摘要]：对影响铝箔复合软包装材料阻隔性能的因素进行了探讨，指出了关于铝箔复合膜阻隔性的一些误区，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，并利用公式讨论了BOPP、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汽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。
关键词：铝箔复合膜；铝箔针孔；理论公式；阻隔性能；氧气透过率；水蒸汽透过率
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 ，这是错误的，因为简单叠加原
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，不存在沿界面方向上的扩散。铝箔复合材料不符合这些条件，铝箔复合材料中针孔位置上的扩散明显高于其它位置。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—倍，其阻隔性能就增加一倍，这种想法当然也是错误的，其实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，影响密封性能的因素有正面渗透、侧边渗透和泄漏，高阻隔性的材料只能说有很低的渗透，并不等于有很低的侧边渗透和泄漏。而且铝箔复合包装材料在成型、充填、热封等包装过程以及包装成品的杀菌、运输和销售过程中，铝箔层可能压穿、压断、折裂，使包装件的整体密封性能受到影响。 1、铝箔的针孔
铝箔是铝经过压延制作而成的金属箔，完美的铝箔能完全阻隔气体、水蒸汽和光线。事实上，由于铝箔生产中的诸多因素的影响，铝箔，特别是厚度20μm以下铝箔，不可避免地产生针孔缺陷。也正是由于针孔的存在，使得铝箔的氧气透过率和水蒸汽透过率并不为零。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。 国家标准GB3198-1996《工业用纯铝箔》，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。”，在标准的附录B中还给出了针孔的检验方法和针孔数目标准。
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1)。美国ASTM B-479《软包装阻隔用退火铝箔和合金铝箔技术标准》对铝箔的针孔作了规定，还给出了铝箔厚度与其水蒸汽透过率的关系曲线。日本工业标准JIS Z1520-1990《复合铝箔标准》也给出了复合用铝箔的水蒸汽透过的参考数据。
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，其针孔数迅速减少，铝箔针孔数的对数与其厚度基本成正比(1)，当其厚度达到20μm时，铝箔可以达到完全无针孔。 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。国外规定铝箔厚度大于0.020mm时应无针孔，而我国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，针孔孔径一般为0.015mm，而我国标准规定针孔最大尺寸可达0.5mm，按国标GB3198，针孔检验还不是出厂检验项目。虽然近年来我国的铝箔质量有所提高，但国产铝箔的质量仍不稳定，针孔时多时少。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。 2、针孔对铝箔复合材料阻隔性影响的理论推导
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汽透过率的定量关系，不论在理论上，还是在实际应用中都具有重大意义。
