“อุปสรรคสูง” เป็นคุณลักษณะที่เป็นที่ต้องการอย่างมาก ซึ่งเป็นคุณลักษณะที่จำเป็นสำหรับวัสดุบรรจุภัณฑ์โพลีเมอร์หลายชนิด อุปสรรคที่สูงในแง่เทคนิคหมายถึงความสามารถในการซึมผ่านที่ต่ำมากกับสารเคมีที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ เช่น ก๊าซและสารประกอบอินทรีย์ วัสดุบรรจุภัณฑ์ที่มีอุปสรรคสูงสามารถรักษาประสิทธิภาพเดิมของผลิตภัณฑ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพและยืดอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์
วัสดุกั้นสูงทั่วไป
ในปัจจุบัน วัสดุกั้นที่ใช้กันทั่วไปในวัสดุโพลีเมอร์ส่วนใหญ่มีดังต่อไปนี้:
- โพลีไวนิลิดีนคลอไรด์ (PVDC)
PVDC มีคุณสมบัติในการกั้นออกซิเจนและไอน้ำได้ดีเยี่ยม
ความเป็นผลึกสูง ความหนาแน่นสูง และการมีอยู่ของกลุ่มที่ไม่ชอบน้ำของ PVDC ทำให้ความสามารถในการซึมผ่านของออกซิเจนและการซึมผ่านของไอน้ำต่ำมาก ดังนั้น PVDC จึงมีคุณสมบัติกั้นก๊าซที่ดีเยี่ยม ซึ่งสามารถยืดอายุการเก็บรักษาของสินค้าในบรรจุภัณฑ์ได้ดีขึ้นเมื่อเทียบกับวัสดุอื่นๆ นอกจากนี้ยังมีความสามารถในการปรับตัวในการพิมพ์ที่ดีและปิดผนึกด้วยความร้อนได้ง่าย ดังนั้นจึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านบรรจุภัณฑ์อาหารและยา
- โคพอลิเมอร์เอทิลีนไวนิลแอลกอฮอล์ (EVOH)
EVOH เป็นโคโพลีเมอร์ของเอทิลีนและไวนิลแอลกอฮอล์ที่มีคุณสมบัติกั้นที่ดีมาก เนื่องจากสายโซ่โมเลกุลของ EVOH มีหมู่ไฮดรอกซิล และพันธะไฮโดรเจนเกิดขึ้นได้ง่ายระหว่างหมู่ไฮดรอกซิลบนสายโซ่โมเลกุล ซึ่งเสริมแรงระหว่างโมเลกุลและทำให้สายโซ่โมเลกุลแน่นมากขึ้น เพื่อให้ความเป็นผลึกของ EVOH สูงขึ้น ดังนั้นจึงมีคุณสมบัติเป็นอุปสรรคที่ดีเยี่ยม ผลงาน.
อย่างไรก็ตาม โครงสร้าง EVOH มีหมู่ไฮดรอกซิลที่ชอบน้ำจำนวนมาก ซึ่งทำให้ EVOH ดูดซับความชื้นได้ง่าย จึงช่วยลดคุณสมบัติของอุปสรรคได้อย่างมาก นอกจากนี้ การทำงานร่วมกันระหว่างโมเลกุลและระหว่างโมเลกุลที่แข็งแกร่งและความตกผลึกสูง ส่งผลให้ประสิทธิภาพการปิดผนึกด้วยความร้อนต่ำ
- โพลีเอไมด์ (PA)
โดยทั่วไปแล้ว ไนลอนมีคุณสมบัติกั้นก๊าซได้ดี แต่มีคุณสมบัติกั้นไอน้ำต่ำและมีการดูดซึมน้ำได้ดี มันจะขยายตัวตามการดูดซึมน้ำที่เพิ่มขึ้น ดังนั้นคุณสมบัติการกั้นก๊าซและความชื้นจะลดลงอย่างรวดเร็ว และจะส่งผลต่อความแข็งแรงและความเสถียรของขนาดบรรจุภัณฑ์ด้วย
นอกจากนี้ ไนลอนยังมีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีเยี่ยม มีความเหนียวและทนทานต่อการสึกหรอ ทนต่อความเย็นและความร้อนได้ดี มีความเสถียรทางเคมีที่ดี แปรรูปง่าย พิมพ์ได้ดี แต่การปิดผนึกด้วยความร้อนไม่ดี
เรซิน PA มีคุณสมบัติกั้นบางอย่าง แต่อัตราการดูดซับความชื้นมีสูง ซึ่งส่งผลต่อคุณสมบัติของกั้น ดังนั้น โดยทั่วไปจึงไม่ใช้เป็นชั้นนอก
