整体包装渗透性测试的重要性
Importance to test the permeation of the package

Georgia Gu  美国MOCON（膜康）公司高级研究员

前言
随着生活节奏的加快, 人们日益认识到包装对食品,医药,电子等等产品的重要性。无论在还是国内市场,对产品货架寿命期望值的提高, 使得对包装材料阻隔性要求也越来越高。 为了选择合适的包装材料,预测产品的货架寿命,对整体包装渗透性进行测试是生产厂家应该重视的问题。选择了高阻隔材料, 并不一定代表用其做成的整体包装也有高阻隔性。本文用奶粉包装袋材料选择的实例来说明整体包装渗透性测试的重要性。

实验设计及测试方法
某公司生产婴儿奶粉, 包装袋大小为20cm x 10cm x 6cm。因为奶粉遇氧气或遇水汽都容易变质, 必须采用高性能的阻隔材料。他们要求MOCON对五种多层结构(见表1)的阻隔材料进行透氧率(Oxygen Transmission Rate, 简称OTR)及透湿(Water Vapor Transmission Rate, 简称WVTR)的测定评估。所用的样品为包装袋以及从包装袋上剪下的片状样品。这些袋子是已装过奶粉并已经历了包装后的运输过程度。

                                                       表1.  样品结构及编号

因为考虑到产品的投放市场在热带地区, 固而确定了如表2所定的透氧率及透湿率测试条件。

                                                              表2. 测试条件及测试目的

片状样品的透氧率实验是在美国MOCON 公司的氧气渗透测试仪OX-TRAN® Model 2/21(ASTM D-3985和ASTM F-1927)系统上完成的。OX-TRAN® Model 2/21符合ASTM D3985,实验过程遵守等压法原理，用样品在透气室分隔成两个独立的气流系统，一侧为流动的待测气体（可以是纯氧气或含氧气的混合气体，可以设定相对湿度），另一侧为流动的氮气以保持氧气含量为零。试样两边的总气压相等，但氧气的分压不同，在氧气的浓度差作用下，氧气透过薄膜。通过薄膜的氧气分子在氮气流的载运下送至电量分析传感器(特制的库伦传感器)中，电量分析传感器能精确地测量出氮气流中所含的氧气量，从而计算出材料的氧气透过率。它适合于高阻隔薄膜材料或包装体的测试。仪器在整个测试过程中对温度、相对湿度、压力精确控制。 它有两个测试腔,每次可同时测定两片样品,或着两个包装体样品。
      包装袋透氧率测试是在美国MOCON 公司的氧气渗透测试仪OX-TRAN® Model 2/61(ASTM D3985和ASTM F-1927)系统上完成的。它的操作原理与OX-TRAN® Model 2/21相同,但它的结构设计更适合于包装体的测定, 它有六个测试腔, 每次同时可测六个样品。

片状样品的透湿率实验是在美国MOCON 公司的水汽渗透测试仪PermatranW® 3/31（符合ASTM F-1249）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,或着采用100%RH。它适合于高阻隔薄膜材料或包装体的测试。仪器在整个测试过程中对温度、相对湿度、压力精确控制。它有两个测试腔, 每次可同时测定两片样品,或着两个包装体样品。
      包装袋透湿率测试是在美国MOCON公司的水汽渗透测试仪PermatranW® 3/61（符合ASTM F-1249）上完成的。它的操作原理与PermatranW® 3/31相同,但它的结构设计更适合于包装体的测定, 它有六个测试腔, 每次同时可测六个样品。

图1. Ox-Tran 2/21 和Permatran W3/31外观       图2. Ox-Tran 2/61和 Permatran W3/61外观

对片状样品的制备比较简单, 只需把样品从包装袋上剪下即可。但对包装袋的预处理较麻烦,因为测试过程须用空袋子, 而袋中装有奶粉及量匙, 必须取出这些然后把袋子重新封口, 然后装上细管, 如图3所示。

因为包装袋测定是在37C进行, 测试时样品须被放置在如图4所示温控箱内,并用细铜管将样品与仪器联接。

        图3. 待测包装袋                                                    图4. 包装测试温控箱

实验结果与讨论:

表3至表5列出了各项渗透率测定的平均值。

                                                       表3. 片状样品实际测得值

                                                        表4. 包装袋理论估算值

                                                     表5. 包装袋实际测得值

表3列出了片状样品的OTR和WVTR测得值, 它们都表现出很好的阻隔性,全部低于仪器能测得的数值。用这些数值以及已知的袋子的尺寸(20cm x 10cm x 6cm), 可得出表4所列的包装袋理论估算值, 而表5是包装袋实际测得值, 从而可以看出所有的样品都没有达到由片状样品结果推算出的估算值, 实际情况的阻隔性变得糟糕很多,尤其是透氧率结果显示出较广的范围。一般知道材料的阻隔性变差会缩短实际货架寿命,从而影响产品声誉。
造成这两种结果差异原因有, 袋子加工过程,装袋过程,封口以及运输过程都会对袋子质量产生不利影响。比如袋子加工过程或装袋过程中袋子某些部位会受到拉伸使材料变薄,或者多层结构中的铝箔产生裂缝; 袋子的接缝或封口的热封参数没掌握好; 运输过程中的冲撞和震动,等等。对整体包装阻隔性的测试能更准确地预测产品的货架寿命。只有采用等压法原理的仪器(比如MOCON Ox-Tran 和MOCON Permatran)才能进行包装件的渗透性测试。

结论
由上述例子说明选择了高阻隔材料, 并不一定代表用其做成的整体包装也有高阻隔性。只有对整体包装的阻隔性进行了测试才能更准确预测产品的货架寿命。

原创作者：北京丹贝尔仪器有限公司