PET包装薄膜渗透性能的影响因素分析

郭彦峰,颜 钰,刘 谨,付云岗

(西安理工大学包装工程系,陕西西安710048)

PET包装薄膜渗透性能的影响因素分析

郭彦峰,颜 钰,刘 谨,付云岗

(西安理工大学包装工程系,陕西西安710048)

研究了温度、相对湿度、薄膜厚度对聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)包装薄膜的渗透性能的影响规律,分析了PET包装薄膜对氧气(O2)、二氧化碳(CO2)气体的选择透过性,基于气体分子渗透反应动力学和回归分析法获得了渗透率的经验公式。结果表明,PET薄膜、PET镀铝(PET/Al)薄膜对水蒸气(H2O)、O2、CO2的渗透性能(透湿率、透气率)随着温度的升高而增加,渗透率(透气率、透湿率)的对数形式与热力学温度的倒数呈线性关系;相对湿度对12μm PET薄膜透湿率的影响最小,而对20μm PET薄膜、18μm PET/Al薄膜的影响稍明显;PET薄膜对O2、CO2气体具有显著的选择透过性,CO2透气率是O2透气率的约2倍,而PET/Al薄膜对O2、CO2气体的透气率都很低且差异甚小,具有优异的阻透性能。

聚对苯二甲酸乙二醇酯;包装;薄膜;透气性;透湿性

0 引言

气调包装是一种利用选择透过性塑料薄膜包装易腐产品(如水果、蔬菜、食品)的保鲜技术,成本低、贮运方便,有利于延长这类产品的贮藏期、货架寿命、品质特性[1-5]。在气调包装系统环境中,通过塑料薄膜对H2O、O2、CO2气体的选择性渗透性能(或阻透性能),调节易腐产品的呼吸、蒸腾作用,从而实现易腐产品的保鲜贮藏[3-6]。因此,国内外学者广泛关注适用于气调包装技术的选择透过性塑料薄膜的制备及其渗透性能的研究 ,Lange、Rafael、Mangaraj等[7-9]认为聚偏氯乙烯(PVDC)、PET、聚丙烯(PP)、聚乙烯 (PE)薄膜对O2、CO2气体的透过性差,具有优良的阻透性能,是重要的气调包装技术用薄膜。廖启忠、杜振杰等[10-11]研究了双向拉伸聚丙烯(BOPP)、PE铝箔复合材料的阻透性能,庞然等[12]提出了非标准环境下薄膜透气量的一种数据拟合方法,王京海[13]研究了食品包装材料透湿性能的基本规律,潘松年[14]提出采用渗透反应动力学理论来研究分析塑料薄膜的渗透机理和参数。本文针对课题组在果品(苹果、猕猴桃)贮藏保鲜包装技术中所采用的 PET类塑料薄膜,试验分析了温度、相对湿度、薄膜厚度对 PET包装薄膜的透气性、透湿性的影响规律,分析了 PET包装薄膜对O2、CO2气体的选择透过性,并利用气体分子渗透反应动力学、回归分析法获得了透气率、透湿率的经验公式,为这种薄膜在气调包装技术中的应用提供了理论依据。

1 实验部分

1.1 主要原料

PET薄膜,12、20μm,西北复合包装有限公司;

PET/Al薄膜,18μm,西北复合包装有限公司。

1.2 主要设备及仪器

透气性测试仪,BTY-B1,济南兰光机电技术有限公司;

透湿性测试仪,TSY-T1,济南兰光机电技术有限公司。

1.3 性能测试与结构表征

按照 GB/T 1038—1970测试样品的透气性能,固定相对湿度为60%,改变温度进行测试;

按照 GB 1037—1988测试样品的透湿性能,相对湿度90%,改变温度进行测试。

2 结果与讨论

2.1 温度对PET薄膜渗透性能的影响

此节研究了在温度变化、相对湿度不变时,PET薄膜、PET/Al薄膜的渗透性能。如图1所示,PET薄膜、PET/Al薄膜对 H2O、O2和 CO2的渗透性能(透湿率、透气率)随着温度的升高而增加。首先,温度的改变对 PET、PET/Al薄膜的聚合物状态产生影响。当温度升高时,热运动使得聚合物分子链构象变化加快,H2O、O2和CO2渗透通过的空间增大,扩散速度加快,即这3种薄膜对 H2O的透湿率、O2和CO2的透气率都有所上升。其次,温度升高对渗透气体(H2O、O2和CO2)的分子动能产生影响。渗透气体温度升高,分子热运动加剧,其能量更易达到在分子链之间扩散所需要的能量值,即渗透气体对聚合物的透过量增大。

图1 PET薄膜的渗透率随温度变化曲线Fig.1 Permeability curves of PET packaging films changing with temperature

无机气体的渗透过程与薄膜的种类及厚度、环境温湿度等因素密切相关。对于无机气体(如O2、CO2、H2O),温度对渗透速率有很大影响,在选择包装材料时要注意温度的影响[2]。基于阿伦尼乌斯方程(Arrhenius Equation)、亨利溶解定律(Henry′s Law),PET包装薄膜的渗透率随温度变化的关系描述为[14]:

