“Высокий барьер” – это очень желательный атрибут, необходимый для многих полимерных упаковочных материалов. Высокий барьер в техническом плане означает очень низкую проницаемость для низкомолекулярных химикатов, таких как газы и органические соединения. Высокобарьерные упаковочные материалы могут эффективно сохранять первоначальные характеристики продукта и продлевать срок его службы.
Распространенные высокобарьерные материалы
В настоящее время обычно используемые барьерные материалы в полимерных материалах в основном включают следующее:
- Поливинилиденхлорид (ПВДХ)
ПВДХ обладает отличными барьерными свойствами для кислорода и водяного пара.
Высокая кристалличность, высокая плотность и наличие гидрофобных групп ПВДХ делают его кислородопроницаемость и паропроницаемость чрезвычайно низкими, поэтому ПВДХ обладает превосходными газобарьерными свойствами, что может лучше продлить срок хранения упакованных предметов по сравнению с другими материалами. Кроме того, он обладает хорошей адаптируемостью к печати и легко подвергается термосварке, поэтому широко используется в области упаковки пищевых продуктов и фармацевтических препаратов.
- Сополимер этилена и винилового спирта (EVOH)
EVOH – это сополимер этилена и винилового спирта с очень хорошими барьерными свойствами. Это связано с тем, что молекулярная цепь EVOH содержит гидроксильные группы, и между гидроксильными группами в молекулярной цепи легко образуются водородные связи, что усиливает межмолекулярные силы и делает молекулярные цепи более плотно упакованными, поэтому кристалличность EVOH выше, поэтому он обладает превосходными барьерными свойствами. производительность.
Однако структура EVOH содержит большое количество гидрофильных гидроксильных групп, благодаря чему EVOH легко впитывает влагу, тем самым значительно снижая барьерные свойства. Кроме того, сильная внутримолекулярная и межмолекулярная когезия и высокая кристалличность приводят к плохим характеристикам термосваривания.
- Полиамид (ПА)
Вообще говоря, нейлон обладает хорошими газобарьерными свойствами, но плохими пароизоляционными свойствами и сильным водопоглощением. Он набухает с увеличением водопоглощения, в результате чего газо- и влагобарьерные свойства резко падают, что также повлияет на его прочность и стабильность размера упаковки.
Кроме того, нейлон обладает превосходными механическими свойствами, прочностью и износостойкостью, хорошей морозостойкостью и термостойкостью, хорошей химической стабильностью, легкостью обработки, хорошими печатными свойствами, но плохой термосвариваемостью.
Полиамидная смола обладает определенными барьерными свойствами, но скорость поглощения влаги велика, что влияет на ее барьерные свойства, поэтому ее обычно не используют в качестве наружного слоя.
- Полиэстер (ПЭТ, РУЧКА)
Наиболее распространенным и широко используемым барьерным материалом среди полиэфиров является ПЭТ. ПЭТ обладает превосходными барьерными свойствами благодаря своей симметричной химической структуре, хорошей планарности молекулярных цепей, плотной укладке молекулярных цепей и легкой ориентации кристаллизации.
В последние годы применение ПЭН быстро развивалось, и он обладает хорошей устойчивостью к гидролизу, химической стойкостью и устойчивостью к ультрафиолетовому излучению. Структура ПЭН аналогична структуре ПЭТ, за исключением того, что основная цепь ПЭТ содержит бензольное кольцо, а основная цепь ПЭН представляет собой нафталиновое кольцо.
Поскольку нафталиновое кольцо обладает более сильным эффектом сопряжения, чем бензольное кольцо, молекулярная цепь более жесткая, а структура более плоская, поэтому ПЭН обладает лучшими комплексными свойствами, чем ПЭТ.
Барьерная технология для высокобарьерных материалов
Для улучшения барьерных свойств барьерных материалов обычно используют следующие технические средства:
- Многослойный композит
Многослойный композит — это соединение двух или более пленок с разными барьерными свойствами, полученное в результате определенного процесса. Таким образом, проницаемые молекулы должны пройти через несколько слоев мембран, чтобы достичь внутренней части упаковки, что эквивалентно удлинению пути проникновения и тем самым улучшению барьерных характеристик.
Метод представляет собой композитную пленку с превосходными комплексными свойствами, полученную путем синтеза преимуществ различных пленок, и процесс прост.
Однако по сравнению с материалом с собственными высокими барьерными свойствами пленка, полученная этим методом, толще и подвержена таким проблемам, как пузыри или трещины, которые влияют на барьерные характеристики, а требования к оборудованию относительно сложны, а стоимость высока.
- Покрытие поверхности
Поверхностное покрытие представляет собой использование физического осаждения из паровой фазы (PVD), химического осаждения из паровой фазы (CVD), атомно-слоевого осаждения (ALD), осаждения молекулярного слоя (MLD), послойной самосборки (LBL) или осаждения магнетронным распылением. Такие материалы, как оксиды или нитриды металлов, осаждаются на поверхности пленки с образованием на поверхности пленки плотного покрытия с превосходными барьерными свойствами.
Однако эти способы имеют такие проблемы, как трудоемкость процесса, дорогое оборудование и сложность процесса, а во время эксплуатации в покрытии могут возникать такие дефекты, как микроотверстия и трещины.
