高阻隔材料

高阻隔材料（精选5篇）

高阻隔材料 篇1

摘要：综述了目前常用高阻隔性高分子材料,指出了它们的优缺点,介绍了目前主要的阻隔技术以及高阻隔性高分子材料的应用现状。另外,探讨了当今几种新型高分子材料阻隔技术的优缺点,并对阻隔性高分子材料的发展趋势进行了展望。

关键词：包装材料,阻隔性能,阻隔技术

“高阻隔”无疑是一种非常理想的属性,是许多聚合物包装材料都要求具备的特性之一。在专业术语中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。高阻隔包装材料可以有效的保持产品的原始性能,延长其货架寿命[1,2,3]。

1 常见高阻隔材料

目前,高分子材料中常用的阻隔材料主要有以下几种:

1. 1 聚偏氯乙烯 ( PVDC)

PVDC是偏氯乙烯( VCD) 和氯乙烯( VC) 的共聚物,对氧气和水蒸气具有优异的阻隔性。这是由于PVDC的分子结构对称,其分子间具有较强的凝聚力,小分子在其间很难移动,因而阻隔性能很好。PVDC的高结晶性、高密度以及疏水基的存在使得其透氧率和透水气率极低,从而使PVDC具有优异的气体阻隔性,与其他材料相比可以更好的延长包装物品的保质期,加之其印刷适应性好,易于热封,因而被广泛应用于食品与药品包装、果汁饮料的保鲜、茶叶与卷烟的防潮领域[4,5]。

但由于纯PVDC软化温度高且与其分解温度接近,与一般增塑剂相容性差,故其热成型困难,难以直接应用。实际使用的PVDC薄膜多为由偏氯乙烯( VDC) 与氯乙烯( VC) 或丙烯酸甲酯( MA) 的共聚得到阻隔性优良的薄膜。

刘希伟等[6]通过溶液聚合法制备了偏氯乙烯 - 丙烯酸甲酯共聚物涂覆型涂料,并采用傅立叶红外光谱仪( FT - IR) 、热重分析仪( TGA) 以及凝胶渗透色谱仪( GPC) 对共聚物进行了表征,确定该共聚物的聚合条件为: 单体配比m( 偏氯乙烯) ∶ m( 丙烯酸甲酯) = 88∶12,引发剂过氧化苯甲酰与N,N - 二甲基苯胺的用量为单体总质量的0. 6% ,反应时间20 h; 用四氢呋喃( THF) 和乙酸丁酯制备成混合溶剂,当它们的体积比为0. 4∶ 1时制备的薄膜阻隔性能最好,其水汽透过率为5. 42 g / ( m2· 24 h) 。

1. 2 乙烯 - 乙烯醇共聚物 ( EVOH)

EVOH是乙烯和乙烯醇的共聚物,具有非常好的阻隔性能。这是因为EVOH的分子链上含有羟基,而分子链上的羟基之间易生成氢键,使分子间作用力加强,分子链堆积更紧密,使EVOH的结晶度较高,从而具有优异的阻隔性能。此外,EVOH分子链中的羟基具有极性,使得空气中非极性的氧气很难透过EVOH。另外,EVOH中的乙烯醇链段也为极性,所以EVOH对非极性溶剂也具有良好的阻隔性能,而分子链中非极性的乙烯部分又可以提高EVOH对水等极性溶剂的阻隔性能。

但是,EVOH结构中含有大量具有亲水性的羟基,使得EVOH易吸湿,从而使阻隔性能大大降低; 另外,分子内与分子间具有较大的内聚力及高结晶度导致其热封性能较差。

为了提高EVOH的阻隔性能,添加层状纳米粒子制备纳米复合材料为常用方法之一。如Cabedo L等[7]用十八烷基胺对高岭土进行有机改性,然后采用熔融共混法制备了EVOH - 高岭土纳米复合材料。采用广角X射线衍射仪( WAXS) ,透射电子显微镜( TEM) ,差示扫描量热仪( DSC) ,TGA和透气测定仪 ( GPA) 等手段对纳米复合材料进行表征。结果表明: 粘土片层呈现局部剥离和插层共存形态,当粘土含量低于8wt% 时,纳米复合材料的玻璃化转变温度和结晶度提高,隔热性能和阻氧性能得到改善。

