高阻隔性包装材料发展综述

董志远 王克俭

（北京化工大学机电工程学院成型制造研究中心,北京 100029）

一、概述

塑料包装的阻隔性能指的是包装材料，如包装薄膜、包装袋、塑料容器，对某些渗透对象——如氧气、水蒸气、空气、有机气体、光、热量等由其一侧通过包装渗透到达另一侧的阻隔能力，包括阻氧性、阻湿性、阻气性、阻光性[1]、隔热性等。

作为包装材料必须具备的一种基本功能，阻隔性能是考量每种包装材料的一项重要指标，尤其是食品、药品、电子元器件等对包装材料阻隔性的要求更高，这类包装材料需要阻止氧气、水蒸气、微生物、有机气体等物质的渗入以及光、热的传导，同时还要保证防污、防潮，维持包装内部环境稳定，延长食品、药品等被包装物的保质期[2]。

如今，聚合物的阻隔性能越来越受到关注。早期阻隔性高分子材料主要以单一的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚酰胺（PA）、乙烯乙烯醇共聚物(EVOH)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚偏二氯乙烯（PVDC）等为代表，但是大多数单一材料存在阻隔性能单一、机械强度低，印刷性差等局限性，目前已远远不能满足现今包装领域的市场要求。

二、常见的高阻隔材料

目前应用较为广泛且具有工业化生产前景的高阻隔材料主要有 PVDC、EVOH、PEN、PA、腈基树脂等。

其中，EVOH对气体的阻隔性最好，PEN对水蒸气的阻隔性最好[5]。在综合性能方面PVDC材料最优[6]。

1.PVDC

聚偏二氯乙烯 PVDC是偏氯乙烯(VCD）的均聚物，由于PVDC的分子结构对称，导致其具有很强的分子间作用力，链段堆砌紧密，结晶度高，因此PVDC共聚物对水蒸气及其它气体表现出高阻隔性。

另外，PVDC还具有保鲜性、防腐性、耐热性等优良性能，其阻隔性不受湿度的影响，目前已广泛用作食品、药品、化工、五金机械制品和军火工业领域的包装材料[7]。

PVDC应用形式广泛，可以作为阻隔层增加其他塑料薄膜的阻隔性能，是使用最多的高阻隔性包装材料。PVDC适宜于现代包装的优势使得其已逐渐在软包装领域发挥着不可替代的作用。

2.EVOH

EVOH是乙烯和乙烯醇的共聚物。由于EVOH中存在大量羟基，产生很强的分子间作用力，使得结晶度较高，聚合物链填充更紧密，EVOH便具有良好的阻隔性能，但其热封性较差。EVOH的阻隔性能受乙烯相对浓度的影响，当乙烯含量增加时，其性能趋近于聚乙烯，气体阻隔性下降[9]。

EVOH的另一个显著特点是加工性良好，熔融状态下较稳定，易于热成型加工及回收加工，绿色环保，不会造成环境污染。在包装领域，EVOH广泛应用于肉类无菌包装、化学药品、电子元件等包装及其他绿色包装行业。

3.PVA

聚乙烯醇 PVA是由聚乙酸乙烯酯水解得到的半结晶聚合物，其性质主要取决于其水解度、含水量和分子量。与EVOH相似，PVA分子链中存在大量极性羟基，分子链之间形成氢键，分子间作用力大大提高，促进PVA结晶，最终使得阻隔性提高[8]。

聚乙烯醇具有良好的透明性和韧性，与自然环境具有良好的亲和性，无污染，在潮湿的细菌环境中可完全分解。它的气密性优于干燥的PVDC，能透过水蒸气，但难透过有机溶剂蒸汽，惰性气体和氢气。由于生产成本较低，目前主要用于薄膜形式的食品包装。

4.PA

聚酰胺 PA俗称尼龙，是大分子主链重复单元中含有酰胺基团的高聚物的总称。PA具有良好的阻隔氧气、二氧化碳等气体的性能，其耐穿刺、耐油性很好，但在潮湿环境中它的阻隔性有明显下降。

PA的品种繁多，有PA6、PA66、MXD6等，均具有一定的阻隔性，但不属于高阻隔材料。

MXD6是一种从间二甲基胺和已二酸缩聚而成的尼龙薄膜，其气密性比PA6高10倍以上，它的最大特点是阻隔性不随湿度的上升而下降，因此国外普遍使用MXD6。

基于其较宽的加工温度，MXD6可以与 PP共挤出、与HDPE共挤吹塑。在工业上，MXD6主要以薄膜形式应用于包装材料，包括食品与饮料的包装、仪器设备包装等。

三、主要应用领域

1.食品包装

高阻隔性是食品包装的基本要求之一，阻隔性差会严重影响食品的品质，降低保质期，影响食品安全及企业效益。

影响食品贮藏品质的因素有很多，因食品种类和加工方式而异，主要有：空气、水蒸气、光、热、异味、微生物等，一旦渗透，很容易发生霉变等化学反应产生有害物质，危害人体健康。

