗區域內進行，其他區域受真空酯的污染，測量意義不大。
分析數據可以看出透氣性測試數據基本保持不變，並沒有表現出隨測試次數增加而減小的趨勢，而且試樣的厚度在試驗前後也沒有出現變化，因此氣體壓力差會使得材料松散的結構變地更加緊湊進而影響透氣性測試結果的說法是不成立的。
2. 不同壓力差與材料透氣量的關系
理論上，試樣的透氣量、透氣系數與壓力差是無關的，即在不同的壓力差下檢測同一種材料，測得的透氣量與透氣系數應該是一致的。如果氣體壓力差對試樣微觀結構的影響是破壞材料結構，導致材料產生小的裂紋、針孔等缺陷，則測得的透氣量和滲透系數會隨著壓力差的增大而增大。相反地，如果材料兩側壓力差增大但透氣量和滲透系數保持不變，則可以證明壓力差的存在並沒有對材料的結構產生破壞。
蘭光實驗室自今年3月份以來，歷時3個月對八種十餘件試樣進行了在不同氣體壓力差下的大量試驗，試驗選擇在壓力差為30kPa、50kPa、70kPa、90kPa、110kPa、130kPa、150kPa這7個測試點下進行，在每個測試點下至少重復測試3遍，測試溫度均為40℃。選擇的試驗材料包括PC（125μm）、PC（175μm）、PET（12μm）、PET（23μm）、PET（25μm）、PA（35μm）、PE（40μm）、CPP（40μm）、OPP（38μm）等軟包裝材料中最常用的高聚物，還進行了PE/EVOH/PE（55μm）、PA/PE（80μm）等復合材料的檢測，材料涉及高、中、低阻隔性范圍，透氣量從1.5cm3/m2·24h·0.1MPa至7000cm3/m2·24h·0.1MPa。由於篇幅原因，實測數據請登陸Labthink網站查詢。這裡對PC（125μm）和PC（175μm）的透氣量與試樣兩側壓力差之間的關系、以及PET（12μm）、PET（23μm）、PET（25μm）的滲透系數與試樣兩側壓力差之間的關系進行對比，參見圖1、圖2。分析圖1、圖2可以明顯看出壓差法中壓力差的存在及變化對試樣的透氣量以及滲透系數沒有影響。
圖1
透氧量單位：cm3/m2·24h·0.1Mpa
圖2
滲透系數單位：(E-12)cm3·cm/cm2·s·cmHg
本次試驗獲得的數據重復性還是很好的，分析試驗數據可獲得明確的結論，即壓差法中壓力差的存在並沒有對材料的結構產生破壞，壓力差的存在以及變化確實沒有對試樣的透氣量和透氣系數產生影響。
3. IAPRI會議觀點以及國際同類研究進展
IAPRI 是國際包裝研究組織協會International Association of Packaging Research Institutes的縮寫，是全球范圍內的包裝技術研究組織。2007年度IAPRI技術會議於9月3日到5日在英國倫敦舉行。在本次會議上，壓力差對試驗數據不會產生影響的結論得到了各國專家學者的肯定與廣泛認同（參會IAPRI論文《塑料包材透氣性能測試研究——壓差對透氣性能的影響》已於2007年9月24日及10月15日分兩期在蘭光實驗室論壇發布），無獨有偶的是，遠在南美智利的協會成員也進行了類似的學術研究，得到與我們一致的結論。
智利方代表發表了《高壓處理對食品軟包裝材料機械性能、熱學性能、阻隔特性的影響》（INFLUENCE OF HIGH PRESSURE PROCESSING OVER MECHANICAL, THERMAL AND BARRIER PROPERTIES ON FLEXIBLE FOOD PLASTIC PACKAGING）一文，介紹了HPP處理過程對於食品軟包裝材料的機械性能、熱學性能以及阻隔性能三方面的影響。其中對於經受高壓處理的材料的阻隔性能研究正好可以為我們的研究課題進行內容補充：一方面可以擴大壓力范圍，當前我們的測試都是在通常的試驗壓力范圍內，受試驗設備的限制，無法模擬高壓以及超高壓的情況；另一方面，其中對於特殊涂層材料的研究可以給我們關於涂層材料的阻隔性能是否會受到壓力差的影響提供寶貴數據。高壓處理（HPP）以及超高壓處理是一種食品保存方法，應用超高壓技術加工食品能使食品中酶的活性降低、殺滅微生物、改變食品組分間的相互作用等，目前該方法在糧食、谷物、水果、海鮮、加工食品的保存中都有應用，該技術的關鍵是要使得物品在高壓環境中（一般是150 MPa～600MPa，相當於壓差法檢測中壓力的1500倍～6000倍）保存一段時間，然後再恢復常壓保存。