- โพลีเอสเตอร์ (PET, ปากกา)
วัสดุกั้นที่พบมากที่สุดและใช้กันอย่างแพร่หลายในหมู่โพลีเอสเตอร์คือ PET PET มีคุณสมบัติเป็นอุปสรรคที่ดีเยี่ยมเนื่องจากมีโครงสร้างทางเคมีที่สมมาตร ระนาบของสายโซ่โมเลกุลที่ดี การเรียงซ้อนของสายโซ่โมเลกุลที่แน่นหนา และการวางแนวการตกผลึกที่ง่ายดาย
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การประยุกต์ใช้ PEN ได้พัฒนาไปอย่างรวดเร็ว และมีความทนทานต่อไฮโดรไลซิส ทนต่อสารเคมี และทนต่อรังสียูวีได้ดี โครงสร้างของ PEN นั้นคล้ายคลึงกับของ PET ยกเว้นว่าโซ่หลักของ PET จะมีวงแหวนเบนซีน ในขณะที่โซ่หลักของ PEN จะเป็นวงแหวนแนฟทาลีน
เนื่องจากวงแหวนแนพทาลีนมีผลการผันคำกริยามากกว่าวงแหวนเบนซีน โซ่โมเลกุลจึงมีความแข็งมากกว่า และโครงสร้างมีระนาบมากกว่า ดังนั้น PEN จึงมีคุณสมบัติที่ครอบคลุมดีกว่า PET
เทคโนโลยีกั้นสำหรับวัสดุกั้นสูง
เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติกั้นของวัสดุกั้น โดยทั่วไปใช้วิธีการทางเทคนิคต่อไปนี้:
- คอมโพสิตหลายชั้น
คอมโพสิตหลายชั้นหมายถึงคอมโพสิตของฟิล์มตั้งแต่สองแผ่นขึ้นไปที่มีคุณสมบัติกั้นที่แตกต่างกันผ่านกระบวนการบางอย่าง ด้วยวิธีนี้ โมเลกุลที่ซึมเข้าไปได้จะต้องผ่านเมมเบรนหลายชั้นเพื่อไปถึงด้านในของบรรจุภัณฑ์ ซึ่งเทียบเท่ากับการขยายเส้นทางการซึมผ่าน ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของสิ่งกีดขวาง
วิธีนี้เป็นฟิล์มคอมโพสิตที่มีคุณสมบัติครอบคลุมดีเยี่ยม ซึ่งเตรียมโดยการสังเคราะห์ข้อดีของฟิล์มต่างๆ และมีกระบวนการง่ายๆ
อย่างไรก็ตาม เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุที่มีอุปสรรคสูงอย่างแท้จริง ฟิล์มที่เตรียมด้วยวิธีนี้จะมีความหนากว่า และมีแนวโน้มที่จะเกิดปัญหา เช่น ฟองอากาศหรือรอยแตกร้าว ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพของแผงกั้น และข้อกำหนดของอุปกรณ์ค่อนข้างซับซ้อนและมีต้นทุนสูง
- การเคลือบพื้นผิว
การเคลือบผิวคือการใช้การสะสมไอทางกายภาพ (PVD) การสะสมไอสารเคมี (CVD) การสะสมของชั้นอะตอม (ALD) การสะสมของชั้นโมเลกุล (MLD) การประกอบตัวเองทีละชั้น (LBL) หรือการสะสมของแมกนีตรอนสปัตเตอร์ วัสดุ เช่น โลหะออกไซด์หรือไนไตรด์จะสะสมอยู่บนพื้นผิวของฟิล์มเพื่อสร้างการเคลือบที่มีความหนาแน่นพร้อมคุณสมบัติเป็นเกราะป้องกันที่ดีเยี่ยมบนพื้นผิวของฟิล์ม
อย่างไรก็ตาม วิธีการเหล่านี้มีปัญหา เช่น กระบวนการที่ใช้เวลานาน อุปกรณ์ราคาแพง และกระบวนการที่ซับซ้อน และอาจเกิดข้อบกพร่อง เช่น รูเข็มและรอยแตกร้าวในการเคลือบระหว่างการบริการ
- นาโนคอมโพสิต
