PE、BOPP、PET三种薄膜对氧气与氮气阻隔性能的比较
摘要：PE、BOPP、PET是三种常普遍应用的包装材料，其阻隔性能有所不同。本文利用压差法原理分别测试了上述三种材质相同厚度下的薄膜样品的氧气透过量、氮气透过量，比较了三种样品对氧气、氮气的阻隔性能，并介绍了试验原理、测试设备参数及适用范围、试验过程等内容，为不同材料的气体阻隔性能的研究提供参考。
关键词：PE、BOPP、PET、氮气透过量、氧气透过量、压差法、压差法气体渗透仪、阻隔性能
1、意义
对气体的阻隔性能是薄膜材料的重要研究领域，根据具体应用的不同，材料的气体阻隔性能可分为对氧气、氮气、二氧化碳、氦气、水蒸气、六氟化硫等气体的阻隔或保存能力，由于气体的分子直径、临界温度以及气体分子与材料中的高分子相互作用不同，使得同种气体分子在不同材料中或不同气体在同种材料中的渗透能力存在差异。因此，不同气体在不同材料中的气体透过量并不相同，即需要根据实际应用对气体阻隔性能的需求选择合适的薄膜材料。对包装材料而言，防止产品氧化是包装材料的首要任务，其中充氮包装是实现这一功能的重要措施，所以，对氧气、氮气的阻隔性能是包装材料阻隔性的重要组成。
2、试验样品
本次试验以三种普遍应用的薄膜材料——聚乙烯(PE)、双向拉伸聚丙烯(BOPP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)为试验样品，分别测试这三种材料的氧气透过量、氮气透过量。
3、试验依据
通常采用压差法原理测试不同气体的透过量，试验过程依据GB/T 1038-2000《塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法 压差法》。
4、试验设备
因测试三种样品的气体透过量，为提高试验效率，选用三腔独立的设备VAC-V2压差法气体渗透仪进行试验，该设备由济南兰光机电技术有限公司自主研发生产。
4.1 试验原理
压差法原理是以当体积、温度不变时，气体压力与气体量成正比为测试依据。利用装夹的试样将设备的测试腔分成上、下两部分，上腔中充入一定压力的试验气体，下腔的体积固定且已知，并通过抽真空形成低压环境。试验时，上腔气体通过试样渗透到下腔中，引起下腔中气压增加，下腔中的压力传感器可实时监测下腔压力随渗透时间的增加情况，并据此计算单位时间内渗透过单位面积试样的气体量。
图1 VAC-V2压差法气体渗透仪
4.2 试验参数
设备的测试范围为0.05 ~ 50,000 cm3/(m2·24h·0.1MPa)，真空分辨率可达到0.1 Pa；控温范围为5℃ ~ 95℃，控温精度为±0.1℃；控湿范围为0%RH、2%RH~98.5%RH、100%RH，控湿精度为±1%RH，可满足客户不同试验条件下的检测需求；有三个完全独立的试验腔，可同时测试三种相同或不同的试样；可进行任意温度下的数据拟合，轻松获得极端测试条件下的试验结果；经过改制，本设备还可支持有DU气体、易燃易爆气体的测试；提供标准膜进行快速校准，保证检测数据的准确性和通用性；支持LystemTM实验室数据共享系统，统一管理试验结果和检测报告。
4.3 适用范围
(1) 本设备专业用于多种薄膜、片材试样在各种温度下的气体透过率、渗透系数、溶解度系数、扩散系数的测试。薄膜类包括各种塑料薄膜、纸塑复合膜、共挤膜、镀铝膜、铝箔、铝箔复合膜等膜状材料。片材类包括各种工程塑料、橡胶、建材等片状材料，如PP片材、PVC片材、PVDC片材。
(2) 本设备还可扩展到航空航天用材料、纸及纸板、漆膜、玻纤布、玻纤纸、化妆品软管片材、各种橡胶片材等材料的透气性测试。
(3) 本设备适用于多种气体的透过率测试，如氧气、氮气、二氧化碳、氦气、空气等。
(4) 本设备可满足多项国家和国际标准，如ISO 15105-1、ISO 2556、GB/T 1038、ASTM D1434、JIS K7126-1、YBB00082003等。
5、试验过程
(1) 用取样器分别从三种样品表面裁取3片直径为97 mm的试样。在设备的3个测试腔周边均匀涂抹一层真空油脂，然后依次放置滤纸、试样，轻轻按压试样与测试腔的接触部位，排除气泡，夹紧上腔盖。
(2) 设备连接氧气气源。在控制软件中设置试样名称、试样厚度、试验温度、湿度、试验模式等参数信息，点击试验选项，打开真空泵，试验开始。设备按照设定的参数进行试验，并在试验结束后显示试验结果。
(3) 三种试样的氧气透过量测试完成后，设备连接氮气气源，然后设置参数，依次开始氮气透过量的试验。
6、试验结果
PE、BOPP、PET三种样品的氧气透过量分别为1603.578 cm3/(m2·24h·0.1MPa)、625.068 cm3/(m2·24h·0.1MPa)、16.953 cm3/(m2·24h·0.1MPa)，氮气透过量分别为403.658 cm3/(m2·24h·0.1MPa)、120.697 cm3/(m2·24h·0.1MPa)、2.487 cm3/(m2·24h·0.1MPa)。
7、结论
本文通过一次试验、一台设备分别测试了3种样品、2种气体透过量的测试，试验效率及设备的性价比高，测试结果的精准性好。从试验结果来看，三种样品的氧气透过量、氮气透过量由高到低的顺序均为PE、BOPP、PET，说明PET样品对气体的阻隔性蕞高，其次为BOPP、PE；另外三种样品的氮气透过量均低于氧气透过量，这种差异则与氮气、氧气的分子直径有关，氮气的分子直径大于氧气的分子直径，样品中可供氧气渗透的自由体积更多，引起氧气透过量较高。
