BOPP烟膜的透湿量研究
2021-07-20周先进赵燕季云飞项磊
周先进 赵燕 季云飞 项磊
（1.湛江包装材料企业有限公司，广东湛江；安徽中烟工业有限责任公司，安徽合肥）
0.前言
香烟在制作过程中添加数种有机物和无机物，这些成分会随着贮存环境的改变而生成各类微生物和霉菌。而这些微生物和霉菌在吸烟的过程中，遇到高温燃烧之后易变成毒素，所以吸变质烟对人体的健康将造成极大的危害[1]。
香烟的保存时间因贮存环境不同而存在差异，环境合适时可贮存两到三年，环境不好时可能连一年也无法存放。受潮和发霉是影响香烟保质期的最主要原因，而保香对于高档香烟来讲也是至关重要[2]。
与其他消费品不同，香烟的最小出售包装是多层包装，包括里层的铝箔纸、中间的软包或者硬包纸盒、以及外层透明的塑料薄膜，每一层包装的保护功能都是独立的，而整个包装的阻隔性能的优劣是关系到香烟是否会受潮发霉、保持货架期间香气的关键。外层的透明塑料薄是 BOPP烟膜，它是整个香烟包装中阻隔性能最关键的材料。虽然它的阻氧性能一般，但是阻湿性能良好，保香性也能满足使用要求，因此应用广泛[3]。
目前各大中烟技术中心只是将透湿量作为辅助指标，烟膜企业基本上不对透湿量进行测试，因此相关的研究几乎没有。透湿量是材料阻隔性能的体现，透湿量关乎到香烟的质量稳定、保质期以及储存条件等，是评价BOPP烟膜防潮保香性能的关键指标[4]。
我司是生产烟膜的专业厂家，银丰品牌是广东省著名商标，目前生产有三个大类、七个小类、二十多种BOPP薄膜。本文基于多份样品的透湿量测试数据，梳理样品与烟膜配方、厚度以及时效时间之间的关系，以供大家参考。
1.水蒸气渗透原理
1.1 原理
高分子材料薄膜，具有一定的微小孔隙，水蒸气可透过微小孔隙在薄膜包装两侧游走。由于水蒸气属于可凝聚气体，其渗透薄膜，有两个递进层次，水蒸气首先吸附、凝聚及溶解于薄膜的表面，形成一定的气体浓度，然后在一定的浓度差之下，水蒸气从浓度高的薄膜侧向浓度低的薄膜侧进行扩散[5]。
1.2 方程
假设水蒸气在BOPP烟膜中的浓度与距离的关系是线性，水蒸气扩散是在稳态下进行且只在一个方向进行，没有横向或交叉的扩散[6]。在上述假设前提下，由菲克第一扩散定律和亨利溶解定律得知，BOPP烟膜水蒸气稳态扩散速率，单位时间、单位面积的透湿量与两侧水蒸气压差成正比，与厚度成反比，即 Q=Pv·△P/d，其中 Q为透湿量，g/m2·24 h；Pv为水蒸气透过系数，g·cm/cm2·s·Pa；△P 为试样两侧的水蒸气压差，Pa；d为试样厚度，cm。综上，透湿量与厚度存在一定的关系，水蒸气透过系数与烟膜配方和时效处理时间存在一定的关系，这些都会在本文中进行详细探讨。
2.试验方法及仪器设备
2.1 试验方法
GB/T 1037-1988《塑料薄膜和片材透水蒸汽性试验方法》，YC/T 266-2008《烟用包装膜》。
透湿量测试在YC/T 266-2008中要求样品的额定厚度为 100 u，远大于烟膜厚度。为了节约研究成本，本文所有样品的厚度介于18～28 u，得出的研究结论更加贴合实际。
2.2 试验条件
温度（38±0.6）℃，相对湿度（90±2）%
2.3 试验设备
Labthink TSY-T3透湿性测试仪（济南兰光机电技术有限公司生产），基于杯式法测试原理；DM-THICKGA型薄膜测厚仪（德国 ZWICK生产），精度0.2 μ m。
2.4 试验样品