- Нанокомпозиты
Нанокомпозитные материалы — это нанокомпозитные материалы, полученные методом интеркаляционного композита, методом полимеризации in situ или золь-гель-методом с использованием листовых наночастиц, которые непроницаемы и имеют большое соотношение сторон. Добавление хлопьевидных наночастиц может не только уменьшить объемную долю полимерной матрицы в системе для снижения растворимости проницаемых молекул, но также продлить путь проникновения проницаемых молекул, снизить скорость диффузии проницаемых молекул и улучшить барьерные свойства.
- Модификация поверхности
Поскольку поверхность полимера часто контактирует с внешней средой, легко повлиять на адсорбцию поверхности, барьерные свойства и печать полимера.
Чтобы полимер можно было лучше использовать в повседневной жизни, его поверхность обычно обрабатывают. В основном включают: химическую обработку поверхности, модификацию поверхностного трансплантата и плазменную обработку поверхности.
Технические требования этого метода легко выполнить, оборудование относительно простое, единовременные инвестиционные затраты невелики, но долгосрочного стабильного эффекта достичь невозможно. Если поверхность повреждена, эффективность барьера серьезно пострадает.
- Биаксиальное растяжение
Посредством двухосного растяжения полимерную пленку можно ориентировать в продольном и поперечном направлениях, так что порядок расположения молекулярных цепей улучшается, а укладка становится более плотной, что затрудняет прохождение небольших молекул, тем самым улучшая барьерные свойства. Процесс получения характерной высокобарьерной полимерной пленки сложен, и существенно улучшить барьерные свойства сложно.
Применение высокобарьерных материалов
Фактически, высокобарьерные фильмы уже появились в повседневной жизни. В настоящее время высокобарьерные полимерные материалы в основном используются в упаковке пищевых продуктов и лекарств, упаковке электронных устройств, упаковке солнечных батарей и упаковке OLED.
- Пищевая и фармацевтическая упаковка
Пищевая и фармацевтическая упаковка в настоящее время является наиболее широко используемой областью высокобарьерных материалов. Основная цель — предотвратить попадание кислорода и водяного пара из воздуха в упаковку, вызывающего порчу продуктов питания и лекарств, а также значительного сокращения срока их хранения.
Для упаковки пищевых продуктов и лекарств требования к барьерности, как правило, не особенно высоки, а скорость пропускания водяного пара (СПВП) и скорость пропускания кислорода (OTR) материала, для которого требуется барьер, должна быть ниже 10 г/м2/день и 100 см3/м2/день соответственно.
- Упаковка электронных устройств
С быстрым развитием современной электронной информации люди выдвигают более высокие требования к электронным компонентам и развиваются в сторону портативности и многофункциональности. Это выдвигает повышенные требования к упаковочным материалам электронных устройств, которые должны не только иметь хорошую изоляцию, но и быть способными защитить их от коррозии внешним кислородом и парами воды, а также должны обладать определенной прочностью, что требует применения полимерных барьерных материалов.
Как правило, барьерные свойства упаковочных материалов для электронных устройств заключаются в том, что скорость проникновения водяного пара (СПВП) и скорость пропускания кислорода (ОПК) должна быть ниже 10-1 г/м2/день и 1 см3/м2/день соответственно.
- Упаковка солнечных батарей
Поскольку солнечная энергия подвергается воздействию воздуха круглый год, кислород и водяной пар в воздухе могут легко разъедать слой металлизации снаружи солнечного элемента, что серьезно влияет на использование солнечного элемента. Поэтому необходимо герметизировать компоненты солнечных элементов высокобарьерными материалами, что не только обеспечивает срок службы солнечных элементов, но и повышает их сопротивление.
Барьерные свойства солнечных элементов для упаковочных материалов заключаются в том, что скорость передачи водяного пара (WVTR) и скорость передачи кислорода (OTR) должны быть ниже 10-2 г/м2/день и 10-1 см3/м2/день соответственно.
- OLED-упаковка
На OLED была возложена ответственность за дисплей следующего поколения с самого раннего этапа разработки, но короткий срок службы всегда был серьезной проблемой, ограничивающей его коммерческое применение. Все они очень чувствительны и легко загрязняются, что приводит к ухудшению характеристик устройства, тем самым снижая светоотдачу и сокращая срок службы.
Чтобы обеспечить светоотдачу изделия и продлить срок его службы, при упаковке устройство необходимо изолировать от кислорода и воды.
А чтобы гарантировать, что срок службы гибкого OLED-дисплея превышает 10 000 часов, скорость передачи водяного пара (WVTR) и скорость передачи кислорода (OTR) блокирующего материала должна быть ниже 10-6 г/м2/день и 10-5 см3/день соответственно. м2/день, этот стандарт намного превышает требования к барьерным свойствам в области органической фотоэлектрической энергии, упаковки солнечных элементов и технологии упаковки для продуктов питания, лекарств и электронных устройств. Поэтому для упаковки устройств необходимо использовать гибкие материалы подложки с отличными барьерными свойствами. , чтобы удовлетворить строгие требования к сроку службы продукта.