设有一个半径为r0针孔的铝箔与厚度为d的均匀的单层塑料膜复合。复合膜将浓度为P和P'的某气体分成A、B2个足够大的独立区。假设在B区内，铝箔针孔正对位置上的塑料膜的气体透过性与单层塑料一样，而其它位置上的塑料膜由于受复合铝箔的影响，单位面积上气体透过量要比针孔正方位置的塑料膜小，为了方便，以针孔正对位置上的透过性为基准，将其它位置上由于铝箔的影响而使透过量减少的因素，折算为面积的减少。
如图1所示，设在塑料膜上距针孔中心轴r0＋x处，有一个dx宽的微分圆环，则微分圆环面积为2π(r0＋x)dx，微分圆环距铝箔针孔边的距离为
。根据传质原理，相同条件下由于距离的增加，dx微分圆环
。同时，还可以看到dx微分圆环对于
上单位面积上的透过量仅为针孔正下方位置的
这一长度方向来说，并非垂直截面，而是一个斜面，若将其折算为传质方向上的垂直有效面
积应乘以d/ 。还应意到推理模型的微分传质块是一个上小下大的锥形，由于锥形因素的影响，x＋r0处dx宽的微分圆环上单位面积的传质量与针孔正对方位置相比，还应乘以r0／(r0＋x)。综上考虑到距离、斜面、锥形3个因素的影响，在x＋r0处dx宽的微分圆环上的面积，折算为针孔正对方位置的传质面积dS等效为：
两边积分可得：
在实际上由于一般薄膜的长和宽远大于薄膜的厚度(x＞＞d)，则
由上可知针孔的总有效传质面积(折算为塑料膜的面积)与针孔的半径及塑料膜的厚度有关，随针孔的半径和塑料膜的厚度的增加而增加，而与铝箔厚度无关。
若与塑料复合的铝箔有n个半径为r1、r2…rn的针孔则：
假设有一个400个／m2直径为0.1mm针孔的0.007mm厚的铝箔与0.050mm的LDPE复合。对于0.050mm的LDPE，查有关资料(2)并通过计算可得其氧气透过率为3950m3／m2.24h.atm(25℃50％RH)水蒸汽透过率为18g／m2.24h(40℃90％RH)，铝箔与LDPE复合后，氧气透过率为0.052cm3／m2.24h.atm，水蒸汽透过率为2.3×10-4g／m2.24h。可以看出铝箔与塑料膜复合后，其氧气透过率和水蒸汽透过率不是铝箔与塑料两透过率的简单组合，而是要比简单组合少得多。
从S总有效＝π2d r0＋πr02可以看出当塑料薄膜的厚度d＜0.32 r0时针孔正方的透气占主导地位，当d＞0.32 r0时针孔侧面的透气占主导地位。铝箔复合膜中塑料膜的厚度增加一方面薄膜的阻隔性能增加，另一方面，由于厚度的增加，S总有效增加，从而减弱了由厚度增加而使阻隔性能增加的趋势。按塑料膜50μm厚，铝箔针孔半径0.03mm计算，若塑料膜的厚度增加一倍，其阻隔性能只约增9％，但当针孔半径为0.1mm时，相同情况下，塑料膜的厚度从50μm增加到100μm，其阻隔性能增加约20％。
实际应用中，铝箔作为阻隔材料，常常复合在中间，从以上推导原理中，可以看出，按以上方法分别求出各自与铝箔复合后的透过率，再按简单叠加的原理求得三层复合膜的透过率。
对0.012mm厚的普通BOPET，其氧气透过率约为234cm3／m2.24h.atm(25℃ 50％RH)，0.070mm厚的CPP其氧气透过率为1357cm3／m2.24h.atm(25℃50％RH)，它们与200个／m2ϕ为0.1mm针孔的9μm铝箔(日本东海金属的标准)复合后，可求得BOPET12／AL9／CPP70三层复合材料的透过率为0.00061cm3／m2.24h.atm。这一结果与日本资料(1)介绍的BOPET12／AL9／CPP70复合膜的氧气透过率在10-4～10-5cm3／m2.24h.atm以下基本相符。从上还可看出，CPP的厚度和性能不影响BOPET12／AL9／CPP70复合材料的氧气透过率，只影响复合材料的力学性能。
铝箔与塑料复合材料的透气性公式推导中，假设铝箔与塑料之间没有粘合剂层，而实际上干法复合都使用粘合剂，粘合层的性质与塑料常有较大差异。有研究结果表明，粘合层的厚度和固化工艺对复合膜的阻隔性能有影响。同时，铝箔表面可能存在着疏松层，使水蒸汽和氧气在铝箔界面上的传质阻力较小，使总的透过率增大。在推导过程中，假设扩散过程符合虎克定律(FicRian)条件，对于氧气而言，一般都符合虎克定律，但水蒸汽的扩散过程，一般属于非虎克定律型扩散。综上因素，理论计算值与实际值可能会有较大出入。 3、铝箔复合材料阻隔性能的检测
