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整體包裝滲透性測試的重要性
Importance to test the permeation of the package

Georgia Gu  美國MOCON（膜康）公司研究員

前言
隨著生活節奏的加快, 人們日益認識到包裝對食品,醫藥,電子等等產品的重要性。無論在還是國內市場,對產品貨架壽命期望值的提高, 使得對包裝材料阻隔性要求也越來越高。 為了選擇合適的包裝材料,預測產品的貨架壽命,對整體包裝滲透性進行測試是生產廠家應該重視的問題。選擇了高阻隔材料, 并不一定代表用其做成的整體包裝也有高阻隔性。本文用奶粉包裝袋材料選擇的實例來說明整體包裝滲透性測試的重要性。

實驗設計及測試方法
某公司生產嬰兒奶粉, 包裝袋大小為20cm x 10cm x 6cm。因為奶粉遇氧氣或遇水汽都容易變質, 必須采用高性能的阻隔材料。他們要求MOCON對五種多層結構(見表1)的阻隔材料進行透氧率(Oxygen Transmission Rate, 簡稱OTR)及透濕(Water Vapor Transmission Rate, 簡稱WVTR)的測定評估。所用的樣品為包裝袋以及從包裝袋上剪下的片狀樣品。這些袋子是已裝過奶粉并已經歷了包裝后的運輸過程度。

                                                       表1.  樣品結構及編號

因為考慮到產品的投放市場在熱帶地區, 固而確定了如表2所定的透氧率及透濕率測試條件。

                                                              表2. 測試條件及測試目的

片狀樣品的透氧率實驗是在美國MOCON 公司的氧氣滲透測試儀OX-TRAN® Model 2/21(ASTM D-3985和ASTM F-1927)系統上完成的。OX-TRAN® Model 2/21符合ASTM D3985,實驗過程遵守等壓法原理，用樣品在透氣室分隔成兩個獨立的氣流系統，一側為流動的待測氣體（可以是純氧氣或含氧氣的混合氣體，可以設定相對濕度），另一側為流動的氮氣以保持氧氣含量為零。試樣兩邊的總氣壓相等，但氧氣的分壓不同，在氧氣的濃度差作用下，氧氣透過薄膜。通過薄膜的氧氣分子在氮氣流的載運下送電量分析傳感器(特制的庫倫傳感器)中，電量分析傳感器能地測量出氮氣流中所含的氧氣量，從而計算出材料的氧氣透過率。它適合于高阻隔薄膜材料或包裝體的測試。儀器在整個測試過程中對溫度、相對濕度、壓力控制。 它有兩個測試腔,每次可同時測定兩片樣品,或著兩個包裝體樣品。
      包裝袋透氧率測試是在美國MOCON 公司的氧氣滲透測試儀OX-TRAN® Model 2/61(ASTM D3985和ASTM F-1927)系統上完成的。它的操作原理與OX-TRAN® Model 2/21相同,但它的結構設計更適合于包裝體的測定, 它有六個測試腔, 每次同時可測六個樣品。

片狀樣品的透濕率實驗是在美國MOCON 公司的水汽滲透測試儀PermatranW® 3/31（符合ASTM F-1249）上完成的。 實驗過程遵守等壓法原理，樣品 的一側設置不同的相對濕度，另一側由流動氮氣吹掃保持干燥，水汽分子從高濕度一端滲透到低濕度一側，并又載氣送特制的壓力調控紅外傳感器，傳感器接收水蒸汽，并將其轉換為電信號輸出。該儀器用壓力調節法產生35%90%RH范圍內的任何相對濕度,或著采用100%RH。它適合于高阻隔薄膜材料或包裝體的測試。儀器在整個測試過程中對溫度、相對濕度、壓力控制。它有兩個測試腔, 每次可同時測定兩片樣品,或著兩個包裝體樣品。
      包裝袋透濕率測試是在美國MOCON公司的水汽滲透測試儀PermatranW® 3/61（符合ASTM F-1249）上完成的。它的操作原理與PermatranW® 3/31相同,但它的結構設計更適合于包裝體的測定, 它有六個測試腔, 每次同時可測六個樣品。

圖1. Ox-Tran 2/21 和Permatran W3/31外觀       圖2. Ox-Tran 2/61和 Permatran W3/61外觀

對片狀樣品的制備比較簡單, 只需把樣品從包裝袋上剪下即可。但對包裝袋的預處理較麻煩,因為測試過程須用空袋子, 而袋中裝有奶粉及量匙, 必須取出這些然后把袋子重新封口, 然后裝上細管, 如圖3所示。

因為包裝袋測定是在37C進行, 測試時樣品須被放置在如圖4所示溫控箱內,并用細銅管將樣品與儀器聯接。

        圖3. 待測包裝袋                                                    圖4. 包裝測試溫控箱

實驗結果與討論:

表3表5列出了各項滲透率測定的平均值。

                                                       表3. 片狀樣品實際測得值

                                                        表4. 包裝袋理論估算值

                                                     表5. 包裝袋實際測得值

表3列出了片狀樣品的OTR和WVTR測得值, 它們都表現出很好的阻隔性,全部低于儀器能測得的低數值。用這些數值以及已知的袋子的尺寸(20cm x 10cm x 6cm), 可得出表4所列的包裝袋理論估算值, 而表5是包裝袋實際測得值, 從而可以看出所有的樣品都沒有達到由片狀樣品結果推算出的估算值, 實際情況的阻隔性變得糟糕很多,尤其是透氧率結果顯示出較廣的范圍。一般知道材料的阻隔性變差會縮短實際貨架壽命,從而影響產品聲譽。
造成這兩種結果差異原因有, 袋子加工過程,裝袋過程,封口以及運輸過程都會對袋子質量產生不利影響。比如袋子加工過程或裝袋過程中袋子某些部位會受到拉伸使材料變薄,或者多層結構中的鋁箔產生裂縫; 袋子的接縫或封口的熱封參數沒掌握好; 運輸過程中的沖撞和震動,等等。對整體包裝阻隔性的測試能更準確地預測產品的貨架壽命。只有采用等壓法原理的儀器(比如MOCON Ox-Tran 和MOCON Permatran)才能進行包裝件的滲透性測試。

結論
由上述例子說明選擇了高阻隔材料, 并不一定代表用其做成的整體包裝也有高阻隔性。只有對整體包裝的阻隔性進行了測試才能更準確預測產品的貨架壽命。