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当包装的渗透和泄漏1

发布时间:2021-09-14 21:39:53 阅读: 来源:电热圈厂家
当包装的渗透和泄漏1

包装的渗透和泄漏

一、 概述

包装除了美观和物理防护外,其最重要的性能就是密闭性能,水蒸汽或气体进入或泄出包装的途径有三种:渗透和泄漏。

渗透是指气体或水蒸汽从高浓度区进入表面,通过向材料的扩散,而又从低浓度区的另一表面解吸,渗透的速度与包装材料的结构、厚度、厚度均匀性、温度、湿度等有关,同时也与扩散剂的种类有关。渗透对于包装件来说有二种,一是穿通包装材料的渗透,另一穿过包装件中包装材料结合处的渗透(如:热封的封口部分的热合处)。后一种渗透一般较小,往往容易被人们所忽视,但在某些特定条件下,对包装件的整体密封性可能会有很大的影响。对于高阻隔性的包装,为了整个包装件有较高的密闭性能,减少热封处的渗透,封口应有足够的宽度,使用的热封材料必须要有一定的阻隔性能。

泄漏是与渗透完全不同的两个概念。泄漏是指水蒸汽或气体通过材料的裂缝、微孔或两材料间的微小间隙而泄出或进入包装,它是对流(总压力梯度引起的强制流动)和扩散(浓度梯度引起的分子运动)两种作用共同组成的。泄漏的速度取决于泄漏孔隙的大小、包装件内的压力、扩散剂的种类以及环境的温度、湿度等。为了减少泄漏,对于机械结合密封的包装件来说,机械密封外应有足够且能持久的压力,机械密封界面必须具有足够的表面光洁度和相应的尺寸精度,两机械密封材料中最好有一种材料具有一定的弹性和较小的永久变形。对于热封密闭的包装,为了避免热封处的泄漏,必须要有良好的包装机械,控制好热封的时间、温度、压力以及冷压的时间、压力、温度等,同时热封层的厚度及包装材料的厚度也必须适当。当然包装袋的形式也对泄漏有很大影响,一般三边封袋要比中封袋、风琴袋、自立袋等发生泄漏的机率较小。

作为一个包装件,因为渗透和泄漏两者都可能同时存在的,所以大多数包装件的测试结果都是渗透和泄漏总和。在包装设计和应用中,将泄漏和渗透区分开来是很重要的,因为在整个包装的密闭性中,往往其中一种为主要影响因素。但是应清楚:不论泄漏是否主要因素,在一个包装中确定是否存在泄漏以及了解泄漏的位置、泄漏率,对整个包装的设计制造都是相当重要的。我国主要偏重于材料的渗透性(氧气和水蒸汽)的测试,缺少对包装件和产品的整体密闭性能的检验方法。对于包装件的泄漏,也仅有一些定性的检验方法。有些产品的包装,包装材料的测试结果是令人满意的,但在应用过程中却常常不如意,这是因为包装材料在其成型、充填、热封、杀菌以及贮存、运输、销售等过程中,材料的阻隔性能会发生变化,同时也会产生新的泄漏。由于最可靠的产品密闭性能都是靠最后的包装成品的测试来获得的,笔者认为,只要有可能就应该对包装件,而不仅仅对包装材料进行试验,这样才能给包装一个真实的评价。

二、 包装的渗透

包装的渗透性能一般分为气体透过率和水蒸汽透过率二类,而气体透过率一般又以对包装物影响较大的氧气为代表。

1气体透过率的检测

目前国内外常用的气体渗透性的测试方法见表1,从测试原理来分,有压差法和通过电量分析传感器的成份分析法两类。

压差法的测定原理是用试验薄膜隔成两个独立的空间,将其中一侧(高压室)充入测定用气体,而另一侧(低压室)则抽真空,这样在试样两侧就产生了一定的压差,高压室的气体就会通过薄膜渗透到低压室,通过测量低压室的压力或体积变化就可以得出气体的渗透率。压差法具有简单的、方便、可以测定各种气体,以及仪器设备价格较低等优点。我国唯一的气体透过率国家标准GB/T 1038-2000就是采用了压差法,我国目前企业和事业单位所使用的气体透过率测试仪器也基本上是压差法的仪器。但我们从实验原理和仪器的使用实践中都可以发现压差法具有如下明显的特点:

①压差法的测试条件为:高压室的扩散剂是绝对干燥的气体。实验中的相对湿度RH=0%,而许多包装在使用中,环境的相对湿度并非为RH=以乙酸乙酯、乙酸丁酯、增塑剂、金合欢烯为首的专用化学品0%,有些材料(如PA、EVOH等)的气体透过率还与环境的湿度有很大的关系。

②压差法的测试条件为中低压室是真空。在实际包装中仅真空包装符合这种条件,常见的包装内外压力是基本相等的。同时该测试结果是气体分子在气压差和浓度差的双重作用下透过试验薄膜时,因而测量结果常常编大。上海药用包装材料测试所应用美国摩根(MOCON)的透氧仪(试验时,两侧压力相等)与德国的压差法的透氧仪进行了对比实验,结果表明压差法的测量计算机控制系统对实验进程的控制和数据处理符合相应人造板材国家标准的要求结果偏大,特别是当氧气透过率小于5.0ml/m2. 24.h.1atm时更为明显。

③压差法的测试过程中材料的两侧存在压差,这会破坏某些较为脆弱的材料的结构,生产小的裂纹,针孔等缺陷,压差的存在还会使材料产生形变,使材料厚度变薄,透气面积增大,从而影响实验结果;测试过程中压差的存在,不利于试样的固定和密封,容易产生泄漏,而外界气体进入系统的低压室,检测系统又不能进行识别;试验材料两侧存在压差,因而在试验过程中的试验是要受外力的状态下进行测试的,材料的受力状态会改变材料的一些微观结果,因而会对材料的阻镉性能有一定的影响,虽然目前没有这方面的研究报告,但对于某些材料平说这是一个不能忽略的问题。