1. 3 聚酰胺 ( PA)

聚酰胺通称尼龙,它的重复单元结构含有酰胺基团。由于聚酰胺分子链中的酰胺基团上的氢易于和另一个酰胺基团上的羟基形成氢键,使得聚酰胺分子间作用力增大,分子排列规整,产生结晶结构,从而使聚酰胺具有高阻隔性。聚酰胺树脂中,尼龙6是常见的高阻隔包装材料。

但由于PA结构中的酰胺基团为极性,所以PA吸湿性强, 虽然适用于蒸汽消毒,但在潮湿条件下气密性下降、尺寸不稳定、刚性较差、易起皱。通常采用接枝、嵌段、共混等手段对其进行改性以满足不同应用领域的需求。

Lafitte G等[8]通过熔融共混法制备了一系列不同比例的PA11 / 聚羟基氨基醚( PHAE) 共混物,并在相同的加工条件下通过挤压成型制备得到薄膜。PA11 /PHAE共混物呈现两相形态。 当混合物中PA11质量含量较低时,PA11为分散相,呈现长纤维状结构; 当PA11的含量大于50wt% 时,PHAE被PA11基体包围; 采用DSC和动态机械分析仪( DMA) 表征了PA11 /PHAE的相互作用,研究了混合物的组成和形态对其机械性能和氢气阻隔性能的影响。结果表明,随着共混物中PHAE含量的增加,其氢气渗透性降低。将实验氢气渗透率值和通过具体性质和形态计算得到的理论值进行了比较,发现其氢气阻隔性能的改善主要与混合物的组成有关。

Picard E等[9]利用熔融共混法制备了PA6 /MMT纳米复合薄膜材料,讨论了粘土含量和分散状态对薄膜阻隔性能的影响。通过对不同体系扩散分子的动力学直径和相互作用能力对阻隔性能的影响进行测定,发现相对渗透率与渗透分子的性质之间没有关系,提高阻隔性能的主要原因是延长了扩散路径。 结果表明: 纳米复合材料的成分对聚酰胺基体的结晶形态的影响很小,复合材料的渗透性能与粘土含量和分散有关。

Tsai T Y等[10]通过原位聚合法制备了尼龙6 /粘土纳米复合材料,其中粘土采用不同阳离子进行改性,并将尼龙6 /粘土纳米复合材料与纯尼龙6聚合物的机械性能、热性能和气体渗透性能进行了比较。通过DSC表征了尼龙6 /粘土纳米复合材料的热性能,分析表明该剥离型纳米复合材料具有较好的热性能。采用GPA测定了尼龙6 /粘土纳米复合材料的CO2气体阻隔性能,结果表明: 粘土在聚合物基质中更好的分散能够使阻隔性能大幅提升。

1. 4 聚酯类 ( PET、PEN)[11,12,13]

聚酯中最常见和应用最广泛的阻隔材料是PET。PET由于化学结构对称,分子链平面性较好,分子链堆砌紧密,容易结晶取向,这些特点使得其具有优异的阻隔性能。而近年来应用发展迅速的还有PEN,它有着良好的耐水解性、耐化学药品性和耐紫外性。PEN的结构与PET相似,不同的是PET主链中含有苯环,而PEN主链中为萘环。由于萘环比苯环具有更大的共轭效应,分子链刚性更高,结构更呈平面性,因而PEN具有比PET更优异的综合性能。

2 高阻隔材料的阻隔技术

为了提高阻隔材料的阻隔性能,目前常采用的技术手段主要有以下几种:

2. 1 多层复合

多层复合是指通过一定的工艺将两种或几种阻隔性能不同的薄膜复合到一起。这样一来,渗透分子要想到达包装内部就得通过几层膜,相当于延长了渗透路径,从而使阻隔性能得到提高。该方法综合了各种膜的优点而制备出的一种综合性能优异的复合薄膜,其工艺简单。但是与本征型高阻隔材料相比, 用此方法制备薄膜较厚,容易出现气泡或开裂褶皱等影响阻隔性能的问题,而且对设备要求相对复杂,成本较高。

