“الحاجز العالي” هي سمة مرغوبة للغاية، وهي مطلوبة للعديد من مواد التعبئة والتغليف البوليمرية. يشير الحاجز العالي من الناحية الفنية إلى نفاذية منخفضة للغاية للمواد الكيميائية ذات الوزن الجزيئي المنخفض مثل الغازات والمركبات العضوية. يمكن لمواد التغليف عالية الحاجز أن تحافظ بشكل فعال على الأداء الأصلي للمنتج وتطيل عمر المنتج.
المواد العازلة العالية المشتركة
في الوقت الحاضر، تشمل المواد العازلة شائعة الاستخدام في مواد البوليمر بشكل رئيسي ما يلي:
- كلوريد البولي فينيلدين (PVDC)
يتمتع PVDC بخصائص حاجزة ممتازة للأكسجين وبخار الماء.
إن التبلور العالي والكثافة العالية ووجود مجموعات كارهة للماء من PVDC تجعل نفاذية الأكسجين ونفاذية بخار الماء منخفضة للغاية، بحيث يتمتع PVDC بخصائص حاجز غاز ممتازة، والتي يمكن أن تطيل العمر الافتراضي للمواد المعبأة بشكل أفضل مقارنة بالمواد الأخرى. بالإضافة إلى ذلك، فهي تتمتع بقدرة جيدة على التكيف في الطباعة ومن السهل أن تكون مختومة بالحرارة، لذلك يتم استخدامها على نطاق واسع في مجال تعبئة المواد الغذائية والأدوية.
- كوبوليمر كحول فينيل الإيثيلين (EVOH)
EVOH عبارة عن بوليمر مشترك من الإيثيلين وكحول الفينيل مع خصائص حاجزة جيدة جدًا. وذلك لأن السلسلة الجزيئية لـ EVOH تحتوي على مجموعات هيدروكسيل، وتتشكل روابط الهيدروجين بسهولة بين مجموعات الهيدروكسيل في السلسلة الجزيئية، مما يقوي القوة بين الجزيئات ويجعل السلاسل الجزيئية أكثر إحكامًا، بحيث تكون بلورة EVOH أعلى، لذلك لها خصائص حاجز ممتازة. أداء.
ومع ذلك، يحتوي هيكل EVOH على عدد كبير من مجموعات الهيدروكسيل المحبة للماء، مما يجعل EVOH سهل امتصاص الرطوبة، وبالتالي يقلل بشكل كبير من خصائص الحاجز. بالإضافة إلى ذلك، يؤدي التماسك القوي بين الجزيئات وبين الجزيئات والبلورة العالية إلى ضعف أداء الختم الحراري.
- مادة البولي أميد (PA)
بشكل عام، يتمتع النايلون بخصائص حاجز غاز جيدة، ولكن خصائص حاجز بخار الماء ضعيفة وامتصاص قوي للماء. إنها تنتفخ مع زيادة امتصاص الماء، بحيث تنخفض خصائص حاجز الغاز والرطوبة بشكل حاد، كما ستتأثر قوتها واستقرار حجم العبوة.
بالإضافة إلى ذلك، يتمتع النايلون بخصائص ميكانيكية ممتازة، وصلابة ومقاومة التآكل، ومقاومة جيدة للبرد ومقاومة للحرارة، واستقرار كيميائي جيد، ومعالجة سهلة، وقابلية طباعة جيدة، ولكن ختم حراري سيئ.
يحتوي راتنج PA على خصائص حاجزة معينة، ولكن معدل امتصاص الرطوبة كبير، مما يؤثر على خصائص الحاجز، لذلك لا يستخدم بشكل عام كطبقة خارجية.
- البوليستر (PET، القلم)
المادة العازلة الأكثر شيوعًا والأكثر استخدامًا بين البوليستر هي PET. يتمتع PET بخصائص حاجز ممتازة نظرًا لبنيته الكيميائية المتماثلة واستواء السلسلة الجزيئية الجيدة وتراص السلسلة الجزيئية الضيق وتوجيه التبلور السهل.
في السنوات الأخيرة، تطور تطبيق PEN بسرعة، ولديه مقاومة جيدة للتحلل المائي، ومقاومة كيميائية ومقاومة للأشعة فوق البنفسجية. يشبه هيكل PEN هيكل PET، باستثناء أن السلسلة الرئيسية لـ PET تحتوي على حلقة بنزين، في حين أن السلسلة الرئيسية لـ PEN هي حلقة نفثالين.
