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镀铝薄膜透湿率与相对湿度间的非线性现象研究

发布时间:2022年04月29日    点击:[2]人次

镀铝薄膜透湿率与相对湿度间的非线性现象研究

摘要

在多个实验室之间的透湿率(WVTR)数据对比中, 镀铝薄膜的透湿率往往出现不一致现象。为了揭示镀铝薄膜透湿率不一致现象的奥密,本文作者对镀铝薄膜透湿率与相对湿度的关系进行了一系列深入研究。以某种多层结构镀铝薄膜为样品, 测试了其在50%, 75%, 90% 以及100%相对湿度条件下的透湿率, 并且对从不同的测试仪器和方法(包括ASTM F-1249, ASTM E-398)获得的结果进行了比较。本文实验结果表明镀铝薄膜材料与相对湿度间存在某种特别的非线性现象(NON-Fickian Behavior)。 很久以来人们已知道这种现象类似地存在于尼龙等对湿度敏感材料中。为了建立实验室间数据的可比性,本论文提出了一种有效的测试方法,并进一步阐述了在测试镀铝薄膜材料实验中精确控制相对湿度的重要性。

关键词

镀铝薄膜,透湿率,相对湿度,非线性

前言

随着软包装在食品及医药领域的广泛应用, 对软包装材料的阻隔性要求也越来越高。镀铝薄膜因其卓越的性价比,特别是高阻隔性以及光阻隔性等特点,使其在食品及医药软包装中占很大市场,有数据说55%的镀铝薄膜用于包装工业。当厂家有新的镀铝薄膜产品投放市场, 用户往往希望其提供由第三方测试所得的性能参数,比如透湿率等阻隔性数据。然而, 很长时间以来, 人们常常抱怨从不同的实验室进行测试难以获得一致的透湿率结果,实验结果呈现有实验方法或测试条件依赖性。另外的情况如下图两例实验所示,透湿率呈现出无休止的缓慢上升,使操作者难以判断何时终止实验。

这种现象类似地存在于尼龙等对湿度敏感材料中。当处于较高的湿度环境下,尼龙因其分子中的极性基团易与水结成氢键, 使高分子溶胀进而渐渐丧失阻隔性。人们称这种现象为非Fickian行为(NON-Fickian Behavior),意思为渗透率随湿度上升而非线性上升。对于大多数高分子材料来说因不含这种极性基团,渗透率随湿度上升是线性上升的, 称之为Fickian行为(Fickian Behavior)。而我们现在讨论的这种样品含有OPP/AL/PET结构, 通常人们认为它应该是有Fickian 行为的材料。

为了确认镀铝薄膜是否具有非线性行为,本文作者对镀铝薄膜透湿率与相对湿度的关系进行了一系列深入研究。

实验设计及测试方法

以上述多层结构镀铝薄膜OPP/AL/PET为样品, 测试了其在50%, 75%, 90% 以及100%相对湿度条件下的透湿率,并且采用了不同的测试方法(包括ASTM F-1249, ASTM E-398 )进行了比较。为了减少不确定因素,所有的测试都将样品的OPP一侧对着高的水汽一侧。

OPP/AL/PET样品的透湿率与湿度关系实验是在美国MOCON 公司的水汽渗透测试仪Permatran 3/33(符合ASTM F-1249,如图2-a,图2-b)上完成的。 实验过程遵守等压法原理,样品 的一侧设置不同的相对湿度,另一侧由流动氮气吹扫保持干燥,水汽分子从高湿度一端渗透到低湿度一侧,并又载气送至特制的压力调控红外传感器,传感器接收水蒸汽,并将其转换为电信号输出。该仪器用压力调节法产生35%至90%RH范围内的任何相对湿度。 它适合于高阻隔薄膜材料的测试。

在实验过程中,控制测试温度在37.8摄氏度,从50%RH开始测定,然后升高湿度至75%,90%和100%, 在每个湿度条件下测试48小时。

本研究还对该样品的透湿率进行了包括如下所列几种实验仪器和方法的比较:

MOCON Permatran W700 (符合ASTM F-1249), 其特点是测试只在100%RH条件下的透水率。实验过程遵守等压法原理,样品 的一侧设置100%RH,另一侧由流动氮气吹扫, 它采用与W3/33 相同的压力调控红外传感器。本机适合于对水汽不敏感的高阻隔薄膜材料的测试。

MOCON Permatran W398(符合ASTM E-398)。其特点是测试时样品的一边总是设为100%RH, 另一边可调相对湿度,调节范围为10%至50%。实验过程采用累积法原理, 传感器为特制的由多孔材料做成的湿度检测探头。本机比较适合于高透过,低阻隔材料的测试。

实验结果与讨论:

表1 陈列了OPP/AL/PET样品在50%, 75%, 90% 以及100%相对湿度条件下的透湿率,同时列出了假设样品符合Fickian 行为时的计算值。

表1. 透湿率与湿度关系 (测试仪器 Permatran W 3/31)

湿度 实验测得WVTR g/(m2-day)

%RH Cell A Cell B Average 计算值(Fickian 行为) g/(m2-day)

50 0.14 0.15 0.15 0.15

75 0.41 0.48 0.44 0.22

90 1.11 1.09 1.10 0.26

100 2.03 2.01 2.02 0.29

重复50%RH 0.79 0.77 0.78 0.15

进一步地, 我们把上列数据作图。如果这是一种Fickian材料,其透湿率与相对湿度应有如图所示线性关系。由实验获得的数据可以明显地看出该样品的透湿率与相对湿度呈现非线性关系,或者说非Fickian现象。比如当湿度从 90%RH变为100%RH,WVTR呈现成倍增长。上表中我们还列出了经一系列湿度 变化测试后,对50%RH的重复测定。结果显示已无法重复原先的数值,表明了样品在高湿度影响下阻隔性受损的不可逆转性。

表2是使用不同的测试方法(包括ASTM F-1249, ASTM E-398)得到的结果比较。

表2. 不同实验仪器及方法获得的透湿率(WVTR) 结果 (Permatran W3/33, W700, W398)

不同实验仪器及方法比较 湿度 RH% WVTR Cell A g/(m2-day) WVTR Cell B g/(m2-day)

Permatran W 3/33,

100%RH / 0%RH 100%RH 2.01 2.03

Permatran W 700,

100%RH / 0%RH 100%RH 1.59 2.11

W 3/33

90%RH / 0%RH 90%RH 1.11 1.09

Permatran W 398

100%RH / 10%RH

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