2. 2 表面涂覆

表面涂覆即利用物理气象沉积 ( PVD) 、化学气相 沉积 ( CVD) 、原子层沉积( ALD) 、分子层沉积( MLD) 、层层自组装 ( LBL) 或磁控溅射沉积等技术在聚合物表面沉积金属氧化物或氮化物等材料,从而在薄膜表面形成致密且阻隔性能优异的涂层,但是,这些方法存在过程费时、设备昂贵和工艺复杂等问题,而且涂层在服役过程中有可能产生针孔、裂纹等缺陷。

2. 3 纳米复合材料

纳米复合材料是利用不可渗透且具有大的长径比的片状纳米粒子 ( 如石墨烯、纳米粘土、碳纳米管、层状双羟基复合金属氧化物和纳米微晶纤维素等) 通过插层复合法、原位聚合法或溶胶 - 凝胶法制备的纳米复合材料。片状纳米粒子的加入这不仅可以降低体系中聚合物基体的体积分数,以降低渗透分子的溶解度,而且还能够延长渗透分子的渗透路径,降低渗透分子的扩散速率,使阻隔性能得到改进。然而,纳米粒子难以均匀分散和高度取向,且服役过程中易迁移,影响材料的光学性能和机械性能。

2. 4 表面改性

聚合物表面由于经常与外界环境接触,容易对聚合物的表面吸附、阻隔性、印刷产生影响。为了让聚合物能更好的应用于日常生活,通常对聚合物的表面进行处理。

为了提高聚合物的阻隔性能,也可以采用对聚合物表面进行改性的方法,主要包括: 表面化学处理、表面接枝改性以及等离子体表面处理。主要是通过改变其表面的物理化学性质, 如使其表面的极性增强、提高它的内聚能密度、使表面上分子链产生交联等,从而使制品的阻隔性能得到提高。这类方法技术条件要求容易满足,设备较简单,一次性投资成本低,但达不到长期稳定的效果,一旦表面受到破坏,阻隔性能会受到严重影响。

2. 5 双向拉伸[14]

通过双向拉伸可使聚合物薄膜在纵横两个方向上进行取向,使分子链排列的有序度提高,堆砌更紧密,从而使小分子更难通过,进而改善阻隔性能,这种方法使本征型高阻隔聚合物薄膜的制备工艺复杂化,且阻隔性能也难有得到显著提高。

对比以上几种方法,可以看出通过一定的手段虽然在一定程度上提高了聚合物的阻隔性能,但不能从根本上解决问题, 开发合成新型高阻隔材料聚合物才是最为直接有效的方法。通过对聚合物分子链的化学结构与聚合物的聚集态结构进行有目的的设计,改善分子链的有序度、作用力、刚性以及聚合物的结晶性能等,从而可限制渗透分子在聚合物表面的溶解度以及在聚合物内部的扩散速率,以获得阻隔性能优异的本征型聚合物。由于本征型高阻隔聚合物光学性能优异,稳定性好,化学结构和聚集态结构具有灵活的调控性,且易于低成本制备大尺寸薄膜,逐渐成为当前高阻隔聚合物材料研究的主流方向。

3 高阻隔材料的应用

在日常生活中,人们为了提高产品的保质期,延长产品的货架寿命,保护产品不受外界环境的影响,常常要使用具有高阻隔性的材料,而高分子类高阻隔材料由于质量轻、柔性好、 易弯折、透明以及价格低廉而越来越受到人们的青睐。目前的高分子高阻隔材料主要应用于食品与药品包装、电子器件封装、太阳能电池封装、OLED封装。

3. 1 食品与药品包装

食品与药品包装是目前高阻隔材料应用最广的领域。主要是为了防止空气中的氧气和水蒸气进入包装中使食物和药品变质,而大大降低了其保质期。对于食品与药品包装一般对阻隔要求不是特别高,要求阻隔的材料的水蒸气透过率( WVTR) 和氧透过率( OTR) 要分别低于10 g/m2/ day和100 cm3/ m2/ day。

