《包裝設計制作工藝與檢測技術標準實用手冊》

第二篇 包裝技術與工藝

第二章　防潮（濕）包裝技術

第二節　防潮包裝原理

一、包裝材料的透濕機理

除一定厚度以上的金屬、玻璃、部分陶瓷材料不透濕外，對于大多數材料來說，都有一定的透濕性。以某種透濕材料為界限，隔開兩側空間，當兩側的空氣濕度存在差別時，則高濕度一側空氣中的濕氣（即水蒸氣），就會通過材料，向低濕度一側的空氣中透過。材料的透濕程度是由材料的種類、內部結構、厚度以及環境溫度及材料兩側水蒸氣的壓力差（或濕度差）決定的。金屬箔、玻璃薄片、部分陶瓷的透濕，主要是由材料內部的空穴結構引起的毛細流動所造成的。紙、紙板、塑料板、塑料膜、橡膠制品、木板材料等的透濕，主要是由纖維或主分子鏈之間搭接程度疏密不均造成了許多微小的空隙，其中包括分子間空隙與分子內空隙，使活化的水分子擴散或遷移所造成的。所以說，包裝用塑料薄膜的透濕現象主要是由活性水分子擴散而導致的。另外，吸濕性塑料因表面對水分子有較強的吸附能力，從而使水分子對材料的溶解能力增加，使得這種材料的透濕性能增強。

由于塑料薄膜用于防潮包裝比較多，并且具有其他包裝材料的共同特點，所以我們以塑料薄膜的透濕機理來研究包裝的防潮原理。

二、透濕量及其計算公式

透濕量是指透過某一包裝材料的水蒸氣量（Q），單位用g表示。

假若將一厚度為L，表面積為A的薄膜，置于兩側分別為高濕度PH（水蒸氣壓力）（或hH（相對濕度））和低濕度PL（或hL）的空氣中，高濕度一側的薄膜表面就會吸附一定量濕氣（水分子），被吸附的濕氣就會進一步溶解到材料的分子結構中，其中具有活性的水分子會繼續向材料內部擴散，最后達到材料的另一側逸出并揮發到低濕度的空氣中。這一過程需要延續一定時間后，才能達到透濕的穩定狀態，即高濕側材料表面水分子溶解進入的量與低濕側材料表面水分子逸出的量相等的狀態（穩態）。在穩態，若薄膜兩側之間水蒸氣的壓力差或相對濕度差一定，并且環境溫度也保持恒定時，則濕氣將以一定常速透過薄膜。此時，可根據費克第一定律推導出透濕量Q的計算式。

根據費克第一定律，

dm/dt＝－DA（dc/dx）　　　　　　　（2－2－1）

式中：dm/dt為水蒸氣透過速率；

　　D為擴散系數；

　　A為膜的面積；

　　dc/dx為膜內水分子的濃度梯度。

　　對于穩態條件，dc/dx為常數B，積分得

B＝－（CH－CL）/L

則有

dm/dt＝－DAB＝DA（CH－CL）/L

積分得到透濕量

∫Q0dm＝[DA（CH－CL）/L]∫t0dt

即

Q＝[DA（CH－CL）/L]t　　　　　　　（2－2－2）

其中：t為測試時間。

圖2－2－2給出了透濕量與測試時間的實測曲線。t由圖看出：在由t＝0到t＝T的一段時間內，擴散沒有達到穩態，Q與t的關系不是直線。定義T為滯后時間。上述定積分的起始時間不應為t＝0，而應為t＝T，即積分結果為

Q＝[DA（CH－CL）/L]（t－T）　　　　　（2－2－3）

由于在實際的包裝中所采用的時間t滯后時間T，上式可寫成

Q＝D·A[（CH－CL）/L]t

但在測試時，必須考慮滯后時間T。

由于水分子濃度很難測定，所以根據享利定律（C＝Sp），一般用Sp取代C，其中S是水蒸氣在薄膜中的溶解度系數，p為水蒸氣壓，則（2－2－3）式可化為

Q＝DSAt(pH－pL)/L

只要知道D、S、A、t、pH、pL、L等值即可求出透濕量Q值。

三、透濕系數及其計算公式

上面推導出了透濕量的求解公式，但薄膜的溶解系數S、擴散系數D都較難直接測量。所以，我們引進一個新的參數———透濕系數P來代替D和S。

定義P＝D·S，那么

Q＝PAt(pH－pL)/L　或 P＝QL/[At（pH－pL）]　　　　　　（2－2－4）

圖2－2－2　薄膜透濕量與測試時間的關系圖

P的單位是g·cm／（cm2·s·Pa）或g·mm／（m2·d·Pa）。這時Q的單位為g，厚度L的單位為cm或mm，A的單位為cm2或m2，t的單位為s或d，p的單位為Pa。

實際上，透濕系數P真實反映了包裝材料的透濕能力，是衡量薄膜透濕性能的一個重要參數。

由于在實際工作中主要以濕度來衡量空氣中濕氣的含量，而很少采用水蒸氣壓力，并且測量水蒸氣壓力比較麻煩，測量相對濕度很容易，所以，為計算上的方便，我們常將p（壓力）換算成h（相對濕度）。因h＝p/pθ×100，式中pθ是指θ℃時的飽和水蒸氣壓，所以透濕量與透濕系數的換算公式可表示成：

Q＝PAt[（hH－hL）pθ×10－2]/L　　　　（2－2－5）

P＝QL/[At（hH－hL）pθ×10－2]　　　　（2－2－6）

由以上公式可以很方便地求得P和Q的值。

在薄膜透濕性能的測定中，一般是在A－B時間內進行測量（見圖2－2－2），在薄膜的厚度L、表面積A、兩表面之間的濕度差△h即h1－h2為已知的情況下，我們可由直線的斜率直接得知△Q／△t。由

P＝(△Q/△t)·[L/A（hH－hL）pθ×10－2]

求得其薄膜透濕系數P。若做直線的延長線交于橫軸C點，則OC即為滯后時間T。由費克第二定律dc/dt＝D(d2c/dx2)，求得

D＝L2/6T　　　　　　（2－2－7）

根據T，代入上式可求出薄膜的透濕擴散系數D的值。同理，也可根據P＝D·S求其溶解度系數S的值。

表2－2－1不同溫度下的飽和水蒸氣壓力值

返回目錄頁