BOPP 烟膜共20 份。
2.5 试验原理
一定量的蒸馏水加入透湿杯中，放置被测样品与透湿杯上，密封，将透湿杯放入已调好温湿度的恒温恒湿环境中，使得样品一侧保持恒定的饱和蒸气压，另一侧保持干燥。饱和水蒸气会透过样品进入干燥侧[7]，通过测量透湿杯中蒸馏水蒸发量计算出透湿量（WVT），具体为一定的水蒸气压差和一定厚度条件下，1 m2的试样在24 h内透过的水蒸气量，单位为g/m2·24 h。每份样品做3个平行试验，结果取平均值，且每份样品的每一个测试值与平均值的偏差不超过10%，否则重测。
3.试验结果
3.1 厚度对透湿量的影响
在其它因素不变的前提下，对不同厚度的烟膜进行透湿量表征，结果如图1所示。
图1 厚度对透湿量的影响Figure 1 Effect of thickness on moisture permeability
由图1可知，随着烟膜的厚度增加，透湿量下降。特别是厚度大于25u时，透湿量改善比较显著。
3.2 储存时间对透湿量的影响
在其它因素不变的前提下，对不同储存时间的烟膜进行透湿量表征，结果如图2所示。
图2 储存时间对透湿量的影响Figure 2 Effect of storage time on moisture permeability
由图2可知，随着时效时间的增加，透湿量有所下降。在时效两周左右有一个节点，透湿量稳定之后就不再变化，这与BOPP薄膜在两周左右弹性模量会基本稳定下来直接对应[8]。
3.3 工艺参数对透湿量的影响
BOPP烟膜的工艺参数众多，对透湿量影响最大的是纵横拉工序的总拉伸比，也称之为拉伸倍率。因为拉伸倍率会直接影响分子的取向和结晶[9]，这些因素对水蒸气的阻隔也会有影响。
在其它因素不变的前提下，对不同拉伸倍率的烟膜进行透湿量表征，结果如图2所示。
由图3可知，随着拉伸倍率的增加，透湿量逐渐下降，当拉伸倍率达到60左右时，透湿量基本不再下降。如果再继续提高拉伸倍率，就会增加破膜风险。
图3 拉伸倍率对透湿量的影响Figure 3 Effect of tensile ratio on moisture permeability
3.4 配方材料对透湿量的影响
BOPP烟膜配方中使用了多种材料，主要包括均聚聚丙烯、共聚聚丙烯以及各类添加剂。添加剂又细分为增刚剂、抗静电剂、抗粘剂以及爽滑剂等，其中以增刚剂用量最大，其它添加剂都是少量和微量使用，对透湿量的影响几乎可以忽略不计[10]。
相比均聚聚丙烯、共聚聚丙烯，增刚剂可以改善薄膜的结晶程度和凝聚态结构，对透湿量的影响要明显大于前两者，所以本节主要讨论配方中的增刚剂因素。
在其它因素不变的前提下，对不同增刚剂用量的烟膜进行透湿量表征，结果如图4所示。
图4 增刚剂用量对透湿量的影响Figure 4 Effect of stiffening agent dosage on moisture permeability
由图4可知，随着增刚剂用量的增加，透湿量逐渐下降。在增刚剂达到20%左右时，透湿量基本稳定下来。如果再继续投入增刚剂，对透湿量的改善不大不说，还会增加成本。
4.结论
本文研究了不同类型BOPP烟膜的透湿量，研究结果表明：透湿量与薄膜厚度、储存时间、拉伸倍率以及增刚剂的用量呈一定的反向关系。虽然如此，但反向关系中的斜率并不是恒定的，受到薄膜取向、结晶、后结晶以及凝聚态结构等多重因素的综合影响，需要结合生产经验加以控制才可以达至最佳的阻透性能。