铝箔复合材料阻隔性能一般分为气体透过率和水蒸汽透过率二类，而气体透过率一般又以对包装影响较大的氧气为代表。
3．1氧气透过率的检测
氧气透过率检测的方法从测试原理上来分，主要有压差法和电量分析传感器的成份分析法2大类。 压差法的测定原理是用试验膜隔成2个独立的空间，将其中一侧(高压室)充入测定用气体；而另一侧(低压室)抽真空，这样在试样两侧就产生了一定的压差，高压室的气体就会通过薄膜渗透到低压室，通过测量低压室的压力或体积变化就可以得出气体的渗透率。压差法具有简单、方便、可以测定各种气体，以及仪器设备价格较低等优点。但在实际应用中，包装容器的内外压力大多数是相同的，不能模拟实际使用情况。大量的事实证明压差法与其它方法相比，检测结果偏大，在低透过率时，尤为明显。同时，有证据表明，用压差法测量氧气透过率时，压差的大小会明显影响检验结果。
铝箔复合包装材料的氧气透过率较低，一般都在0.1ml／m2·24h·1atm以下。而目前最好的压差法的检测仪
器，其检测最低量为0.1ml／m2·24h·1atm，显然不能满足检测高阻隔的铝箔复合包装材料的要求。
电量分析型氧气透过率测试仪的原理是用试验膜隔成两个独立的气流系统，一侧为流动的氧气，另一侧为流动的氮气。试样两边的气压相等，在氧气的浓度差的作用下，氧气透过薄膜并在氮气流的载运下送至传感器中，测量出气流氧气的含量，计算出材料的氧气透过率。
电量分析型氧气透过率测试仪可以控制不同的湿度、温度及不同氧含量的气体，能更有效地模拟包装实际的使用条件，测试过程中试样两侧压力相同，有利于减少试验过程中的泄漏和对试样的破坏。电量分析型氧气透过率测试仪能准确测定透过气体中氧气的成份，因而测试结果更准确、可靠，可达到0.001ml／m2·24h·1atm的精度。但是电量分析型氧气透过率测定仪目前国内无法生产，价格极高，同时电量分析传感器只能对氧气进行检定，不能测量其它气体的透过率，电量分析传感器实际是用一种燃料电池做传感器，维护较麻烦，且具有一定寿命，运作成本较高，不太适应于高透氧率薄膜的测试。
目前我国所使用的氧气透过率检测仪器基本上都是压差法，早期以日本东洋精机的产品居多，近年来有些单位购买了精度较高的德国Bruggar公司和济南兰光的压差法透气测试仪。国内氧气透过率仅有GB1038这一压差标准。制定一个类似ASTM D 3985的电量分析法测量氧气透过率的国家标准，用于测定高阻隔性铝箔复合包装材料的氧气透过率是相当有必要的。 3．2水蒸汽透过率的检测
水蒸汽透过率的测试方法，从其检测原理上主要有称重、红外检定法和湿度传感器检定法等。
称重法的原理是先将一定的干燥剂放入透湿杯中，在透湿杯放上被检测的薄膜，用蜡密封后，放入恒温恒湿的环境中，以适当的时间间隔称量透湿杯的增重，从而计算出水蒸汽的透过率。作为透湿杯的发展变形，容器可以是袋、瓶或其它容器。称重量法具有简单、方便以及仪器设备价格低廉等优点。我国的GB／T1037-1988、GB／T16928-1997、GB／T6981-2003、GB／T6982-2003都是采用称重法。简单透湿杯称重法具有重复性、可靠性差、测量时间长、精度低等明显的缺点。济南兰光采用计算机控制自动称量制成了TSY-1型透湿性测试仪，其精度提高到了0.01g／m2·24h。GB／T16928中的B法采用成袋法，比杯式法有所改进，但实际操作结果表明，其精度一般也只能达到0.1g／m2·24h。GB／T6982是一种简单方便的方法，精度也很高，可达到0.0001g／m2·24h，不过其检测时间太长，有时可能要一年时间，不太适应于生产性检验。 红外检定法的原理是用试验膜隔成为独立的气流系统，一侧为具有一定相对湿度的氮气流，另一侧为干燥的氮气流，干燥的氮气流带着透过来的水蒸汽，流向红外检定传感器，测量出氮气中水蒸汽的含量，进而得出水蒸汽透过率。红外检定法在整个实验过程中全自动控制，不破坏扩散平衡，其结果准确可靠，检测精度一般可达到0.001g／m2·24h。