食品包装阻隔性要求是由食品本身特性决定的，不同种类的食品对阻隔性要求也不同，主要分为对外阻隔、对内阻隔、互为阻隔、选择性阻隔等[10]。

各种高阻隔材料在食品包装行业应用广泛，PVDC薄膜具有收缩性、阻氧性、阻水性，在微波加热的条件下不分解，广泛用于家用保鲜膜；PVDC与PE、PP、HIPS等合成树脂多层挤出用于真空奶制品、果酱等包装材料，其拉伸性能较好，适于较大容积的包装；EVOH的阻氧性好，其复合膜常用于保鲜食品包装材料如香肠、牛奶等包装。

2.医药卫生

药品包装是指使用适当的材料或容器、利用包装技术对药物制剂的半成品或成品进行分（灌）、封、装、贴签等操作，为药品提供品质保证的一种加工过程的总称[22]。

药品包装材料需满足一定的机械性能、阻隔性能、良好的安全性能、合适的加工性能等要求。不管药品包装形式如何变化，阻隔性始终是考量包装材料的重要指标之一，采用高阻隔性包装材料可以有效提高药品的保存质量，避免在保质期内变质。

因此，高阻隔性包装材料在医药包装上得以迅速推广和应用[11]。根据对产品包装的不同要求，包装材料应对水分、水蒸气、空气、光、异味、热、微生物等具有一定的阻挡。PVDC与PE、PVC的复合片材适用于易吸潮、易挥发药品的包装；EVOH的阻氧性好，其复合膜常用于溶剂、医药的包装等。

3.其他领域

除食品及医药包装之外，高阻隔材料还广泛应用于化学品、军用品、电子元器件包装等，例如腈基树脂可以用于包装家用产品、汽车和工业产品或包装修正液、指甲油等化妆品；PVDC可用于军品包装，避免火药、炸药等敏感材料及精密仪器中的关键部位受潮失效。

四、阻隔性测试方法

塑料包装材料的阻隔性能一般是通过对气体透过量和水蒸气透过量的检测来检验的[12]。

1.气体透过量测试

气体透过量测试，又称透气性测试、阻气式测试，主要是考察薄膜、薄片对常见无机气体的阻隔性能，通常检测材料对氧气、二氧化碳、氮气等透过性能。

按测试原理，透气性测试可分为压差法、等圧法两大类[13～18]。

压差法是遵照标准GB/T 1038-2000《塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法 压差法》指定的方法，其原理是用试验薄膜划分出两个独立空间，一侧充入测试用的气体，另一侧抽真空，因为压力差的作用，高压室气体通过薄膜渗透到低压室当中，通过测量低压侧气体体积或压力的变化即可计算出气体透过量，得到该薄膜对测试气体的阻隔性能。

等压法是遵照标准 GB/T 19789-2005《包装材料 塑料薄膜和薄片氧气透过性试验 库仑计检测法》指定的方法，其原理是利用试样划分出两个独立的气流系统，分别充入流动的测试气体与氮气。保证薄膜两边的压力相等，但氧气分压不同。在氧浓度差的作用下，氧气透过薄膜并被氮气流送至传感器中，传感器即可精确测量出氮气流中携带的氧气量，从而计算出材料的氧气透过率。等压法的缺陷是目前无法满足多数材料的检测要求。

2.水蒸气透过量测试方法

水蒸气透过量测试方法，又称透湿性测试、水蒸气阻隔性测试，主要是考察薄膜、薄片对于水蒸气的阻隔性，是包装材料防潮性能的主要指标。通常分为称重法（又称为杯式法）和传感器法两种。后者的测试数据需由称重法数据进行标定，包括红外检定法、动态相对湿度测定法及电解分析法。

根据国家标准GB/ T 1037- 1988《塑料薄膜和片材透水蒸气性试验方法 杯式法》，杯式法原理是在规定的温度条件下，在试样两侧保持一定的水蒸气压差，然后利用称重传感器把透湿杯的重量变化测出来，再根据试样的面积、厚度、称量间隔时间以及试样两侧的湿度差计算出材料的透湿性能参数。

杯式法可分为增重法（渗透进入透湿杯）和减重法（渗透离开透湿杯）两种。

根据国家标准GB/ T 21529- 2008《塑料薄膜和薄片水蒸气透过率的测定电解传感器法》，电解分析法使用电解腔或电解池作为湿度传感器，试验薄膜将渗透腔分隔成一个干腔和一个湿腔，水蒸气从湿腔渗透通过试样后被携带至电解腔中，由电解腔测量载气的湿度，计算得试样的水蒸气透过量。