วัสดุนาโนคอมโพสิตคือวัสดุนาโนคอมโพสิตที่เตรียมโดยวิธีคอมโพสิตแบบอินเทอร์คาเลชัน วิธีการโพลิเมอไรเซชันในแหล่งกำเนิด หรือวิธีโซล-เจล โดยใช้อนุภาคนาโนแบบแผ่นที่ไม่สามารถซึมผ่านได้และมีอัตราส่วนกว้างยาวขนาดใหญ่ การเติมอนุภาคนาโนแบบเกล็ดไม่เพียงแต่สามารถลดสัดส่วนปริมาตรของเมทริกซ์โพลีเมอร์ในระบบเพื่อลดความสามารถในการละลายของโมเลกุลที่ซึมผ่านได้ แต่ยังยืดอายุเส้นทางการซึมผ่านของโมเลกุลที่ซึมเข้าไปได้ ลดอัตราการแพร่กระจายของโมเลกุลที่ซึมเข้าไปได้ และปรับปรุงคุณสมบัติของสิ่งกีดขวาง
- การปรับเปลี่ยนพื้นผิว
เนื่องจากพื้นผิวโพลีเมอร์มักจะสัมผัสกับสภาพแวดล้อมภายนอก จึงส่งผลกระทบต่อการดูดซับพื้นผิว คุณสมบัติอุปสรรค และการพิมพ์ของโพลีเมอร์ได้ง่าย
เพื่อให้พอลิเมอร์ใช้ในชีวิตประจำวันได้ดีขึ้น โดยทั่วไปพื้นผิวของพอลิเมอร์จะได้รับการบำบัด ส่วนใหญ่ได้แก่: การบำบัดด้วยสารเคมีที่พื้นผิว การปรับเปลี่ยนกราฟต์พื้นผิว และการบำบัดพื้นผิวพลาสมา
ข้อกำหนดทางเทคนิคของวิธีนี้ง่ายต่อการปฏิบัติตาม อุปกรณ์ค่อนข้างง่าย และต้นทุนการลงทุนเพียงครั้งเดียวต่ำ แต่ไม่สามารถบรรลุผลที่มั่นคงในระยะยาวได้ เมื่อพื้นผิวได้รับความเสียหาย ประสิทธิภาพการทำงานของสิ่งกีดขวางจะได้รับผลกระทบอย่างมาก
- การยืดแบบสองแกน
ด้วยการยืดแบบสองแกน ฟิล์มโพลีเมอร์สามารถวางทิศทางในทิศทางตามยาวและตามขวาง เพื่อปรับปรุงลำดับของการจัดเรียงสายโซ่โมเลกุล และการซ้อนจะแน่นขึ้น เพื่อให้โมเลกุลขนาดเล็กผ่านได้ยากขึ้น ซึ่งจะช่วยปรับปรุงคุณสมบัติของอุปสรรค กระบวนการเตรียมฟิล์มโพลีเมอร์ที่มีคุณสมบัติกั้นสูงมีความซับซ้อน และเป็นการยากที่จะปรับปรุงคุณสมบัติของกั้นอย่างมีนัยสำคัญ
การใช้วัสดุกั้นสูง
ในความเป็นจริงแล้วภาพยนตร์ที่มีอุปสรรคสูงได้ปรากฏในชีวิตประจำวันแล้ว ในปัจจุบัน วัสดุโพลีเมอร์ที่มีอุปสรรคสูงส่วนใหญ่จะใช้ในบรรจุภัณฑ์อาหารและยา บรรจุภัณฑ์อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ บรรจุภัณฑ์เซลล์แสงอาทิตย์ และบรรจุภัณฑ์ OLED
- บรรจุภัณฑ์อาหารและยา
ปัจจุบันบรรจุภัณฑ์อาหารและยาเป็นวัสดุที่มีอุปสรรคสูงที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุด วัตถุประสงค์หลักคือเพื่อป้องกันไม่ให้ออกซิเจนและไอน้ำในอากาศเข้าสู่บรรจุภัณฑ์เพื่อทำให้อาหารและยาเสื่อมสภาพ และลดอายุการเก็บรักษาได้อย่างมาก
สำหรับบรรจุภัณฑ์อาหารและยา โดยทั่วไปข้อกำหนดการกั้นจะไม่สูงมากนัก และอัตราการส่งผ่านไอน้ำ (WVTR) และอัตราการส่งผ่านออกซิเจน (OTR) ของวัสดุที่ต้องการการกั้นควรต่ำกว่า 10 กรัม/ตารางเมตร/วัน และ 100 ซม.3/ตารางเมตร/วัน ตามลำดับ