3. 2 电子器件封装

现代电子信息的快速发展,人们对电子元器件提出了更高的要求,向便携性、多功能化发展。这就对电子器件封装材料提出了更高的要求,既要具有良好的绝缘性,又要能保护其不会受到外界氧气和水蒸气的腐蚀,而且还要具有一定的强度, 这就需要使用到高分子阻隔材料。一般电子器件对封装材料阻隔性要求为水蒸气透过率( WVTR) 和氧透过率( OTR) 要分别低于10- 1g / m2/ day和1 cm3/ m2/ day。

3. 3 太阳能电池封装

由于太阳能常年暴露在空气中,空气中的氧气和水蒸气易对太阳能电池外面的金属化层产生腐蚀作用,严重影响太阳能电池的使用。所以有必要对太阳能电池组件采用高阻隔材料进行封装处理,这样不仅可以使太阳能电池的使用寿命得到了保障,还增强了电池的抗击强度。太阳能电池对封装材料阻隔性要求为水蒸气透过率( WVTR) 和氧透过率( OTR) 要分别低于10- 2g / m2/ day和10- 1cm3/ m2/ day。

3. 4 OLED 封装

有机电致发光器件( OLED) 彰显了全固态、主动发光、高亮度、高对比度、超薄、功耗低、无视角限制、响应速度快、 工作温度范围宽和可实现柔性显示等诸多无可比拟的优势,被认为是最理想、最具发展前景的取代液晶显示器的新一代信息显示技术,是未来30年世界信息产业发展的重点[15,16,17]。然而,使用寿命的长短是制约OLED广泛应用的最大挑战之一, 影响OLED使用寿命的主要原因是电极材料和发光材料对氧、 水、杂质都非常敏感,很容易被污染从而导致器件性能的下降,从而降低发光效率,缩短使用寿命[18,19]。为了保证产品的发光效率并延长其使用寿命,器件在封装时一定要隔绝氧和水。并且为了保证柔性OLED显示器的使用寿命大于10000 h, 必须要求阻隔的材料的 水蒸气透 过率 ( WVTR) 和氧透过 率 ( OTR) 要分别低于10- 6g / m2/ day和10- 5cm3/ m2/ day,其标准远远高于在有机光伏、太阳能电池封装以及食品、药品和电子器件包装技术等领域对阻隔性能的要求,因此必须选用阻隔性能十分优异的柔性衬底材料对器件进行封装,才能满足产品寿命的严格要求。

4 展 望

高分子高阻隔材料相对于金属类及无机类高阻隔材料具有柔软、透明、质轻等优点,但其阻隔性能还不能很好地满足高性能包装的要求,这就迫切要求人们开发新的阻隔材料或阻隔技术,进而更好的拓展高分子高阻隔材料在包装领域的应用。 其中,从分子结构出发,开发新的本征型高分子高阻隔材料作为最有效的解决问题的途径会越来越受科研工作者们的青睐。

高阻隔材料 篇2

需要说明的是，本次调查中的高阻隔性包装薄膜是指厚度小于250μm、氧气透过率小于5cm3/m2/d（25μm厚）的软包装用薄膜。报告指出，随着经济的发展和居民生活方式的改变，消费者对所购买产品的质量安全提出了更高的要求。这就对包装材料的保护性有了更高要求，因此市场对高阻隔性包装材料的需求量持续增长，特别是食品、饮料、药品等容易腐烂变质或失效的产品领域，对此类包装材料的需求尤为强烈。

与此同时，塑料薄膜凭借轻盈透明、防潮阻氧、气密性好、耐折性好、表面光滑等优点，在包装行业的应用日益广泛。而要使塑料软包装达到替代金属罐、玻璃瓶或其他硬包装的目的，就必须要使用高阻隔性材料。因此，高阻隔性包装薄膜成为软包装领域的一个重要发展方向，各种高阻隔性包装薄膜相继问世。这些高阻隔性包装薄膜对气体和水蒸气具有较强的阻隔性，能够对内装产品（特别是食品）起到保质、保鲜、保风味以及延长货架寿命的作用，并能减少防腐剂的使用。试想，如果没有高阻隔性包装薄膜，食品、饮料、药品等产品在加工、运输、储存、销售、消费各环节很容易腐败变质，势必造成极大的浪费。因此，高阻隔性包装薄膜在节约资源、减少浪费方面也发挥了积极作用。

