浅谈高阻隔膜的应用与发展趋势

范 强 鲁远航

1. 中国航天科技国际交流中心；2. 北京数智空间信息咨询有限公司

高阻隔是指对低分子量的化学物质（如气体和有机化合物等）具有非常低的透过性。高阻隔是许多聚合物材料都要求具备的特性之一，高阻隔材料可以有效保持产品的原始性能，延长产品寿命。高阻隔膜在电子电路、生物医药、环境保护、医疗卫生等领域均具有广泛的应用前景。本文对高阻隔膜主流制备技术及该材料在不同行业的应用需求和特点作了简要分析，并对未来产业及技术应用趋势作了发展研判。

一、高阻隔膜的制备技术

高阻隔膜的制备技术主要有层层自组装技术、溅射沉积技术、气相沉积技术3 种。

1. 层层自组装技术

层层自组装技术利用具有正负电荷的聚电解质，以液/固两种介质的交互作用，构建出一系列复杂的膜结构。近十几年来，随着技术的进步，层层自组装技术的应用范围从传统的聚电解质拓宽至多种材质，包括聚电解质、聚合物刷、纳米复合材料、纳米碳管、胶体以及其他具有电荷的微小颗粒。层层自组装技术可应用于多种不同的物理环境，包括有机物、无机物和离子物，通过将正、负离子交替沉积在基板表面来制备膜层。该技术具有制备成本低、制备过程简单等优点。

2. 溅射沉积技术

溅射沉积技术通过离子束轰击、惰性气体辅助等方式在基板表面制备膜层，其具有制备速度快、膜层均匀等优点。该技术利用磁控溅射技术，可以有效地将氧化硅靶溅射到基体上，从而实现沉淀。这种方式的特性使得该技术效果更加显著，而且具有更高精确性、更少热损失、更大耐腐蚀性以及更高耐磨性。

3. 气相沉积技术

气相沉积技术是通过高温化学反应、热分解等方式在基板表面制备膜层，该技术具有制备膜层纯度高、膜层较薄。常用的物理气相沉积法包括电阻法、电子法、涂覆法3 种。电阻法使用电阻丝进行加热，使得物质在1700℃的温度下进行气相沉积。电子法则使用电子束进行加工，使物质在电子束的作用下进行气相沉积。这些方法的主要成分都是氧化硅、二氧化硅，并且它们的配置也各不相同。潘宁放电等离子体增强化学气相沉积技术可以高效、高稳定性地制备氧化硅薄膜。

二、产品技术方向与市场现状

1.国外发达国家高阻隔膜工艺先进市场价值高

从国外发展情况来看，从镀铝高阻隔膜开始，欧美与日本等发达国家与地区的高阻隔膜技术经过无铝箔化、减层化后，正在进入单一材料化过渡阶段。

目前，发达国家的生产厂家能够依据市场需求来对基膜、底涂层、氧化物镀层及顶涂层进行有机组合，确保以最佳的成本和适合的质量满足市场不同应用场景的需要，通过细分市场来赢得良好的效益。高端市场对高阻隔膜的年需求超过10 万吨，交易值过百亿美元。从镀膜或涂布材料角度来看，镀氧化铝产品占市场份额50%以上，镀氧化硅产品约占30%，涂布型产品约占20%；从基材角度来看，聚对苯二甲酸乙二酯占65%以上；尼龙占30%左右；邻苯基苯酚占5%左右。

从加工工艺上分析，物理气相沉积法镀氧化铝的效率极高，工艺车速在36 km/h 以上，但镀层脆而薄，加工时容易碎裂，必须使用先进的底涂层及顶涂层技术才能弥补性能不足。化学气相沉积法镀氧化硅效率相对要低一些，工艺车速在6 km/h 以内，但其镀层韧且厚，加工稳定性优秀，对底涂层及顶涂层技术依赖性低于氧化铝。

2.国内高阻隔膜工艺相对落后，市场容量大

我国的高阻隔膜市场及技术水平参差不齐，目前以民用市场应用为主要市场，军用领域也开始逐步涉及。主体市场的高阻隔膜技术还处于第二代产品，以铝塑膜和单涂层型K 膜等质量水平不高的低价产品为主。但这个低端市场非常巨大，未来可替换的低端阻隔膜市场的年用量超20 万吨。

