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整體包裝滲透性測試的重要性
Importance to test the permeation of the package

Georgia Gu  美國MOCON（膜康）公司研究員

前言
隨著生活節(jié)奏的加快, 人們?nèi)找嬲J(rèn)識到包裝對食品,醫(yī)藥,電子等等產(chǎn)品的重要性。無論在還是國內(nèi)市場,對產(chǎn)品貨架壽命期望值的提高, 使得對包裝材料阻隔性要求也越來越高。 為了選擇合適的包裝材料,預(yù)測產(chǎn)品的貨架壽命,對整體包裝滲透性進(jìn)行測試是生產(chǎn)廠家應(yīng)該重視的問題。選擇了高阻隔材料, 并不一定代表用其做成的整體包裝也有高阻隔性。本文用奶粉包裝袋材料選擇的實(shí)例來說明整體包裝滲透性測試的重要性。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及測試方法
某公司生產(chǎn)嬰兒奶粉, 包裝袋大小為20cm x 10cm x 6cm。因?yàn)槟谭塾鲅鯕饣蛴鏊既菀鬃冑|(zhì), 必須采用高性能的阻隔材料。他們要求MOCON對五種多層結(jié)構(gòu)(見表1)的阻隔材料進(jìn)行透氧率(Oxygen Transmission Rate, 簡稱OTR)及透濕(Water Vapor Transmission Rate, 簡稱WVTR)的測定評估。所用的樣品為包裝袋以及從包裝袋上剪下的片狀樣品。這些袋子是已裝過奶粉并已經(jīng)歷了包裝后的運(yùn)輸過程度。

                                                       表1.  樣品結(jié)構(gòu)及編號

因?yàn)榭紤]到產(chǎn)品的投放市場在熱帶地區(qū), 固而確定了如表2所定的透氧率及透濕率測試條件。

                                                              表2. 測試條件及測試目的

片狀樣品的透氧率實(shí)驗(yàn)是在美國MOCON 公司的氧氣滲透測試儀OX-TRAN® Model 2/21(ASTM D-3985和ASTM F-1927)系統(tǒng)上完成的。OX-TRAN® Model 2/21符合ASTM D3985,實(shí)驗(yàn)過程遵守等壓法原理，用樣品在透氣室分隔成兩個(gè)獨(dú)立的氣流系統(tǒng)，一側(cè)為流動(dòng)的待測氣體（可以是純氧氣或含氧氣的混合氣體，可以設(shè)定相對濕度），另一側(cè)為流動(dòng)的氮?dú)庖员３盅鯕夂繛榱?。試樣兩邊的總氣壓相等，但氧氣的分壓不同，在氧氣的濃度差作用下，氧氣透過薄膜。通過薄膜的氧氣分子在氮?dú)饬鞯妮d運(yùn)下送電量分析傳感器(特制的庫倫傳感器)中，電量分析傳感器能地測量出氮?dú)饬髦兴难鯕饬?，從而?jì)算出材料的氧氣透過率。它適合于高阻隔薄膜材料或包裝體的測試。儀器在整個(gè)測試過程中對溫度、相對濕度、壓力控制。 它有兩個(gè)測試腔,每次可同時(shí)測定兩片樣品,或著兩個(gè)包裝體樣品。
      包裝袋透氧率測試是在美國MOCON 公司的氧氣滲透測試儀OX-TRAN® Model 2/61(ASTM D3985和ASTM F-1927)系統(tǒng)上完成的。它的操作原理與OX-TRAN® Model 2/21相同,但它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更適合于包裝體的測定, 它有六個(gè)測試腔, 每次同時(shí)可測六個(gè)樣品。

