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1、铝箔复合软包装材料阻隔性探讨广州市冠誉铝箔包装材料有限公司 廖启忠Tel:13503000534 E-mail: 摘要：本文对影响铝箔复合软包装材料阻隔性能的因素进行了探讨，对铝箔针孔与铝箔复合材料阻隔性能的关系进行了理论推导，得出了理论公式，讨论了PE等材料的厚度对铝箔复合材料阻隔性能的影响。文章还对铝箔复合软包装氧气透过率和水蒸气透过率的检测进行了比较分析，指出了目前测试中存在的一些问题。文章最后还从包装、运输、销售的全过程出发探讨了包装件全过程的整体阻隔性能。一、概述包装材料除了美观和防护外，最重要的性能就是阻隔性能，铝箔作为一种金属材料，具有无毒、无味、有优良的导电性和遮光性，极高的防
2、潮性、阻气性，其阻隔性能是任何其它高分子材料和蒸镀薄膜无法比拟和无法替代的。也许正是由于铝箔是完全不同于塑料的金属材料，其性能和特性未被许多人认识，甚至产生许多认识误区。比如一种观点认为铝箔和塑料复合后的阻隔性能等于纯铝箔的阻隔性能与塑料膜的阻隔性能的简单叠加 = + ,其实这是错误的，因为这一简单叠加原理的前提条件是，两层材料各自微观均匀，界面上的扩散物的浓度均一，界面上浓度梯度为零。而铝箔复合材料中，由于针孔的存在完全不符合这些条件，铝箔复合材料中针孔位置上扩散的浓度明显高于其它位置。也有另一种观点认为铝箔复合材料的透气率等于塑料材料的透气率乘以铝箔中针孔的面积比例，同样是错误的，因为不单
3、纯是铝箔针孔部位的塑料透气，铝箔针孔附近的塑料也参与了透气。有人认为铝箔复合材料中把塑料的厚度增加一倍，其阻隔性能就增加一倍，其实这也是错误的，当铝箔的针孔大小与塑料的厚度相比足够大时，确实塑料膜的厚度增加一倍其阻隔性能也增加一倍，但当铝箔的针孔大小与塑料的厚度相比足够小时，增加塑料的厚度，对复合材料整体的阻隔性能基本没有影响。有人认为，只要铝箔中针孔的面积比例一样，大而少的针孔与小而多的针孔的效果是一样的，这其实也是错误的。一般情况下相同针孔的面积比例，大而少的针孔的铝箔做出的复合材料的阻隔性能高。有人认为，只要复合材料的阻隔性能高，用它制成的包装件密封性能一定好，其实作为一个包装件，影响密
4、封性能的因素有渗透和泄漏，高阻隔性的材料只能说有很低的渗透，并不等于有很低的泄漏。而且作为铝箔复合材料与塑料不同，存在一个压穿和折裂的问题。铝箔复合包装材料在包装产品的成型、充填、热封、杀菌以及运输和销售过程中，其高阻隔的铝箔层可能产生不同程度的压断、折裂，从而使包装件的整体密封性能受到很大影响。二、铝箔的针孔纯铝箔是采用纯度99%以上的电解铝，经过压延制作而成的。金属铝具有高度致密的金属晶体结构，理论上完美的铝箔能完全阻隔任何气体、水蒸气和光线。但事实上，由于铝箔生产中的轧制工艺、轧制油的质量、轧制辊表面的状况、工艺操作技术及生产现场环境等诸多因素的影响，铝箔，特别是20um以下薄铝箔，不可
5、避免地产生各种缺陷，针孔就是其中最主要的一种。针孔的大小和数量是衡量铝箔产品质量水平的一个重要指标。也正是由于针孔的存在，使得铝箔的氧气透过率和水蒸气透过率并不为零。铝箔针孔的大小和数量对铝箔及其复合材料的防潮性、阻气性和遮光性有着决定性的影响。我国的国家标准GB 3198-82工业用纯铝箔对针孔作了规定“铝箔表面允许有迎光肉眼可见的针孔，但不得过大和过多，缠卷时不应引起断裂”，这其实是一种含糊其辞，没有约束力的规定。故1996年修订后的国家标准GB 3198-1996，对针孔作了具体规定“铝箔表面允许有对光用肉眼可见的针孔，但针孔不得密集成行，药用铝箔针孔直径不得大于0.3mm，并且不能超过
6、5个/m2。其它工业用纯铝箔针孔尺寸最大不得超过0.5mm。针孔数不得过多，其数量评价标准参见附录B。”，在标准的附录B中给出了针孔的检验方法和针孔数目标准（见表1）。表1 GB 3198-1996对铝箔针孔的规定公称厚度mm针孔数 个/m2 不大于优等品良好品合格品0.0060-0.008030060012000.0081-0.010501002000.011-0.0202040600.021-0.0501020300.05000注：铝箔针孔尺寸最大不得超过0.5mm表2 国外对铝箔针孔的规定 铝箔厚度mm针孔数 公司名称 个/m20.0060.0650.0070.0080.0090.012
7、0.0150.02德国HOVIS公司1000700500200100极少无日本东海金属500400400300200无注备大于0.1mm的针孔不允许，针孔一般为0.1-0.02mm正因为针孔是铝箔的重要指标，国外许多技术资料都对铝箔的针孔作了规定（见表2）。美国材料与实验学会标准ASTM B-479-85软包装阻隔用退火铝箔和合金铝箔技术标准规定：“不能有过多的针孔，大于0.05mm的铝箔应无针孔。”并在标准附录中给出了供参考的铝箔厚度与其水蒸气透过率的关系曲线（见图1）。日本工业标准JIS Z1520-1975复合铝箔标准同样也给出了复合用铝箔的水蒸气透过的参考数据（见表3）。 图1 AST
