第四節(jié)　包裝用復(fù)合薄膜示例

由多層不同的材料疊加而成的復(fù)合薄膜，通過不同材料間的性能間的增效效應(yīng)及互補，可以大幅度提高薄膜的性能并可開發(fā)出各種實用性好、價格適中的功能性薄膜。本節(jié)擬以示例的形式介紹一些與干法復(fù)合及無溶劑復(fù)合有關(guān)的高阻隔功能性包裝薄膜。

在我們生活的自然環(huán)境中，大氣中存在有氧氣、二氧化碳和水蒸氣等物質(zhì)，它們既是人類賴以生存的必要條件，然而也是引起眾多物質(zhì)破壞、變質(zhì)的常見因素，特別是氧氣和水蒸氣，常常是商品（尤其是食品、藥品之類的商品）儲存中腐敗變質(zhì)的重要因素。由于氧氣、二氧化碳和水蒸氣等成分的存在，或者通過物理作用，或者通過化學(xué)作用，或者通過生物作用，或者通過物理、化學(xué)及生物的綜合作用，導(dǎo)致商品變質(zhì)的事例比比皆是。例如干燥食品，因吸水（受潮）而軟化，喪失脆性；油炸食品（其中的易氧化成分）因氧化而“酸敗”；氧是許多好氧菌賴以生存的必要條件，氧的存在，常常會導(dǎo)致細(xì)菌的快速繁殖，成為引起食品腐敗變質(zhì)的常見原因，加工肉類食品因細(xì)菌繁殖而腐敗，都是這方面最具代表性案例。對于上述種種事件的抑制與避免，要求袋裝商品在選用軟包裝材料時，盡可能地采用具有良好阻隔性的材料，以便包裝袋內(nèi)，形成一個與大氣環(huán)境很好隔離的、不易導(dǎo)致商品變質(zhì)的獨立空間，確保袋中所包裝的物品，不受（或少受）大氣環(huán)境的影響，于是開發(fā)、應(yīng)用阻隔性薄膜的工作應(yīng)運而生。

自然環(huán)境中，對各種物質(zhì)變質(zhì)，影響最大的因素有大氣中水分、氧氣及其濃度等，其次是二氧化碳，然而由于在軟包裝領(lǐng)域中常見的聚烯烴類塑料，諸如聚乙烯、聚丙烯等，對水蒸氣和水都具有良好的阻隔性，因此通常所關(guān)注的阻隔性，主要是包裝材料對氧氣、二氧化碳以及氮氣等非極性氣體以及油類物質(zhì)的阻隔性能，所講的阻隔性也一般泛指材料對氧氣和二氧化碳等非極性氣體以及油類物質(zhì)的阻隔性能。嚴(yán)格地講，軟包裝材料的阻隔性，不僅僅包括對氧氣、二氧化碳等非極性氣體以及油類物質(zhì)的阻隔性，還應(yīng)考查它對水蒸氣的阻隔性，此外還有它對芳香類氣體的阻隔性等。

1.軟包裝材料阻隔性表征與分類

軟包裝材料對于氣體的阻隔性，以在一定條件下，每平方米、每天（24h）通過的氣體體積（mL）——氣體透過量予以描述（簡稱透氣量）。阻隔性薄膜的氣體透過量越小，其阻隔性越高，反之軟包裝材料的氣體透過量越大，其阻隔性差。

按照薄膜的透氧性的不同，可將薄膜粗略地分為三類：

①阻隔性薄膜［厚度為2.54μm的薄膜，透氧性≤5mL/（m2·24h·0.1MPa）］；

②隔性（中阻隔性）薄膜［厚度為2.54μm的薄膜，透氧性在5～200 mL/（m2·24h·0.1MPa）之間］；

③阻隔性（非阻隔性）薄膜［厚度為2.54μm的薄膜，透氧性>200 mL/（m2·24h·0.1MPa）］。

按照上述分類原則，常用的薄膜中，屬于高阻隔性的主要有EVOH及其復(fù)合材料、芳香尼龍MXD6及其復(fù)合材料、PVDC及其復(fù)合材料、含鋁箔層的復(fù)合材料、含高阻隔涂層的復(fù)合材料（包括含PVDC涂層、PVA涂層、EVOH涂層等）以及含高阻隔蒸鍍層的復(fù)合材料（包括含蒸鍍鋁層、蒸鍍氧化鋁層、蒸鍍氧化硅層等的材料）；中阻隔性薄膜主要有尼龍、滌綸及其復(fù)合材料等。

按薄膜對于水蒸氣的阻隔性，以在一定條件下，每平方米、每天（24h）通過的氣體質(zhì)量（g）——透濕量予以描述。按照薄膜的透濕性的不同，也可將薄膜粗略地分為三類：