高阻隔性包装薄膜主要应用于6大类软包装：塑料袋、自立袋（包括蒸煮和非蒸煮型）、盖材和成型基材、包裹膜、泡罩包装基材。其中，塑料袋是目前最主要的一类高阻隔性软包装，在2014年全球高阻隔性包装薄膜销售量中占50%以上；盖材和成型基材排在第2位。预计未来5年，自立袋将成为增长速度最快的一类高阻隔性软包装；盖材和成型基材的增长速度也将超过全球高阻隔性包装薄膜市场的平均水平；而包裹膜的增长率相对较低，主要由于其在一些主要应用领域（如烘焙和快餐食品）的增长速度缓慢。

报告同时指出，高阻隔性包装薄膜的发展也受到多种因素的制约，比如薄膜的降解性、回收问题、成本等。而且，在环保压力下，许多商品生产商也做出了积极回应，承诺并努力减少包装用量，这也将会影响到高阻隔性包装薄膜的未来发展。

高阻隔材料 篇3

食品包装材料应安全环保

食品包装材料最重要的前提是, 包装材料要有良好的化学稳定性, 不能与所接触的食品发生任何作用和影响食品的质量, 要保证食品的安全;其次, 要具备便于携带、方便运输、方便贮存、开启简单、使食品包装外形美观、吸引消费者等特点;在选材上可以根据不同被包物的主要特性、保质期要求、贮存条件等选择适合的包装材料, 如膨化小食品类、油炸类、饼干类等具有酥脆性特点的食品, 要选择具有较强阻隔性能的包装材料, 这样才能在保质期内很好的保持食品的色、香、味、形、质及原有的营养价值。

食品包装材料的种类繁多, 可分为金属、玻璃、纸质、塑料、复合材料等。在众多包装材料中, 塑料制品及复合材料占有举足轻重的地位。作为现代食品包装材料, 塑料具有一定的普遍性, 且近年来发展迅速, 其主要成分有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。近年来, 一些企业为了迎合市场需求, 在新品种开发和生产中开始添加一些添加剂, 如增塑剂邻苯二甲酸二丁酯。苯类物质具有一定的毒性, 与食品接触会将毒性转移到食物中, 进而威胁消费者的生命健康。为此, 国家做出相关规定, 要求食品包装材料的溶剂残留苯类等溶剂不得检出, 一些允许检出的也有严格的限量要求。

此外, 很多印刷产品所用到的油墨含有油溶性有毒物质, 会不同程度的向食品中渗透, 污染食品。尽管油墨所用的涂料受到了严格的卫生控制, 但溶剂残留含量超标等污染问题仍比比皆是。故包装材料生产企业在食品包装的生产设计和制作过程中, 应对产品结构、性能等做仔细研究, 谨慎使用;另外, 还应考虑包装材料在使用过程中是否能重复使用、分类回收、保护环境等, 这是对食品包装材料提出的更高要求。

常用高阻隔包装材料的优劣

随着食品对包装安全要求的提高, 包装材料的种类日益多样化, 质量日趋精致。一些食品的包装既要求其包装材料必须具有高阻隔性, 又要求其具有优良的化学稳定性等性质。目前, 食品包装用到的高阻隔包装材料有镀铝膜、聚偏二氯乙烯 (PVDC) 涂布薄膜、乙烯-乙烯醇共聚体 (EVOH) 共挤薄膜和尼龙膜, 这些材料用于食品的包装各有优点, 但也存在不足之处。