湿度传感器检定法的原理与红外检定法原理类似，使试样两侧形成一定的相对湿度差，通过湿度传感器测量湿度变化，从而计算出水蒸汽的透过量。 我国现有的水蒸汽透过率检测仪器，有称重、红外检定法和湿度传感器检定法，目前国家标准仅有称重法。对于水蒸汽透过率较大的包装材料可以用GB／T1037的杯式称重法，对于水蒸汽透过率较小的可热封材料，可用GB／T16928的成袋的称重法。铝箔复合包装材料的水蒸汽透过率一般都在0.1g／m2·24h以下，以上2种方法都不适应，只用红外检定法或湿度传感器检定法来测定。当然如果有足够的时间，GB／T6982的称重法也是一种不错的选择。
3．3铝箔复合材料阻隔性能检测时的注意事项
1) 任何仪器检测的水蒸汽透过率和氧气透过率都是渗透和泄漏的总和，铝箔复合材料的阻隔性能检测，仪器的泄漏和侧边渗透是一个不可忽略的因素，只有确认实验过程中仪器的泄漏和侧边渗透与正面渗透相比，可以忽略不计，所测得的水蒸汽透过率和氧气透过率才是真实可靠的。检测仪器的泄漏和侧边渗透有多少，最简单的方法就是测量一个完全不透气的金属薄片的氧气透过率和水蒸汽透过率。
2) 铝箔的针孔是铝箔复合材料产生渗透的唯一因素，而铝箔的针孔大小及其分布并不一定均一的。检测样品中的针孔大小和数目常常不具备有统计代表性，因而同一产品不同的取样之间的检测结果相差较大是必然的，这是普通塑料复合膜没有的现象。 4、铝箔复合包装的整体密封性
水蒸汽和气体进入或泄出包装的途径有2种：渗透和泄漏。
渗透是指气体或水蒸汽从高浓度区进入表面，通过向材料的扩散，又从低浓度区的另一表面解吸。渗透的
速度与包装材料的性质、结构、厚度、厚度均匀性、温度、湿度等有关，同时也与扩散剂的种类有关。渗透对于包装件来说有2种，一是穿通包装材料的正面渗透，另一是穿过包装件中包装材料结合处(如：封口部分)的侧边渗透。侧边渗透一般较小，往往容易被人们所忽视，但铝箔复合材料，由于正面渗透很小，侧边渗透一般不可忽视，对包装件的整体密封性有很大的影响。笔者曾取结构为PET12／AL7／PE50的铝箔复合膜制成袋，将充分干燥后的无水氯化钙封入袋中测量增重，历时一年，在50℃ RH100％的条件下，测得当封边宽度为8mm时复合膜的水蒸汽透过率为0.0014g／m2·24h，而当封边宽度为20mm时复合膜的水蒸汽透过率仅为0.0008g／m2·24h。由此可见侧边渗透对铝箔复合袋的影响。更进一步的实验结果表明，铝箔厚度在15μm以上时，铝箔复合袋的阻隔性，完全决定于封边宽度和封边质量。
泄漏是指水蒸汽或气体通过材料的裂缝、微孔或2种材料间的微小间隙而泄出或进入包装。泄漏的速度取决于泄漏孔隙的大小、包装件的压力、扩散剂的种类以及环境的温度、湿度等。泄漏一般有2种：压穿和漏封。压穿是指包装材料受外力的挤压而形成一个穿透的孔或裂纹，漏封是由于某些因素存在，使本应融熔结合的部位，没有封合。
铝箔复合材料在实际中还存在一种“半泄漏”，就是说在包装产品的成型、充填、热封、杀菌以及运输和销售过程中，虽然复合膜没有产生内外连通的穿孔泄漏现象，但其高阻隔层铝箔产生了折裂或针孔。“半泄漏”将严重影响包装件的整体密封性能，在包装工程中是一个不可忽略的因素。“半泄漏”一般有2种：一种是包装材料正面的“半泄漏”，另一种是包装件中热合处的“半泄漏”。正面的“半泄漏”严重影响包装件的整体密封性能，热合处铝箔压穿、压断和折裂的“半泄漏”，相当于封边宽度变窄，也将影响包装件的整体密封性能。 包装件的阻隔性是正面渗透、侧边渗透、正面“半泄漏”、热合处的“半泄漏”和泄漏的综合体现。铝箔复合材料作为一种极高阻隔性包装材料，其氧气透过率和水蒸汽透过率极小，普通塑料包装中可以忽略的侧边渗透、“半泄漏”等因素变得不能忽略，甚至会成为主要影响因素。同时铝箔是一种完全不同于塑料的金属材料，其强度低，基本上没有弹性和韧性。在热封、蒸汽灭菌、包装运输、销售过程中常常会出现铝箔阻隔层的压穿、压断和折裂等使其阻隔性能降低的问题。铝箔压穿、压断和折裂后，铝箔复合包装材料应从包装材料、包装、运输和销售全过程来考察其包装的密闭性。（廖启忠）
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容