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數(shù)據(jù)擬合在軟包裝阻隔性測(cè)試中的應(yīng)用
摘要: 對(duì)于食品、藥品、化妝品等多數(shù)日化產(chǎn)品以及部分工業(yè)制品，采用高阻隔性包裝材料進(jìn)行產(chǎn)品的包裝對(duì)延長(zhǎng)包裝內(nèi)容物的保質(zhì)期及提高內(nèi)容物保存質(zhì)量都是非常有效的，然而包裝材料的阻隔性能會(huì)受環(huán)境因素的影響而變化，以受溫度的影響zui為顯著。同時(shí)由于不同的材料其分子結(jié)構(gòu)存在差異，因此材料的阻隔性能受溫度影響而出現(xiàn)的變化也不相同，因此每種材料都需要進(jìn)行獨(dú)立的溫度影響分析，而借鑒其他材料在特定溫度點(diǎn)的阻隔性數(shù)據(jù)進(jìn)行推斷是不可行的。然而在進(jìn)行阻隔性參數(shù)測(cè)試時(shí)，在常規(guī)溫度下（例如：10℃~50℃）的阻隔性參數(shù)可通過直接試驗(yàn)的方式獲得，而要實(shí)際進(jìn)行非常規(guī)溫度下（如：冷藏、高溫消毒等溫度）的阻隔性能不但需要特制耐熱、耐寒性能的設(shè)備而且也需要?jiǎng)?chuàng)造特殊溫度的試驗(yàn)環(huán)境，因此測(cè)試難度大大提高，測(cè)試經(jīng)濟(jì)性大大降低。非常規(guī)溫度下的阻隔性參數(shù)具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用意義，僅參考常溫測(cè)試數(shù)據(jù)而未考慮到特殊保存溫度而引起的材料選擇失誤非常多見，這有時(shí)會(huì)造成更加嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。阻隔性數(shù)據(jù)擬合應(yīng)用技術(shù)在軟包裝研究方面的應(yīng)用可有效地解決上述矛盾。阻隔性數(shù)據(jù)擬合應(yīng)用技術(shù)基于廣泛應(yīng)用的膜滲透理論模型，通過對(duì)常規(guī)溫度下的阻隔性測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析獲得非常規(guī)溫度下的阻隔性數(shù)據(jù)，整個(gè)過程無需創(chuàng)造特殊的試驗(yàn)環(huán)境，測(cè)試設(shè)備只需要在常溫范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，因此非常規(guī)溫度下阻隔性數(shù)據(jù)的獲得就變得簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)。通過大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證明阻隔性數(shù)據(jù)擬合應(yīng)用技術(shù)是科學(xué)的、客觀的。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)擬合，阻隔性，包裝材料，非常規(guī)溫度，軟包裝
（1） 
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關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)擬合，阻隔性，包裝材料，非常規(guī)溫度，軟包裝
*，氧氣、水蒸氣是導(dǎo)致食品、藥品、化妝品變質(zhì)失效的主要因素之一，因此材料的阻隔性能是評(píng)價(jià)包裝材料的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。然而，材料的阻隔性能與溫度有著極為密切的，溫度的變化會(huì)顯著影響材料的阻隔性能。因此，在進(jìn)行包裝設(shè)計(jì)之前需要獲得材料在實(shí)際使用溫度下的阻隔性參數(shù)。但是，很多材料的實(shí)際使用溫度并不在實(shí)驗(yàn)室常規(guī)溫度以及設(shè)備可控的溫度范圍之內(nèi)，例如冷藏、高溫消毒等溫度，我們將這些溫度稱為非常規(guī)溫度。
在非常規(guī)溫度下實(shí)際檢測(cè)材料的阻隔性能會(huì)遇到很多困難，例如，高成本、低效率、操作不方便等等，Labthink研發(fā)阻隔性數(shù)據(jù)擬合應(yīng)用技術(shù)（Data Curve Fitting in Permeation，簡(jiǎn)稱DCFP）來解決這些難題。通過DCFP技術(shù)，可以簡(jiǎn)單、方便、經(jīng)濟(jì)地獲得材料在非常規(guī)溫度下的材料阻隔性數(shù)據(jù)。