8、M B-479-85给出的铝箔水蒸气透过率的特征值表3 JIS Z1520-1975对铝箔水蒸气透过率的规定铝箔的厚度mm水蒸气透过率g/m2.24h0.007-0.0087以下0.009-0.0105以下0.013-0.0152.5以下0.0201.5以下0.025以上0注：检测方法JIS Z0208 检测条件：40 90%RH铝箔的针孔数目与铝箔的厚度有关，随着铝箔的厚度的增加，铝箔的针孔数迅速减少，铝箔针孔数的对数与铝箔的厚度基本成正比(3)，当铝箔的厚度达到20m时，铝箔可以达到完全无针孔。目前国内铝箔的质量水平与国外有较大差距，主要就表现在针孔的数量和大小上。国外标准规定铝箔厚度大于
9、0.020mm时应无针孔，而国内标准规定铝箔厚度大于0.050mm时才能无针孔；国外标准规定大于0.1mm的针孔不允许有，有资料表明优质铝箔的针孔平均孔径为15um(3)，而国内标准规定针孔最大尺寸可达0.5mm，同时按国标GB3198-1996工业用纯铝箔，针孔检验还不是出厂检验项目。实际上，国产铝箔质量不稳定，针孔时多时少，有些铝箔厂生产的铝箔，即使是厚度0.020mm的药用铝箔，其针孔尺寸也有时大于1.0mm，甚至大于2.0mm，对于0.007mm厚的铝箔，针孔常常是密密麻麻，数不胜数。提高铝箔质量，降低铝箔针孔的数目及大小，是当前国内铝箔厂急需解决的问题。三、针孔对铝箔复合材料阻隔性影
10、响的理论推导水蒸气透过率和氧气透过率是铝箔作为包装材料使用时的重要指标，其值一般很低。同时铝箔本身，特别是厚度为0.01mm以下的铝箔其强度很低、易皱、易折裂、易产生针孔，因而纯铝箔的水蒸气透过率和氧气透过率的检测相当困难，检测数据的分散性大。铝箔针孔是铝箔产生透过性的唯一因素。相对而言，铝箔针孔的检测较为简单方便，一般实际应用中，也只检查铝箔针孔的大小和数量。如何从理论上建立铝箔针孔与铝箔的氧气透过率和水蒸气透过率的定量关系，不论在理论上，还是在实际应用中都具有重大意义。假设铝箔厚度为d，铝箔针孔为圆形，其半径为ro。铝箔将浓度分别为P和P的某种气体分开成足够大的A、B两个独立区，两区的气压
11、相等。假设气体是通过两个步骤进行扩散的，首先气体通过一个直径的2ro长度为（d + ）的圆柱形针孔扩散进入B区，然后再以半径为ro的半球面为中心，按半球面扩散的方式在B区进行扩散。又假设气体分子从A区通过第一步骤扩散到（d + ）位置而进入B区时的浓度与第二步骤气体分子在B区以半径ro的半球面为中心进行半球面扩散的初始浓度相等，均为Po，如图2。图2 纯铝箔气体透过率理论推导示图假设气体分子的扩散为简单分子扩散，无涡流扩散和漂流因数的影响，符合气体扩散定律。即单位时间内，单位面积上的气体透过量M与浓度梯度 成正比 M=D 其中D为气体的扩散系数，对于同一气体在同一介质中扩散，在同一温度和压力下
12、D为定值。从第一扩散步骤来看，在时间t内，通过面积为S的针孔进入B区的透过量J1为 J=D st J1=2r02Dt 从第二扩散步骤来看，B区的扩散是一个半球面形式的扩散。设以针孔为中心，半径为r(rr0)处有一半球面，其气体浓度为Pr，沿球面径向取微分厚度为dr的半球面，则半径为r处的半球面（面积为2r2）向外扩散的透过量J2为 J=D st J2=2r2D t 分离积分变量，两边积分可得 dr= 2DtdPr J2 ( - ) =2D（Po-Pr）t 对于足够大的空间B来说，ro很小。在rro处有Pr=P故有J2=2roD（Po-P）t对于稳定的扩散过程来说有J1=J2=J，故可得 J=2
13、roD(PO-P)t=2ro2Dt PO= J=ro2Dt由上式可知，纯铝箔的气体透过量与气体的浓度差成正比，与针孔半径和铝箔厚度的/(d+ro)成正比，当rod时与针孔半径成正比。若厚度为d的铝箔有n个半径分别为r1、r2rn的针孔，则该铝箔的气体透过量J为J=D（P-P）t对于水蒸气透过率的测试条件：温度38，湿度90%RH，通过查阅有关资料(1) 并计算得DH O=2.6710-5m2/S PH O=41.5g/m3。按日本东海金属的标准，设有一个0.007mm厚的铝箔每平方米有400个直径为0.1mm的针孔，则该铝箔的水蒸气透过率为J=D（P-P）t=2.6710-5(41.5-0)2436004000.000052 /(0.000007+0.00005)=5.3/m2.24h这一结果与日本工业标准JIS Z1520-1975的参考值基本相符。以上给出了铝箔针孔对纯铝箔阻隔性影响的定量公式。实际上铝箔极少单独作为包装材料使用，常常与其它材料复合后使用。复合后铝箔针孔对铝箔复合材料阻隔性能的影响又如何呢？下面我们作一个不