镀铝膜

优点:遮光、防紫外线照射, 既延长了内容物的保质期, 又提高了薄膜的亮度, 从一定程度上代替了铝箔, 也具有美观及较好阻隔性等特点。

不足:不透明、耐折性差、成本高;复合镀铝膜难以回收利用, 铝质废弃物带来污染的同时, 还浪费了其中的聚烯烃树脂。

EVOH五层共挤薄膜

优点:具有优秀的阻隔性能和极好的加工性;透明性、光泽性、机械强度、伸缩性、耐磨性、耐寒性和表面强度都非常优异;能够再生利用;焚烧时仅产生CO2和H2O, 是优秀的绿色环保包装材料。

不足:环境温度比较高时, 其阻隔性能急剧变差, 故不宜单独使用;进口EVOH树脂、进口多层共挤设备的投资都十分昂贵, 因此产品成本很高。

PVDC涂布膜

优点:同时具有良好的阻隔氧气和阻隔水蒸汽的性能, 涂层可热封, 成本较低。

不足:涂布需专用设备;PVDC涂层复合薄膜不仅本身不能回收再生利用, 而且还会使与其涂布、复合的其他本来可以回收再生利用的薄膜 (如NY、PET、BOPP、PE、CPP等) 也不能回收再利用;不能熔融造粒再生利用, 废弃物在焚烧时会产生氯化氢、二恶英等对人体和周围环境有毒、有害的物质。

尼龙膜

优点:阻氧性能良好, 阻隔水蒸汽的性能有所改善, 耐油、耐有机溶剂。

不足:成膜工艺单一, 回收比较困难, 成本较高。

赛诺推出改性PVOH涂布膜

针对上述高阻隔包装材料的不足, 赛诺国际有限公司凭借十几年来累积的实力和国内领先的技术优势, 不断探索研发新型包装材料, 近期在国内率先开发出一种新型高阻隔性环保包装材料——改性PVOH涂布膜。

干态下的聚乙烯醇产品具有优异的阻氧性能, 其阻隔性远优越于PVDC, 但由于分子内含有大量强亲

水性的羟基, 湿态下容易跟水形成氢键, 并以氢键的形式跟水缔合, 与水缔合后的聚乙烯醇产品性能会发生质的变化:相对湿度在50%时, 聚乙烯醇产品就失去了它原有的气体阻隔性能, 基本不能使用。目前, 解决改性聚乙烯醇不耐湿问题的技术主要是对聚乙烯醇进行化学改性, 其原理是对聚乙烯醇的部分羟基进行封闭和交联, 使采用聚乙烯醇制作的高阻隔复合膜在水中具有不溶胀、不脱落、不溶解等特性。针对聚乙烯醇分子结构进行改性, 在保持其分子结构所具有的高阻隔性能的条件下, 尽可能减少氢键的作用力, 在耐水性方面寻求突破口, 使改性后的聚乙烯醇产品在高湿态下仍具很好的阻氧性能。

赛诺公司开发的改性PVOH涂布膜及复合薄膜就是依据此技术原理研发而成的高阻隔性环保包装材料。其优势在于:

优异的高阻隔性

改性PVOH涂布复合薄膜对氧气、氮气、氢气及二氧化碳都具有优秀的阻隔性, 其阻氧性能优于PVDC涂层薄膜, 也优于EVOH五层共挤薄膜。它的阻氧性能在各种树脂薄膜中最优, 可与铝箔、玻璃、镀氧化铝薄膜和镀氧化硅薄膜相媲美。

经测试发现, 赛诺公司生产的PVOH改性乳胶制备的涂布膜, 综合性能理想, 其与PVDC涂布膜阻隔性能比较见表1。成本相对低廉

改性PVOH涂布复合膜的生产成本远低于纸铝塑复合、铝塑复合结构的包装材料的生产成本, 远低于EVOH五层共挤薄膜的生产成本, 也低于采用PVDC涂层的复合薄膜的成本。

应用简便

利用软包装生产企业现有的干式复合机、涂布机、湿式复合机、挤出复合机等设备均可达到满意效果。改性后的PVOH溶液不结皮, 在正常使用过程中粘度无明显上升现象, 涂布层很薄, 但涂层的厚薄均匀度仍很好。