نظرًا لأن حلقة النفثالين لها تأثير اقتران أكبر من حلقة البنزين، فإن السلسلة الجزيئية أكثر صلابة، والهيكل أكثر استواءً، لذلك يتمتع PEN بخصائص شاملة أفضل من PET.
تكنولوجيا الحاجز للمواد ذات الحاجز العالي
من أجل تحسين خصائص الحاجز للمواد الحاجزة، يتم استخدام الوسائل التقنية التالية بشكل شائع:
- مركب متعدد الطبقات
يشير المركب متعدد الطبقات إلى مركب مكون من فيلمين أو أكثر بخصائص حاجز مختلفة من خلال عملية معينة. بهذه الطريقة، يجب أن تمر الجزيئات المنفذة عبر عدة طبقات من الأغشية للوصول إلى داخل العبوة، وهو ما يعادل إطالة مسار النفاذ، وبالتالي تحسين أداء الحاجز.
الطريقة عبارة عن فيلم مركب ذو خصائص شاملة ممتازة تم إعداده عن طريق تجميع مزايا الأفلام المختلفة، والعملية بسيطة.
ومع ذلك، بالمقارنة مع المواد ذات الحاجز العالي الجوهرية، فإن الفيلم المحضر بهذه الطريقة يكون أكثر سمكًا، ويكون عرضة لمشاكل مثل الفقاعات أو الشقوق التي تؤثر على أداء الحاجز، ومتطلبات المعدات معقدة نسبيًا والتكلفة مرتفعة.
- طلاء السطح
طلاء السطح هو استخدام ترسيب البخار الفيزيائي (PVD)، ترسيب البخار الكيميائي (CVD)، ترسيب الطبقة الذرية (ALD)، ترسيب الطبقة الجزيئية (MLD)، التجميع الذاتي طبقة بطبقة (LBL) أو ترسيب الاخرق المغنطروني. يتم ترسيب مواد مثل أكاسيد المعادن أو النتريدات على سطح الفيلم لتكوين طبقة كثيفة ذات خصائص حاجزة ممتازة على سطح الفيلم.
ومع ذلك، فإن هذه الطرق بها مشاكل مثل العملية التي تستغرق وقتًا طويلاً، والمعدات باهظة الثمن والعملية المعقدة، وقد تحدث عيوب مثل الثقوب والشقوق في الطلاء أثناء الخدمة.
- المركبات النانوية
المواد المركبة النانوية هي مواد مركبة نانوية يتم تحضيرها بطريقة الإقحام المركب، أو طريقة البلمرة في الموقع، أو طريقة سول-جل باستخدام جزيئات نانوية صفائحية غير منفذة ولها نسبة عرض إلى ارتفاع كبيرة. إن إضافة الجسيمات النانوية المتقشرة لا يمكن أن تقلل فقط من جزء حجم مصفوفة البوليمر في النظام لتقليل قابلية ذوبان الجزيئات النفاذية، ولكن أيضًا إطالة مسار تخلل الجزيئات النفاذية، وتقليل معدل انتشار الجزيئات النفاذية، وتحسين خصائص الحاجز.
- تعديل السطح
نظرًا لأن سطح البوليمر غالبًا ما يكون على اتصال بالبيئة الخارجية، فمن السهل التأثير على امتصاص السطح وخصائص الحاجز وطباعة البوليمر.
من أجل جعل البوليمر يستخدم بشكل أفضل في الحياة اليومية، عادة ما تتم معالجة سطح البوليمر. تشمل بشكل رئيسي: المعالجة الكيميائية السطحية، وتعديل الكسب غير المشروع السطحي، والمعالجة السطحية بالبلازما.
من السهل تلبية المتطلبات الفنية لهذه الطريقة، والمعدات بسيطة نسبيا، وتكلفة الاستثمار لمرة واحدة منخفضة، ولكن لا يمكن تحقيق التأثير المستقر على المدى الطويل. بمجرد تلف السطح، سوف يتأثر أداء الحاجز بشكل خطير.
- تمتد ذو محورين
من خلال التمدد ذو المحورين، يمكن توجيه فيلم البوليمر في الاتجاهين الطولي والعرضي، بحيث يتم تحسين ترتيب ترتيب السلسلة الجزيئية، ويكون التراص أكثر إحكامًا، بحيث يصعب على الجزيئات الصغيرة المرور من خلاله، وبالتالي تحسين خصائص الحاجز. عملية تحضير فيلم البوليمر المميز عالي الحاجز معقدة، ومن الصعب تحسين خصائص الحاجز بشكل كبير.