科学合理地选择和使用阻隔包装技术，正确选用阻隔性包装材料，不仅能保证被包装产品的品质，而且有利于降低包装成本，节约材料用量，对于拓展塑料包装领域，开发新型绿色环保包装材料具有深远意义。

五、未来发展

当前，在全世界食品、药品、化学品产品的强劲市场需求推动下，包装材料持续快速发展，产品对包装材料的要求更高，高阻隔膜材料发展迅速。

除此之外，为了提高塑料的阻隔性能，业界对现有的塑料包装材料进行改性。由于多层复合、共混、表面镀覆、表面涂布和拉伸取向等阻隔技术的推广，包装材料阻隔性能有了很大提高。

北京化工大学机电工程学院在已有研究基础之上，从创新层叠原理出发，开发了一种采用熔体扭转方法制备高阻隔性复合材料的新方法[19]；北京印刷学院等离子体物理及材料研究室设计加工了等离子体辅助化学气相沉积设备，推动了环保绿色高阻隔包装薄膜的产业化[20]；北京农学院食品科学与工程学院研发了一种可用于工业化生产的氧化硅涂覆技术[21]。

随着全球资源的逐渐紧缺，环境污染越发严重，同时国家持续完善环保政策，人们环保意识增强，开发环境友好高阻隔膜材料也逐渐成为社会热点。

可以预见，随着新材料和新技术的不断进步，高阻隔材料及相关技术在包装领域将会快速发展，应用范围将更加广泛。

[1]郭利春, 白雪, 胡新宇,等.包装材料阻隔性能对牛奶品质的影响[C]// 中国奶业协会2008年年会.2008.

[2]侯晓东, 李婷.包装材料阻隔性能测试标准的现状[J].塑料包装, 2017(4)：27-28.

[3]孔子文, 单宁, 伏阳,等.聚合物及其纳米复合阻隔涂层研究进展[J].塑料包装, 2017(4)：16-20.

[4]向贤伟, 黄杰.高阻隔材料的研究进展及其在军品包装中的应用[J].广州化工, 2016, 44(14)：35-36.

[5]史兆侠.阻隔性塑料包装的最新应用[J].国外塑料, 2008, 26(11)：76-77.

[6]赵江.透明包装与阻隔性[J].塑料制造,2006(1)：25-26.

[7]葛良忠彦, 陈昌杰.阻隔性包装材料的动向(上)[J].塑料包装, 2012(4)：57-60.

[8]郑可心，赵雄燕，姜志绘.软包装用高分子阻隔材料及相关技术研究进展[J].塑料科技，2018(2)：116-120.

[9]国栋, 张彤.高阻隔性透明包装[J].印刷质量与标准化, 2014(1).

[10]杨福馨, 刘宇斌, 杨婷.食品包装的强度及阻隔性[J].中国包装, 2001(5)：74-75.

[11]胡兴军.医药用塑料包装的主要形式及特点[J].广东包装, 2006：18-21.

[12]宋伟昌.塑料包材阻隔性测试及发展趋势[J].品牌与标准化, 2011(2)：12-13.

[13]刘红波, 姜方方.复合材料阻隔性测试原理及分析[J].化工管理, 2016(23).

[14]张目清.软包装阻隔性测试现状及发展趋势[J].中国包装工业, 2010(3)：32-33.

[15]麦永发.食品用包装塑料薄膜透气性能快速检测方法的建立[J].广东化工, 2016, 43(14)：237-239.

[16]郝文静, 周伟芳.塑料薄膜阻隔性能检测能力现状[J].中国食品工业, 2014(8)：40-41.

[17]王海燕.药包材阻隔性测试方法与选择[J].印刷技术, 2015(22)：25-27.

[18]王兴东, 赵江.药包材阻隔性检验方法介绍[J].中国医药工业杂志, 2007, 38(4)：86-91.

[19]王乾, 谢鹏程, 杨卫民,等.高阻隔性复合材料膜内层叠制备新方法[C]// 高分子学术论文报告会.2011.

[20]杨丽珍, 刘忠伟, 王正铎,等.环保、绿色高阻隔包装薄膜研发及其产业化[C]// 中国食品科学技术学会年会.2014.

[21]孙运金, 仝其根, 贾昌喜,等.氧化硅阻隔包装材料的制备及应用研究[C]// 中国食品科学技术学会年会.2014.

[22]陈文.药品的包装作用及要求[J].上海包装,2007(10)：24-25.