④压差法由于其检测手段的局限性,一般不能检测包装件的透气性,而包装性透气性对于评价包装的密闭是最可靠的。

⑤压差法由于其实验方法的局限性,仪器的精度较低,一般测量的最低量仅为1.0-3.5ml/m2.24h.1atm,目前该类仪器最好的也不过0.5ml/m2.24h.1atm,而且在低透过量的条件下,实验的重复性较差。

电量分析型氧气透过率测试仪的原理是用试验膜隔成两个独立的气流系统,一侧为流动的待测气体(可以是纯氧气或含氧气的混合气体,可以设定相对湿度),另一侧为流动的具有稳定相对湿度的氮气。试样两边的总气压相等,但氧的分压不同,在氧气的浓度差作用下,氧气透过薄膜。通过薄膜的氧气在氮气流的载运下送至电量分件传感器中,电量分析传感器能精确地测量出气流中所含的氧气量,从而计算出材料的氧气透过率。

电量分析型氧气透过率测试仪可以控制不同的湿度、温度及不同氧含量的气体等测试条件,能更有效地模拟包装在实际的使用条件,测试过程中试样两测压力相同,有利于减少试验过程中的泄漏和对试样的破坏,由于电量分析型氧气透过率测试仪能准确测定透过气体中氧气的成份,因而测试结果更准确、可靠。电量分析型氧气透过率测试仪由于其设计的合理及检测探头的高灵敏度,其检测精度相当高,检测最低量一般可达到薄膜为:0.01ml/m2.24h.1atm,包装件为:0.001 ml/tm。对于高精度的检测仪则检测最低量可达到薄膜为:0.001 ml/m2.24h.1atm,包装件为0.00005ml/24h.1atm,其精度比压差法高500倍。当然该仪器也有缺点,就是价格昂贵,生产厂家不多,而且其检测使用寿命不长,对于高氧气透过率的材料,测试过程中对检测探头的寿命影响不大,试验成本较高。

对于含铝箔的高阻镉性包装材料,其氧气透过率用压差法来检测是欠妥的,因为其氧气透过率较低,一般都在0.5ml/m2.24h.1atm以下。据了解,用美国摩根的电量分析型氧气透过率测试仪测量含铝箔的高阻镉性包装材料常常小于0.2ml/m2.24h,1atm。根据铝箔的针孔进行理论计算,一般良好的铝箔复合包装材料的氧气透过率小于0.1ml/m2.24h.1atm,其测量精度为0.3ml/m2.24h.1atm。显然不能满足检测含铝箔的高阻隔包装材料的要求。某药品包装材料检测站在一次抽检中,氧气透过量采用日本东洋精机的氧气透过率测试仪(压差法),结果所有含铝箔的复合材料全部不合格(0.5ml/m2.24h.1atm),而送至上海药品监督局包装材料科研检测中心采用美国摩根(mocon)的氧气透过率测试仪(电量分析型)检测却全部合格。对于PA和EVOH等氧气透气率与环境湿度影响较大的包装材料,因压差法只能在相对湿度RH=0%的条件下检测,因一般也应采用电量分析型氧气通过率测试仪进行检测。

目前我国所使用的氧气透过率检测仪器基本上上都是压差法的,而且以日本东洋精机的产品居多。国内氧气透过率仅有GB1038《塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法 压差法》这一标准,检测单位也由于标准的原因,而购买压差法的氧气透过率测试仪。目前制定一个类似ASTMD3985的电量分析法测量氧气透过率的国家标准,用于测定高阻隔性和湿灵感性复合包装材料的氧气透过率是相当有必要的。

2.水蒸汽透过率的检测

目前国内外常用的水蒸气透过率的测试方法见表2,从检测原理上来分,主要有称重法和红外检定法两类。

称重法的原理是先将一定的干燥剂(一般用无水氯化钙)放入透湿杯中,在透湿杯放上被检测的薄膜,并用蜡密封,使透湿杯内形成一个封闭的空间,将透湿杯放入恒温湿的环境中,水蒸气透过测试材料后被干燥剂吸收,以适当的时间称量透湿杯的增重,从而计算出水蒸气的透过率。作为透湿杯的发展变形,容器可以是袋、瓶或其它一些容器。称重量法具有简单、方便以及仪器设备价格低廉等优点。我国的GB/T1037-1998《塑料薄膜和片材透水蒸汽性试验方法 杯试法》、GB/T6982-1997《包装材料试验方法 透湿率》。GB/T6981-1986《硬包装容器透湿度试验方法》、GB/T6982-1986《软包装容器透湿度试验方法》都是采用称重法。但我们从其试验设计和实践中都可以发现称重法具有如下明显的缺点:

①称重法无法由于结构、环境问题在一个稳定的状态下进行实验。本来水蒸汽的透过是在一个渗透的平衡状态下测定的,扩散和渗透从一个非平衡态到一个平衡态需要一定的时间,这就是我们所说的平衡时间。而有些方法(如GB/T1037-1988)的试样是在23℃的绝对干燥条件下平衡30min后进行称量的,这必然会破坏原来测试条件下的扩散和渗透平衡,从而影响实验结果的准确性。GB/T16928-1997虽然已注意到了这一问题,规定 称量最好在试验环境中进行,否则称量时间不能超过30秒 ,但在实际操作中,很少把高精度的友谊提示:如有不清楚的地方天平放在38℃,相对湿度90%的条件下使用,称量时

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