تطبيق المواد عالية الحاجز
في الواقع، ظهرت الأفلام ذات العوائق العالية بالفعل في الحياة اليومية. في الوقت الحاضر، تُستخدم مواد البوليمر عالية الحاجز بشكل أساسي في تغليف المواد الغذائية والأدوية وتغليف الأجهزة الإلكترونية وتغليف الخلايا الشمسية وتغليف OLED.
- تغليف المواد الغذائية والأدوية
يعد تغليف المواد الغذائية والأدوية حاليًا المجال الأكثر استخدامًا للمواد عالية الحاجز. والغرض الرئيسي هو منع الأكسجين وبخار الماء الموجود في الهواء من الدخول إلى العبوة لإتلاف الأغذية والأدوية، وتقليل مدة صلاحيتها بشكل كبير.
بالنسبة لتغليف المواد الغذائية والأدوية، فإن متطلبات الحاجز ليست مرتفعة بشكل عام، ويجب أن يكون معدل نقل بخار الماء (WVTR) ومعدل نقل الأكسجين (OTR) للمادة التي تتطلب حاجزًا أقل من 10 جم / م 2 / يوم و 100 سم 3 / م 2 / يوم، على التوالي.
- تغليف الأجهزة الإلكترونية
مع التطور السريع للمعلومات الإلكترونية الحديثة، طرح الناس متطلبات أعلى للمكونات الإلكترونية، وتطوروا نحو قابلية النقل ومتعددة الوظائف. وهذا يضع متطلبات أعلى لمواد تعبئة الأجهزة الإلكترونية، والتي يجب ألا تتمتع بعزل جيد فحسب، بل يجب أيضًا أن تكون قادرة على حمايتها من التآكل بسبب الأكسجين الخارجي وبخار الماء، ويجب أن تتمتع أيضًا بقوة معينة، الأمر الذي يتطلب استخدام مواد حاجزة من البوليمر.
بشكل عام، فإن خصائص حاجز مواد التعبئة والتغليف للأجهزة الإلكترونية هي أن معدل نقل بخار الماء (WVTR) ومعدل نقل الأكسجين (OTR) يجب أن يكون أقل من 10-1 جم / م 2 / يوم و1 سم 3 / م 2 / يوم، على التوالي.
- تعبئة الخلايا الشمسية
نظرًا لأن الطاقة الشمسية تتعرض للهواء على مدار العام، فإن الأكسجين وبخار الماء الموجود في الهواء يمكن أن يؤدي بسهولة إلى تآكل طبقة المعدن خارج الخلية الشمسية، مما يؤثر بشكل خطير على استخدام الخلية الشمسية. لذلك، من الضروري تغليف مكونات الخلايا الشمسية بمواد عازلة عالية، والتي لا تضمن عمر خدمة الخلايا الشمسية فحسب، بل تعزز أيضًا قوة مقاومة الخلايا.
الخصائص الحاجزة للخلايا الشمسية لمواد التعبئة والتغليف هي أن معدل نقل بخار الماء (WVTR) ومعدل نقل الأكسجين (OTR) يجب أن يكون أقل من 10-2 جم / م 2 / يوم و10-1 سم 3 / م 2 / يوم، على التوالي.
- تغليف OLED
تم تكليف تقنية OLED بمسؤولية الجيل التالي من شاشات العرض منذ المرحلة الأولى من التطوير، ولكن العمر القصير كان دائمًا يمثل مشكلة كبيرة تقيد تطبيقها التجاري. جميعها حساسة للغاية وسهلة التلوث، مما يؤدي إلى تدهور أداء الجهاز، وبالتالي تقليل كفاءة الإضاءة وتقصير عمر الخدمة.
من أجل ضمان كفاءة الإضاءة للمنتج وإطالة عمر الخدمة، يجب عزل الجهاز عن الأكسجين والماء أثناء التعبئة.
ومن أجل ضمان أن عمر الخدمة لشاشة OLED المرنة أكبر من 10000 ساعة، يجب أن يكون معدل نقل بخار الماء (WVTR) ومعدل نقل الأكسجين (OTR) لمادة الحجب أقل من 10-6 جم/م2/يوم و10-5 سم3/يوم، على التوالي. متر مربع / يوم، فإن المعيار أعلى بكثير من متطلبات خصائص الحاجز في مجالات الخلايا الكهروضوئية العضوية، وتغليف الخلايا الشمسية، وتكنولوجيا التعبئة والتغليف للأغذية والأدوية والأجهزة الإلكترونية. لذلك، يجب استخدام مواد ركيزة مرنة ذات خصائص حاجزة ممتازة لتعبئة الأجهزة. ، من أجل تلبية المتطلبات الصارمة لحياة المنتج.