①阻隔性軟包裝材料［厚度為2.54μm的薄膜，在23℃、65％RH條件下，透濕性≤2g/（m2·24h）］；

②阻隔性薄膜［厚度為2.54μm的薄膜，在23℃、65％RH條件下，透濕性2～20g/（m2·24h）］；

③阻隔性（非阻隔性）薄膜［厚度為2.54μm的薄膜，在23℃、65％RH條件下，透濕性>20g/（m2·24h）］。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T5048防潮包裝中，從實用的角度出發(fā)，不考慮包裝薄膜的厚度，只考慮薄膜的透濕度，把（40±1）℃、相對濕度80％～92％條件下，透濕量<15g/（m2·24h）的稱為3級防潮包裝薄膜；<5g/（m2·24h）的稱為2級防潮包裝薄膜；<2g/（m2·24h）的稱為1級防潮包裝薄膜。≥15g/（m2·24h）的則被排斥在防潮包裝薄膜之外。

2.阻隔性復(fù)合薄膜的具體示例

多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合薄膜，是阻隔性塑料軟包裝材料的常用結(jié)構(gòu)；而采用膠黏劑將兩種膜狀材料黏合制取復(fù)合薄膜的干法復(fù)合、無溶劑復(fù)合，是制造阻隔性復(fù)合薄膜最常應(yīng)用的復(fù)合工藝之一。

（1）含鋁箔的高阻隔性薄膜——蒸煮袋用薄膜　常見的含鋁箔的高阻隔性薄膜有BOPA/Al/CPP、BOPET/Al/CPP及BOPET/BOPA/Al/CPP、BOPET/Al/BOPA/CPP等幾種結(jié)構(gòu)，上述結(jié)構(gòu)的復(fù)合薄膜，由于有鋁箔層的存在，具有極好的阻隔性；鋁箔、BOPA、BOPET、CPP等材料均具有優(yōu)良的耐高溫的性能，當(dāng)膠黏劑選擇得當(dāng)，制得的復(fù)合薄膜可應(yīng)用于121℃及135℃的高溫蒸煮滅菌（目前多通過干法復(fù)合制造）。鋁塑型蒸煮薄膜所包裝的蒸煮食品，被人們譽之為“軟罐頭”，由于食品經(jīng)過高溫滅菌處理，且包裝袋具有很高的阻隔性，能有效防止大氣中的氧進(jìn)入袋中，因此蒸煮食品具有特別長的貨架期（保質(zhì)期可達(dá)半年以上或更高）。蒸煮薄膜的物理力學(xué)性能如表1-41所示［14］。

（2）含PVA涂層的阻隔性包裝薄膜　PE薄膜是目前價格最便宜使用量最廣的塑料薄膜之一，PE薄膜本身的防潮性好，但阻氧性很差，PE薄膜通過涂布PVA改性之后，不僅具有優(yōu)良的防潮性能，阻隔氧氣的性能也大幅度提高，但PVA的耐濕性差，如果PVA涂層暴露在空氣中，直接與大氣接觸，PVA會吸收空氣中的水蒸氣，在吸濕后，阻隔氧氣的性能會大幅度降低；在PVA的涂布面，復(fù)合一層PE薄膜，還可以進(jìn)行里印，改善印刷效果，復(fù)合后PVA涂層兩側(cè)均受到PE層的保護(hù)，即使在潮濕的環(huán)境中，也能具有優(yōu)良的阻隔性能。

示例：黑白PE（75μm）/PVA涂層/油墨印刷層/膠黏劑/透明PE（23μm）的復(fù)合薄膜，透氧率可低達(dá)1cm3/（m2·24h·0.1MPa）左右，它作為一種高阻隔性包裝材料，以其低廉的價格、優(yōu)異阻隔性能和良好的環(huán)境保護(hù)適應(yīng)性十分引人注目，是一種性價較好，競爭力較強的新產(chǎn)品，值得我們高度關(guān)注。黑白PE（75μm）/PVA涂層/油墨印刷層/膠黏劑/透明PE（23μm）膜的物理力學(xué)性能見表1-42。

應(yīng)用黑色的PE基膜，具有良好的遮光效果，有效地防止紫外線對內(nèi)容物的危害；

如采用本色的薄膜為PVA的涂布基膜，則最終的復(fù)合薄膜不僅具有極佳的阻隔性，而且具有良好的透明性。

（3）含氧化硅（SiOx）蒸鍍層的高阻隔復(fù)合薄膜　在塑料薄膜的表面，蒸鍍一層薄薄的氧化硅，可以得到一種高透明的高阻隔性薄膜，而且其阻隔性受溫度的影響較小，即使在高溫條件小下，仍保有很高的阻隔性。含SiOx蒸鍍層的阻隔性包裝薄膜的透氧及透濕性能見表1-43。