以佛山市彩龙镀膜包装材料有限公司、广东正一包装股份有限公司、浙江长宇新材料股份有限公司、黄山永新新材料有限公司等为代表的中国公司开始进行产业升级，陆续引进了10 条物理气相沉淀镀氧化铝生产线来与日本等发达国家竞争，但因缺乏自主知识产权的底涂层及顶涂层技术，暂时无法真正进入高端产品市场。

三、高阻隔膜的应用领域

1. 军用领域

国内军用高阻隔膜应用目前处于初级阶段，主要以军品包装为主。弹药中的炸药、火药、起爆药等敏感材料容易受潮而导致失效，出现哑弹情况; 精密仪器中的一些关键部件也易受潮生锈或发生霉菌侵蚀导致仪器设备损坏。《可热封柔韧性防静电阻隔材料规范》（GJB 2605-96）规定，包装材料透湿性能达到一定等级，才能满足产品长期（20 年以上）存储的性能要求。基于这些需要，高阻隔材料在军品包装中得到了广泛应用，弹药常用的内包装材料一般采用水蒸气渗透系数较小的高分子材料，且要求化学性质稳定、易加工、质轻、廉价等优点，如聚偏二氯乙烯。

与此同时，随着高阻隔膜民用市场应用的普及，军方对可热封柔韧性透明高阻隔复合材料结构与成分进行研究，提出了功能层、阳隔层和防护层材料选用的更新要求。

2. 民用领域

高阻隔膜具有优异的气体、液体隔离性能，在多个领域有着广泛的应用。在医疗领域，用于医疗器械的包装和隔离，以保证药品和医疗设备的质量；在食品保鲜领域，用于食品包装中的气体和水分隔离，以延长食品的保鲜期；在能源领域，用于锂电池、燃料电池、太阳能电池等能源设备的隔离和保护；在电子领域，用于半导体、平板显示器、LED 等电子器件中的隔离层。

随着食品、药品、电子器件以及光伏电池的需求不断增加，我国包装膜材料的发展变得越来越迅猛，这就要求产品必须具备更高的阻隔性、保鲜性、耐热性和抗菌性，以满足消费者的多样化需求。随着各行业对膜材料的抗氧化和抗水性的日益提高，高阻隔膜材料凭借其卓越的隔离性能，已经成为许多行业的理想选择，主要行业应用如下。

（1）食品包装领域

随着技术的进步，食品包装的应用领域已成为当今高阻隔膜最受欢迎的领域，超过90%的食品包装都采用了高阻隔材料，而且每年的使用量也超过了350万吨。为了提升产品质量，采用高性能的包装材料，如高阻隔膜，可以大大降低防腐剂、脱氧剂的使用量，同时也能延长产品的保质期，这种材料被广泛地运用到各种不同类型的食物包装，如微波/蒸煮/速食、牛羊肉、各种零食、农产品、饮料、乳制品等。近年来，随着消费者对新鲜食材的需求不断增加，我国的生鲜零售市场迅速发展，大大带动了下游包装行业的需求增长，尤其是适用于生鲜包装的乙烯—乙烯醇共聚物高阻隔膜，其水蒸气透过率远远超出食品包装对透气通过率的要求。

（2）医药领域

高阻隔膜作为一种新型的环保型医疗包装材料，特别适用于输液包装。它采用多层聚烯烃制成，无需添加任何黏合剂，可以通过熔融和交联的方式制成，从而解决了黏合剂不稳定性的问题，可以大大增强膜的耐久性和可靠性。

目前，高阻隔包装技术的发展使得聚烯烃、聚氯乙烯（PVC）、氧化物高阻隔膜、多层共挤膜等技术得到了全方位的应用，其中聚氯乙烯耐高温蒸煮性能较差，出于对其安全性及环境友好的考虑，目前已经逐渐从市场上消失，而非PVC 的复合材料正逐渐取代它。聚烯烃具有良好的化学稳定性，无论是从表面还是从内部，都具备良好的耐腐蚀性，而且具备良好的安全性及环境友好的特点，适宜作为医用输液相关的材料包装。除此以外，针对水氧敏感的药品可以使用聚烯烃材料，或者采用多层共挤膜等，以提高它们耐高温等性能。相比聚烯烃包材，氧化硅高阻隔膜具备更优异的抗菌、抗病毒、抗紫外线等特点，同时具备良好的安全性、环境友好性等特点，拥有良好的应用前景。不同种类的材料优劣势分析如图1 所示。