1. 溫度對(duì)阻隔性能的影響
1.1 影響原因
溫度升高對(duì)薄膜材料及滲透氣體都會(huì)帶來影響。對(duì)于薄膜，當(dāng)溫度升高時(shí)，聚合物內(nèi)聚度下降，會(huì)使聚合物自由體積增大，這樣滲透氣體分子在聚合物內(nèi)的擴(kuò)散阻礙會(huì)有效減小，擴(kuò)散速度加快。對(duì)于滲透氣體來講，溫度升高，氣體分子能量增大，使得它的能量更易達(dá)到在分子鏈間擴(kuò)散所需要的能量值，這樣氣體分子對(duì)聚合物的擴(kuò)散系數(shù)就會(huì)變大?？梢?，溫度升高，滲透變得容易，表現(xiàn)為材料的阻隔性能降低。無機(jī)氣體的滲透系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、溶解度系數(shù)與溫度的關(guān)系均服從Arrhenius方程：
（1） （2） （3）式中：P、D、S——滲透系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、溶解度系數(shù)
P0、D0、S0——與氣體－固體配偶有關(guān)的常數(shù)
EP、ED、ΔH——透過活化能、擴(kuò)散活化能、溶解熱
R——摩爾氣體常數(shù)，8.31441J/mol·K
T——溫度
從Arrhenius方程我們可以看出，溫度變化，P、D、S變化，材料阻隔性能也隨之變化。但材料阻隔性能受溫度影響的程度存在差異性，即不同材料受溫度的影響并不一致。
1.2 影響程度
為了觀察溫度波動(dòng)會(huì)給材料阻隔性能帶來影響的程度，現(xiàn)使用Labthink VAC-V1型壓差法氣體滲透儀，在0℃~70℃條件下，進(jìn)行PC膜（125μm）、PET膜（25μm）、PP膜（200μm）、PVDC膜（30μm）、鋁箔膜（100μm）的氧氣滲透性試驗(yàn)（參見圖1）。
圖1. 溫度對(duì)材料透氧量的影響
從圖1可以看出，除鋁箔試樣外，測(cè)試溫度對(duì)幾種試樣透氧量的影響都非常顯著，但是影響程度并不一致。對(duì)于PET薄膜來講，在40℃時(shí)的透氧量比在30℃時(shí)增長(zhǎng)了38％，PC薄膜40℃時(shí)的透氧量比30℃時(shí)增長(zhǎng)了20％，PP薄膜的增長(zhǎng)幅度為46％，PVDC薄膜的增幅更是達(dá)到了56％。隨著溫差的增大，材料的透氧量會(huì)繼續(xù)增大，甚至?xí)铀僭鲩L(zhǎng)。
1.3 溫度影響所導(dǎo)致的損失
產(chǎn)品在流通過程中所處的環(huán)境溫度與材料的檢測(cè)溫度難以保證一致，而溫度的變化會(huì)導(dǎo)致材料阻隔性能改變，由此引起的產(chǎn)品包裝不能滿足包裝預(yù)期效果的情況經(jīng)常發(fā)生。同時(shí)，如果用于包裝的阻隔性材料選擇不當(dāng)，會(huì)給企業(yè)帶來沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。而包裝設(shè)計(jì)失敗以及產(chǎn)品失效所帶來的損失并不于產(chǎn)品本身，給企業(yè)品牌以及企業(yè)形象所帶來的負(fù)面影響更是難以衡量。
2. *解決方案
2.1 阻隔性數(shù)據(jù)擬合應(yīng)用技術(shù)（Data Curve Fitting in Permeation）
在非常規(guī)溫度下實(shí)際檢測(cè)材料的阻隔性能會(huì)遇到很多困難。*：結(jié)果精度低，誤差難以控制；第二，設(shè)備制造難度大，測(cè)試成本很高；第三，測(cè)試效率低，操作不方便。然而阻隔性數(shù)據(jù)擬合應(yīng)用技術(shù)（DCFP）卻能很好地克服上述困難。簡(jiǎn)單的說，DCFP是以Fick定律、Henry定律、 Arrhenius方程等重要理論為依據(jù)，可通過常規(guī)條件下不同溫度點(diǎn)的阻隔性數(shù)據(jù)獲得任意溫度下的氣體滲透量、滲透系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)以及溶解度系數(shù)的阻隔性分析技術(shù)。使用DCFP技術(shù)時(shí)無需增加設(shè)備，而且只需要很短的時(shí)間就可以完成。
2.2 應(yīng)用試驗(yàn)