蒸鍍型氧化硅阻隔性包裝薄膜的一些特性表述如下。

①阻隔性與涂層膜厚有關(guān)。蒸鍍型氧化硅阻隔性包裝薄膜SiOx蒸鍍層的厚度低于50nm時，阻隔性隨著涂層厚度的增加而增加，當(dāng)SiOx蒸鍍層的厚超過50nm后，薄膜的阻隔性能基本保持不變，趨于一個定值。

②阻隔性與蒸鍍涂層的組成及構(gòu)造間的關(guān)系。蒸鍍型氧化硅阻隔性包裝薄膜的蒸鍍涂層，是Si3O4、S2O3和SiO2等物質(zhì)的混合物，可用SiOx表示，通常SiOx中x的值控制在1.5～1.8之間。SiOx阻隔性包裝薄膜的阻隔性能，隨著SiOx的x值的增大而減小，同時膜層的顏色隨著x的增大而變得更加無色透明，當(dāng)x值達(dá)到2時，阻隔性能最差，鍍SiOx層完全無色透明［23］。

③阻隔性與環(huán)境溫度間的關(guān)系。通常有機(jī)聚合物的物質(zhì)透過率對溫度的依賴系數(shù)較大，隨著溫度的上升，其阻隔性顯著下降，與此相反，無機(jī)物的溫度依賴系數(shù)較小，阻隔性的變化比較小，即使在高溫情況下，氧化硅蒸鍍膜也表現(xiàn)出極優(yōu)良的阻隔性，因此作為蒸煮包裝薄膜的基材使用具有獨到的優(yōu)勢。

④蒸鍍型氧化硅阻隔性包裝薄膜的蒸煮性。蒸鍍型氧化硅阻隔性包裝薄膜鍍層具有良好的耐高溫性能，而且鍍層與基膜間的結(jié)合牢度高（特別是化學(xué)蒸鍍產(chǎn)品），PET等耐高溫基材的蒸鍍型氧化硅阻隔性包裝薄膜，可以用于蒸煮薄膜的基材使用，但要獲得好的使用效果，只須注意與之配伍的熱封層基膜和黏合劑的選擇。

首先由于在蒸煮過程中，氧化硅鍍膜會受到與之配伍的其他材料（黏接劑，熱封薄膜等）熱膨脹所產(chǎn)生的應(yīng)力作用，這種應(yīng)力絕對不能超過鍍膜的強度，否則會引起涂層的破壞，因此與之配伍的基材，應(yīng)當(dāng)具有和它的相當(dāng)?shù)臒崤蛎浵禂?shù)。在基材具有相當(dāng)?shù)呐蛎浭湛s量時，剛性的大小也應(yīng)該作為主要因素加以考慮，應(yīng)當(dāng)選擇楊氏模量小的基材。表1-44列出了蒸煮條件下，膨脹收縮及楊氏模量不同的幾種市售的蒸煮用CPP熱封膜，與蒸鍍型氧化硅阻隔性包裝薄膜（GT薄膜——基膜為聚酯薄膜的蒸鍍型氧化硅阻隔性包裝薄膜）配伍，制得的蒸煮薄膜，蒸煮后薄膜阻隔性的變化。表1-44中CPP薄膜的膨脹收縮量數(shù)據(jù)，是GT薄膜膨脹量為100時的相對值。從表1-44中所列的、蒸煮后的氧氣透過性可以看出，B型CPP薄膜與GT薄膜的膨脹收縮量相近，楊氏模量也比較小，使用它作為熱封層時，蒸煮時薄膜的阻隔性下降較小，作為蒸煮薄膜的熱封層，是比較適合的。

①楊氏模量：125℃下的值（用TMA測定）。
②CPP變形：蒸煮中的拉伸（這是將GT膜的拉伸作為100時的相對值）。
③氧氣透過性：mL/（m2·24h），（室內(nèi)條件25℃，100％RH）（125℃蒸煮20min后）。

除了注意選用配伍的熱封層基材外，還需要注意黏合劑的影響。蒸鍍型氧化硅阻隔性包裝薄膜與熱封層經(jīng)干法復(fù)合（原則上也可考慮應(yīng)用無溶劑復(fù)合）制造蒸煮薄膜時，希望黏合劑在蒸煮過程時比較柔軟，以便在其他材料的變形傳到蒸鍍膜時，起到一個緩沖的作用，常用的聚氨酯系列的蒸煮型黏合劑，對氧化硅蒸鍍膜也可以表現(xiàn)出極優(yōu)良的阻隔性，可在小樣試驗認(rèn)證之后應(yīng)用。