环保性一流

改性PVOH涂布膜的结构成分为碳、氧、氢, 可降解, 可回收再生利用, 燃烧时仅生成二氧化碳和水, 而不产生其他有害于环境及人类健康的物质, 无污染, 是一种十分理想的环保型高阻隔包装材料。

目前国内外新开发的软包装材料正朝着高性能、无毒无害、绿色环保、使用方便等方向发展, 在提倡节能降耗的今天, 需要同时兼顾多项功能使其具备更好的性价比。基于此, 改性PVOH涂布膜及复合膜将成为化工产品软包装行业的新星, 并将以其绝对的优势取代无环保性、价格昂贵的软包装材料。

高阻隔材料 篇4

现代局部战争中,装甲车、坦克、舰艇等装备的油箱在遭受炮火打击或爆炸冲击波冲击后,可能导致燃料被抛撒-气化-燃烧最终形成“二次爆炸”,从而造成严重的人员伤亡和装备损毁。为降低燃料“二次爆炸”造成的危害性,人们采取多种技术手段来解决这一问题。通过向油箱中填充阻隔防爆材料是解决这一问题最经济、有效、方便的手段。阻隔防爆材料技术是将金属或非金属防爆材料安装于易燃易爆液态或气态危险化学品的贮存容器内,可以有效防止易燃易爆危险化学品在储运等过程中因意外事故(静电、焊接、枪击、碰撞、错误操作等)引发的爆炸[1]。阻隔防爆材料主要分为金属和非金属两大类,按形状有蜂窝状和球形两大类[2,3,4,5]。球形非金属阻隔防爆材料是一种新型阻隔防爆材料,以惰性有机高分子材料为基体,设计成薄壁骨架的结构。

国内外科研工作者已经对阻隔防爆材料作用的部分机理[6,7,8]、材料的种类、材料的参数、留空率、填充密度[9,10]等方面进行了定性、半定性的研究。随着《汽车加油(气)站、轻质燃油和液化石油气汽车储车用阻隔防爆技术要求》和《阻隔防爆橇装式汽车加油(气)装置技术要求》标准的颁布阻隔防爆材料开始大量应用于油罐。国外这种材料最初主要应用于飞机燃油箱,后来被推广应用到坦克、舰船以及警车,少量应用于石油化工行业。

然而,材料的机械强度导电性能与防爆性能之间的关系还未曾有学者进行研究。因此本次试验采用等效静爆方法模拟油箱在遭受炮火打击后的情况。研究球形非金属阻隔防爆材料中碳纤维含量与其阻燃防爆性能之间的关系,这对今后新型阻隔防爆材料的设计研制有重要的参考价值。

1 试验

1.1 试验材料与设备

1)试验材料

(1)碳纤维含量分别为6.5%、8.0%、9.5%、11.0%的四种球形非金属阻隔防爆材料(直径30.0 mm),自制,材料的相关参数见表1。

(2)10号军用柴油,取自南京军区。

2)试验设备

(1)红外热成像系统:Mikron Scan7200 V型红外成像仪,温度响应时间2;Mikro Spec软件,对热成像图进行分析、处理,得到选定图像区域内的火球温度和尺寸[11]。

(2)Fastcamnltima APX型高速摄像机,美国Photron公司,拍摄速度1 000 fps,像素1 024×1 024。

1.2 试验布置

为保证试验人员安全,本次试验在平坦开阔的试验场中进行。在5 L模拟油箱中加入2.5 L-10#军用柴油,为柴油蒸气留出部分空间。之后向油箱内装填球形非金属阻隔防爆材料,装填标准为42个/L。在起爆前先将油箱加热至70℃,保证气相的油气浓度足够高。以油箱内气液相界面为起爆位置,分别在临界起爆能量和高起爆能量下进行等效静爆试验,试验布置如图1所示。在距试验装置20 m处,安置红外热成像系统和高速摄像测试系统,分别记录爆炸过程中火球温度场参数和爆炸过程。