图1 不同种类的材料的优劣势分析

（3）有机发光二极管领域

有机发光二极管（OLED）作为最先进的平板显示技术，其节能、低耗能、宽广的观看范围和灵活的操作能力，使其在液晶显示器（LCD）方面占据了更高的市场份额，并且正在迅速地在中小型屏幕的设备用上普及。根据前瞻产业研究院出具的《2018—2023年我国高阻隔膜行业发展前景预测与外商投资规划分析报告》，2013—2020 年，我国OLED 产能的年均增长率有望超过64.82%，这一增长趋势可能会持续下去。OLED 产能趋势如图2 所示。

图2 有机发光二极管（OLED）产能趋势

柔性OLED 显示器的设计使用寿命需要在10000 h以上，对阻隔材料的要求也相对较高，要能够随着屏幕柔性的变化而变化，可做到折叠、翻转、震动、高温不改变其形状特征，因此必须选用综合性能优异的柔性衬底材料进行封装，以达到产品的设计使用寿命，这对我国柔性OLED 用高端高阻隔膜的“质”与“量”提出了更高的要求。

四、对高阻隔膜产业化推进的建议

1. 产业环境

目前，欧美及日本高端阻隔膜研发、制造基地尚未在中国布局，日本三菱电机公司在泰国和德国，日本东丽株式会社在印尼，日本尤尼吉可株式会社撤走了江苏的生产工厂。另外，日本已出台规定，禁止氧化铝进入食品包装市场，这将为氧化硅带来更大的市场。在我国占据主流但焚烧时会产生二噁英的K 膜已经被欧美禁止使用，国内食品包装常见的脱氧剂、干燥剂、保鲜剂等添加物质在海外也已逐渐禁止使用。中国作为世界工厂，需要加速高阻隔膜材料升级。

随着环保标准的提高，可降解和可回收基材上进行阻隔处理，为高阻隔膜的发展带来无限可能。例如，目前全球软包装最大的企业美国安姆科集团、瑞士雀巢公司等都已经宣布在2025 年全部实现可回收或可降解。

2. 国内发展机遇

随着国内以良品铺子、三只松鼠、周黑鸭、无穷鸡翅等中高端休闲食品品牌的不断涌出，对高阻隔膜的需求爆发性增长。国内法律会对食品包装要求越来越严格，相关立法在可预见的未来会陆续出台。青少年群体是休闲食品、方便食品的消费主体，传统家庭厨房正在淡化，速食及微波食品越来越流行，使用可耐高温的阻隔膜食品包装需求将剧增。

军用市场也开始有所发展，除了少数几种如聚偏二氯乙烯和聚酰胺等包装膜国内能够生产，技术接近进口水平，在其他包装膜的开发方面与国外还存在很大差距，性能优良的阻隔材料还需要大量进口。但随着技术的发展，大部分高阻隔包装材料必将实现国产化，使其成本降低，最终扩大高阻隔包装材料的应用范围，同时也将促进其在军品包装中的应用。

3. 上下游供应链机遇

作为上游关键物料的基膜，国内聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基材制造商企业众多，但可以提供12 μm 以下高性能高阻隔膜的企业相对较少。国内PET 基材的公司如果能够抓住高阻隔膜高速发展的历史机遇，提前布局有在线涂布的12 μm 拉膜线，不但可以获得关键成本优势，还可以带动高阻隔膜的国内全产业链，参与国际市场竞争。

总之，高阻隔膜是一种功能性材料，在电子电路、生物医药、环境保护、医疗卫生、能源等领域有着广泛的应用前景。尤其是近年来随着方便食品的兴起，以及各类创新药品、新材料及相关化学品产品研发和需求的推动下，市场及产品对于包装膜材料中膜材料的要求越来越高，要求开发出集保险性能、无毒无味特性、高阻隔性、耐热性、抗折叠性、抗菌性等功能于一体的高性膜材料，推动着高阻隔膜材料的迅速发展。同时随着国家环保工作的成果越来越显著，人们的环保及资源保护意识逐步增强，开发出环境友好型的高阻隔膜材料也成为了未来的热点方向。未来，我们要以高阻隔膜材料性能升级为重点，不断缩短与国外高阻隔膜技术差距，不断优化高阻隔膜的产业化结构，不断满足人们日益增长的市场需求。