其論文中對於試驗簡況以及試驗結果的描述如下：Pouches of different structures (PET/PE; PET-met/PE; PE/EVOH/PE and PPSiOx) containing distilled water or olive oil as food simulants were subjected to 400MPa, 30min and 20 or 60℃. Metalized and Si-covered materials were highly affecting its barrier properties, PET-met/PE increased its water vapour permeability nearby 40%, value depending on nature of phase contact (water or oil), and an increase of 50％ for oxygen permeability. Similar results were found for PPSiOx. No great modifications were found for PE/EVOH/PE and PET/PE.（對裝有蒸餾水或者橄欖油作為食品模擬物的由不同材料(PET/PE; PET-met/PE; PE/EVOH/PE and PPSiOx)制成的袋子在20℃或者60℃的環境下施加400MPa的壓力，並保持30min。對於金屬化材料以及鍍氧化硅薄膜，其阻隔性受到較大的影響，PET-met/PE的水蒸氣滲透性增長了近40％，具體數值根據內裝介質（蒸餾水或者橄欖油）的不同而異，氧氣滲透性增長了50％。對PPSiOx材料的檢測也出現類似的情況。但是對於PE/EVOH/PE以及PET/PE材料其阻隔性檢測數據卻沒有明顯變化。）具體測試數據見表2。考慮到在本次HPP處理中所施加的壓力是在壓差法測試中壓力的4000倍，而涂層材料在如此大的壓力下依然具有很好的阻隔性，可見這些材料的透氣性在壓差法測試中是不會受壓力差變化影響的。
表2. HPP處理前、後材料的阻隔性檢測數據表
| | Permeability WVTR (g/m2/24h) | Permeability OTR (ml/m2/24h) |
Packaging material | Phase Contact | Control | 400 MPa, 20°C | 400 MPa, 60°C | Control | 400 MPa, 20°C | 400 MPa, 60°C |
PE/EVOH/PE | Non | 3,3 | 3,4 | 3,5 | 0,9 | 1,0 | 0,8 |
| Aqueous | 2,9 | 2,8 | 2,8 | 0,8 | 1,1 | 0,9 |
| Olive oil | 2,1 | 2,0 | 2,2 | 0,9 | 1 | 1,1 |
PET/PE | Non | 4,2 | 4,0 | 4,2 | 7,2 | 7,1 | 7,3 |
| Aqueous | 4,1 | 4,0 | 3,8 | 7,5 | 7,0 | 7,1 |
| Olive oil | 4,2 | 4,0 | 4,1 | 7,0 | 6,8 | 7,1 |
PETmet/PE | Non | 7,2 | 6,9 | 7,1 | 19 | 47 | 55 |
| Aqueous | 7,0 | 8,6 | 10,9 | 18 | 35 | 48 |
| Olive oil | 6,7 | 8,4 | 9,6 | 5,2 | 7,8 | 8,1 |
PP/SiOx | Non | 6,2 | 7,0 | 7,2 | n.d | n.d | n.d |
| Aqueous | 6,0 | 9,0 | 9,3 | n.d | n.d | n.d |
| Olive oil | 5,9 | 8,7 | 9,0 | n.d | n.d | n.d |
*Control = non-HPP-treated 沒有進行HPP處理。
*n.d. = not determined 未測試。
4．總結
綜上所述，對於絕大多數薄膜（包括復合薄膜），壓力不會對材料的阻隔性造成影響。對於部分涂層材料（例如鍍鋁薄膜），只有在施加極大的壓力（400MPa）時其阻隔性能纔會出現變化，但在壓差法的壓力差范圍內（0.1MPa）是決不會產生影響的。為了得到更科學、更全面的結論，目前蘭光實驗室還在進行更寬范圍內的試驗驗證。
數據的穩定性與設備的精度、重復性、可靠性、試驗條件、試樣狀態、試驗操作水平等條件有著密切的關系，沒有經過客觀、科學、全面的試驗就不能下結論。當然隨意想象等壓法中就完全沒有壓力差、不會影響試驗數據，而壓差法中有壓力差就一定影響試驗數據的做法就顯得更加荒謬了。