片狀樣品的透濕率實(shí)驗(yàn)是在美國MOCON 公司的水汽滲透測試儀PermatranW® 3/31（符合ASTM F-1249）上完成的。 實(shí)驗(yàn)過程遵守等壓法原理，樣品 的一側(cè)設(shè)置不同的相對濕度，另一側(cè)由流動(dòng)氮?dú)獯祾弑３指稍?，水汽分子從高濕度一端滲透到低濕度一側(cè)，并又載氣送特制的壓力調(diào)控紅外傳感器，傳感器接收水蒸汽，并將其轉(zhuǎn)換為電信號輸出。該儀器用壓力調(diào)節(jié)法產(chǎn)生35%90%RH范圍內(nèi)的任何相對濕度,或著采用100%RH。它適合于高阻隔薄膜材料或包裝體的測試。儀器在整個(gè)測試過程中對溫度、相對濕度、壓力控制。它有兩個(gè)測試腔, 每次可同時(shí)測定兩片樣品,或著兩個(gè)包裝體樣品。
      包裝袋透濕率測試是在美國MOCON公司的水汽滲透測試儀PermatranW® 3/61（符合ASTM F-1249）上完成的。它的操作原理與PermatranW® 3/31相同,但它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更適合于包裝體的測定, 它有六個(gè)測試腔, 每次同時(shí)可測六個(gè)樣品。

圖1. Ox-Tran 2/21 和Permatran W3/31外觀       圖2. Ox-Tran 2/61和 Permatran W3/61外觀

對片狀樣品的制備比較簡單, 只需把樣品從包裝袋上剪下即可。但對包裝袋的預(yù)處理較麻煩,因?yàn)闇y試過程須用空袋子, 而袋中裝有奶粉及量匙, 必須取出這些然后把袋子重新封口, 然后裝上細(xì)管, 如圖3所示。

因?yàn)榘b袋測定是在37C進(jìn)行, 測試時(shí)樣品須被放置在如圖4所示溫控箱內(nèi),并用細(xì)銅管將樣品與儀器聯(lián)接。

        圖3. 待測包裝袋                                                    圖4. 包裝測試溫控箱

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論:

表3表5列出了各項(xiàng)滲透率測定的平均值。

                                                       表3. 片狀樣品實(shí)際測得值

                                                        表4. 包裝袋理論估算值

                                                     表5. 包裝袋實(shí)際測得值

表3列出了片狀樣品的OTR和WVTR測得值, 它們都表現(xiàn)出很好的阻隔性,全部低于儀器能測得的低數(shù)值。用這些數(shù)值以及已知的袋子的尺寸(20cm x 10cm x 6cm), 可得出表4所列的包裝袋理論估算值, 而表5是包裝袋實(shí)際測得值, 從而可以看出所有的樣品都沒有達(dá)到由片狀樣品結(jié)果推算出的估算值, 實(shí)際情況的阻隔性變得糟糕很多,尤其是透氧率結(jié)果顯示出較廣的范圍。一般知道材料的阻隔性變差會(huì)縮短實(shí)際貨架壽命,從而影響產(chǎn)品聲譽(yù)。
造成這兩種結(jié)果差異原因有, 袋子加工過程,裝袋過程,封口以及運(yùn)輸過程都會(huì)對袋子質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。比如袋子加工過程或裝袋過程中袋子某些部位會(huì)受到拉伸使材料變薄,或者多層結(jié)構(gòu)中的鋁箔產(chǎn)生裂縫; 袋子的接縫或封口的熱封參數(shù)沒掌握好; 運(yùn)輸過程中的沖撞和震動(dòng),等等。對整體包裝阻隔性的測試能更準(zhǔn)確地預(yù)測產(chǎn)品的貨架壽命。只有采用等壓法原理的儀器(比如MOCON Ox-Tran 和MOCON Permatran)才能進(jìn)行包裝件的滲透性測試。

結(jié)論
由上述例子說明選擇了高阻隔材料, 并不一定代表用其做成的整體包裝也有高阻隔性。只有對整體包裝的阻隔性進(jìn)行了測試才能更準(zhǔn)確預(yù)測產(chǎn)品的貨架壽命。