式中 Q——包装薄膜的渗透率(透气率、透湿率)

d——包装薄膜的厚度,μm

Δp——压力差,MPa

E——活化能 ,kJ/mol

T——热力学温度,K

R——摩尔气体常数

P0、k ——常数

由于Δp、P0、d、k、E、R 均为常数 ,令,得到PET包装薄膜的渗透率与温度之间的经验公式:

其中,a、b是经验公式的2个特征参数。根据实验数据,采用回归分析法,计算得到特征参数 a、b的值(如表1所示),由经验公式计算的拟合数据与实验结果的一致性良好(如图2所示),例如,18μmPET/Al薄膜的渗透率的经验公式如式(3)所示:

表1 经验公式的特征参数Tab.1 Characteristic parameters of experimental formulas

图2 拟合数据与实验结果的比较Fig.2 Comparison of fitting data and experimental results

2.2 相对湿度对PET薄膜透湿性能的影响

此节分析了温度基本恒定、相对湿度变化时12μm PET、20μm PET薄膜和 18μm PET/Al薄膜的透湿性能。如表2所示,当温度基本恒定、相对湿度较高时,相对湿度的变化、微小的温度变化对这种薄膜透湿率的影响都较小,其中对12μm PET薄膜的影响最小,而对20μm PET薄膜、18μm PET/Al薄膜的影响稍微明显一些。由于 PET薄膜属于强极性分子,对O2、CO2等无机气体的透过率几乎不受环境湿度的影响,而在透湿过程中聚合物中水分子的存在增加了聚合物的自由体积(起到增塑剂的作用),从而改变了其对H2O的渗透能力。

表2 相对湿度对PET薄膜透湿性能的影响Tab.2 Relative humidity effects on water vapor permeability of PET films

2.3 其他因素对PET薄膜透气性能的影响

2.3.1 薄膜类型、厚度的影响

PET是一种结晶聚合物,结晶区阻碍 O2、CO2、H2O分子的渗透,几乎所有的渗透过程均发生在聚合物的非晶区,即这些气体分子必须在结晶区周围寻找渗透途径[6-8]。PET薄膜经过真空镀铝后,表面形成稠密的铝结晶层,阻碍O2、CO2等无机气体顺利穿过,且阻透性不随温度而发生明显变化,对O2、CO2气体的阻透性能提高了数十倍甚至近百倍。比较分析图1的实验结果,得到以下结论:

(1)随着温度的升高,这3种 PET薄膜的渗透率(透气率、透湿率)都有不同程度的上升,但 PET/Al薄膜的透气率要明显低于未镀铝PET薄膜,且受温度影响较小,即 PET/Al薄膜的阻透性能更好,适用于果蔬、食品的气调包装材料;

(2)PET薄膜的厚度越大,则聚合物的密度越大,扩散越不易进行,故 20μm PET薄膜比 12μm PET薄膜的透气量小,但透气率与厚度并不呈线性关系。

2.3.2 气体种类的影响

O2、CO2气体分子都属于非极性分子,在 PET聚合物中没有与O2、CO2气体分子发生特殊作用的官能团,故临界温度是控制溶解度的主要因素。CO2气体的临界温度是31℃,远高于O2,它在PET薄膜表面的溶解度更大。分析实验结果(图3)得到以下结论:

图3 PET薄膜对CO2、O2透气率的比较Fig.3 Comparison of CO2and O2permeability of PET films

(1)12、20μm PET薄膜的 CO2透气率明显高于O2透气率,且 CO2透气率是O2透气率的约2倍,这表明PET薄膜对O2、CO2气体具有显著的选择透过性;

(2)PET/Al薄膜对 O2、CO2气体的透气率都很低,差异甚小,即 PET/Al薄膜具有优异的阻透性能,但它对O2、CO2气体没有显著的选择透过性。

上述分析表明,PET薄膜、PET/Al薄膜对 O2、CO2气体具有优良的阻透性能、选择透过性,适用于果蔬、食品的保鲜贮藏技术,是一种优质的气调包装薄膜。在本项目组对陕西省白水县10月中下旬采收的“红富士”苹果的自然气调包装技术实验中,在气调包装纸箱内壁分别单独粘贴了20μm PET薄膜、18μm PET/Al薄膜,纸箱内还放置了蓄冷剂、水分吸收剂、乙烯吸收剂。对比实验结果表明,没有采用薄膜的气调包装纸箱的保鲜贮藏期约20 d,采用20μm PET的气调包装纸箱可保鲜贮藏苹果90 d,而选用 PET/Al薄膜的气调包装纸箱可保鲜贮藏苹果120 d,即 PET薄膜、PET/Al薄膜有利于苹果在非冷库、非气调库条件下的保鲜贮藏。

3 结论

(1)PET薄膜对O2、CO2气体具有显著的选择透过性,12、20μm PET薄膜的CO2透气率明显高于O2透气率,且CO2透气率是O2透气率的约2倍;

(2)PET/Al薄膜对 O2、CO2气体的透气率都很低,具有优异的阻透性能,但它对O2、CO2气体没有显著的选择透过性;

(3)这种PET薄膜、PET/Al薄膜可应用于果品的气调包装纸箱技术。

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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

西安市科技局科技计划项目(NC08018)

联系人,guoyf@xaut.edu.cn