DCFP使用方便，大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證明，其實(shí)際應(yīng)用效果好、擬合精度高。由于篇幅所限，這里以對(duì)PET膜（20μm）、PP膜（200μm）、PVDC膜（30μm）的測(cè)試為例進(jìn)行介紹，其他材料的測(cè)試情況在此就不再給予一一介紹。Labthink實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)采用VAC-V1壓差法氣體滲透儀，常規(guī)測(cè)試范圍在0.1 cm3/m2•24h•0.1MPa～100000 cm3/m2•24h•0.1MPa，真空分辨率達(dá)0.1Pa，測(cè)試腔真空度可保證在20Pa以下?？稍谑覝氐?0℃范圍內(nèi)進(jìn)行控溫，溫控精度為±0.2℃。使用設(shè)備組成：Labthink VAC-V1壓差法氣體滲透儀，數(shù)據(jù)計(jì)算處理系統(tǒng)，真空泵（zui低真空0.1Pa），純度為99.9%的氧氣。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖2所示。
圖2. VAC-V1壓差法氣體滲透儀
利用設(shè)備自身的溫度控制功能，分別在23℃、25℃、30℃、33℃、35℃、37℃等溫度點(diǎn)下進(jìn)行5次以上透氧量檢測(cè)，然后使用DCFP技術(shù)通過這些溫度點(diǎn)下的透氧量數(shù)據(jù)獲得高溫以及低溫下的材料透氧量。同時(shí)進(jìn)行18℃、40℃、43℃、45℃、47℃、以及50℃下的透氧量檢測(cè)，并將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，參見圖3和表1。
圖3. 高、低溫度點(diǎn)的擬合數(shù)據(jù)及實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)
表1. PET材料在高、低溫度點(diǎn)的擬合數(shù)據(jù)及實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)
| 試驗(yàn)溫度 ℃ | 透氧量（平均值） cm3/m2·24h·0.1MPa | 滲透系數(shù)（平均值） E-12 cm3·cm/cm2·s·cmHg | 擬合透氧量 cm3/m2·24h·0.1MPa | 擬合滲透系數(shù) E-12 cm3·cm/cm2·s·cmHg | 誤差 |
| 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% |
圖3中的曲線由PET膜、PP膜、PVDC膜在不同溫度點(diǎn)下的透氧量組成，每一種薄膜有兩條對(duì)應(yīng)的曲線，一條（深藍(lán)、明黃、紫色）是通過實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)繪制的，另一條（淡紫、天藍(lán)、褐色）是通過擬合數(shù)據(jù)繪制的，每一種薄膜的測(cè)試數(shù)據(jù)曲線與擬合數(shù)據(jù)曲線都重合地非常好。
通過DCFP技術(shù)可獲得材料在非常規(guī)溫度下（例如，超過100℃或者低于0℃）的阻隔性數(shù)據(jù)也是非常方便的，圖4就是通過 DCFP技術(shù)得到的PET（20μm）透氧量在-173℃到177℃之間隨溫度變化的曲線。
圖4. PET薄膜的透氧量隨溫度變化的曲線
將DCFP技術(shù)用于獲得不同溫度點(diǎn)的材料阻隔性數(shù)據(jù)具有相當(dāng)高的準(zhǔn)確性，可以在保證材料阻隔性能的前提下為適當(dāng)調(diào)整材料厚度達(dá)到狀態(tài)提供有效的解決方法。而且，DCFP技術(shù)在應(yīng)用和推廣上還具有很多優(yōu)勢(shì)：*，結(jié)果精度高；第二，成本低；第三，使用非常方便、快捷。
3.DCFP技術(shù)的應(yīng)用
包裝材料的阻隔性能受溫度的影響非常顯著，而每種材料的阻隔性能受溫度的影響又各不相同，因此只有掌握了材料的溫度特性，才能更好地將其應(yīng)用于實(shí)際包裝。通過DCFP技術(shù)可以準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單、方便、經(jīng)濟(jì)地獲得材料在非常規(guī)溫度下的阻隔性數(shù)據(jù)，它的應(yīng)用能大大降低獲得材料在實(shí)際使用溫度點(diǎn)阻隔性數(shù)據(jù)的困難，可有效解決由于使用溫度與測(cè)試溫度不同而導(dǎo)致的產(chǎn)品損失。
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