- บรรจุภัณฑ์อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ ผู้คนจึงหยิบยกความต้องการชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่สูงขึ้น และพัฒนาไปสู่ความสามารถในการพกพาและมัลติฟังก์ชั่น สิ่งนี้ทำให้เกิดข้อกำหนดที่สูงขึ้นสำหรับวัสดุบรรจุภัณฑ์ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งไม่เพียงแต่จะต้องมีฉนวนที่ดีเท่านั้น แต่ยังสามารถปกป้องจากการถูกกัดกร่อนโดยออกซิเจนและไอน้ำภายนอก และต้องมีความแข็งแรงบางอย่างด้วย ซึ่งต้องใช้กับวัสดุกั้นโพลีเมอร์
โดยทั่วไป คุณสมบัติอุปสรรคของวัสดุบรรจุภัณฑ์สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์คือ อัตราการส่งผ่านไอน้ำ (WVTR) และอัตราการส่งผ่านออกซิเจน (OTR) ควรต่ำกว่า 10-1 กรัม/ตารางเมตร/วัน และ 1 ซม.3/ตารางเมตร/วัน ตามลำดับ
- บรรจุภัณฑ์โซลาร์เซลล์
เนื่องจากพลังงานแสงอาทิตย์สัมผัสกับอากาศตลอดทั้งปี ออกซิเจนและไอน้ำในอากาศจึงสามารถกัดกร่อนชั้นโลหะภายนอกเซลล์แสงอาทิตย์ได้อย่างง่ายดาย ซึ่งส่งผลกระทบร้ายแรงต่อการใช้เซลล์แสงอาทิตย์ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องห่อหุ้มส่วนประกอบเซลล์แสงอาทิตย์ด้วยวัสดุกั้นสูง ซึ่งไม่เพียงแต่รับประกันอายุการใช้งานของเซลล์แสงอาทิตย์ แต่ยังช่วยเพิ่มความแข็งแรงต้านทานของเซลล์อีกด้วย
คุณสมบัติกั้นของเซลล์แสงอาทิตย์สำหรับวัสดุบรรจุภัณฑ์คือ อัตราการส่งผ่านไอน้ำ (WVTR) และอัตราการส่งผ่านออกซิเจน (OTR) ควรต่ำกว่า 10-2 กรัม/ตารางเมตร/วัน และ 10-1 ซม.3/ตารางเมตร/วัน ตามลำดับ
- บรรจุภัณฑ์ OLED
OLED ได้รับความไว้วางใจให้รับผิดชอบจอแสดงผลเจเนอเรชั่นถัดไปตั้งแต่ช่วงเริ่มต้นของการพัฒนา แต่อายุการใช้งานที่สั้นมักเป็นปัญหาสำคัญในการจำกัดการใช้งานเชิงพาณิชย์ พวกมันทั้งหมดไวมากและมีการปนเปื้อนได้ง่าย ส่งผลให้ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ลดลง จึงลดประสิทธิภาพการส่องสว่างและทำให้อายุการใช้งานสั้นลง
เพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพการส่องสว่างของผลิตภัณฑ์และยืดอายุการใช้งาน อุปกรณ์จะต้องแยกออกจากออกซิเจนและน้ำระหว่างการบรรจุ
และเพื่อให้แน่ใจว่าอายุการใช้งานของจอแสดงผล OLED แบบยืดหยุ่นนั้นมากกว่า 10,000 ชั่วโมง อัตราการส่งผ่านไอน้ำ (WVTR) และอัตราการส่งผ่านออกซิเจน (OTR) ของวัสดุปิดกั้นจะต้องต่ำกว่า 10-6g/m2/วัน และ 10-5cm3/วัน ตามลำดับ ลูกบาศก์เมตร/วัน ซึ่งมาตรฐานนี้สูงกว่าข้อกำหนดสำหรับคุณสมบัติของอุปสรรคในด้านเซลล์แสงอาทิตย์แบบอินทรีย์ บรรจุภัณฑ์เซลล์แสงอาทิตย์ และเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์สำหรับอาหาร ยา และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ดังนั้น จึงต้องใช้วัสดุซับสเตรตที่ยืดหยุ่นซึ่งมีคุณสมบัติกั้นที่ดีเยี่ยมในการบรรจุอุปกรณ์ เพื่อตอบสนองความต้องการที่เข้มงวดของชีวิตผลิตภัณฑ์