2 试验结果分析与讨论

2.1 临界起爆能条件下防爆性能

经多次试爆试验,确定8#雷管+10 g海萨尔炸药的爆炸能量为本次研究的临界起爆能,即在此条件下,起爆药爆炸产生的能量刚好能够将未装填阻隔防爆材料的空白试验燃料抛洒产生的云团引爆。图2为高速摄像机在100、500、1 000 ms时捕捉到的爆炸瞬间。由图2可知:在临界起爆能下,空白试验油箱发生了二次爆炸效应,抛撒产生的油蒸气被起爆药引燃,火球急剧膨胀,并产生大面积池火;而装填非金属阻隔防爆材料的油箱中的燃料虽然被抛撒形成云团,但并未被起爆药引燃发生二次爆炸。根据链式反应理论:油蒸气吸收能量后离解为游离基,与其他分子相互作用形成一系列链锁反应,将燃烧热释放出来。而非金属阻隔防爆材料具有较大的比表面积,游离基与材料表面发生碰撞而销毁的概率相比空白试验要大的多,当游离基生成量小于销毁量时,燃烧爆炸被阻止,所以非金属阻隔防爆材料具有显著的阻燃防爆功能[14];另一方面,由于非金属阻隔防爆材料的孔径结构具有良好的力学性能,受到冲击波作用时材料的孔径骨架发生弹性形变或塑性形变,将冲击波能量转化为弹性势能或阻隔防爆材料的内能,对冲击波能量造成巨大的消耗,降低了作用在燃料界面冲击波的能量,从而实现油箱的阻燃防爆。

对起爆后同时刻燃料抛洒产生的云团进行对比可以看出:装填6.5%碳纤维的非金属阻隔防爆材料的油箱引爆后产生的云团最大,装填11%碳纤维的非金属阻隔防爆材料的油箱引爆后产生的云团最小。这主要是因为碳纤维含量较多的非金属阻隔防爆材料力学性能更好,能将更多冲击波能量转化为弹性势能或阻隔防爆材料的内能,对冲击波能量造成更大的消耗,所以燃料抛洒形成的云团依次减小,阻隔防爆材料的阻燃防爆性能依次增强;另一方面材料中碳纤维含量的增加,非金属阻隔防爆材料的导热性能增强,

2.2 高起爆能条件下防爆性能分析

2.2.1 燃爆火球温度场分析

爆炸产生的火球的发展可以分为3个阶段:(1)快速扩展期。短时间内火球半径急剧增长,达到特征半径的65%左右。(2)稳定期。大量的空气与燃料混合,释放大量的能量,以维持持续的高温环境。(3)自由扩散期。燃料燃烧释放的能量逐渐向周围扩散,火球的温度逐渐降低,游离基产生量减小,所以高碳纤维含量的阻隔防爆材料的阻燃抑爆效果更加明显。

最终形成烟雾散去[13]。在高起爆能(8#雷管+18 g海萨尔炸药柱)条件下进行等效静爆试验,用红外热成像仪记录爆炸过程火球温度场的变化情况,然后通过Mikro Spec软件对爆炸过程中的火球参数进行分析,结果见表2和图3、4。

由表2和图3、4可以看出:随着阻隔防爆材料中碳纤维含量的增加,火球参数逐渐减小,直至火完全熄灭,火球参数变为室温时的参数。装填样品1、2、3的油箱爆炸火球最高温度较空白分别降低3.0%、6.1%、8.4%,火球最大直径较空白分别降低12.2%、18.0%、24.2%,火球最大高度较空白分别降低7.3%、22.3%、38.1%;当碳纤维含量为11%时,此起爆能下没有形成火球爆炸被完全抑制;未装填阻隔防爆材料的油箱爆炸火球高温持续时间(火球维持在1 000℃以上持续燃烧的时间)为1 023 ms,装填材料1~3油箱爆炸火球高温持续时间分别为858、825、660 ms,之后温度逐渐降低直至想完全熄灭。对比空白试验,装填材料1~3油箱爆炸火球高温持续时间分别降低16.1%、19.4%、35.5%。装填阻隔防爆材料的油箱引爆后产生的火球表面最高温度、火球最大半径、火球高度以及高温持续时间都比未填充阻隔防爆材料的油箱的要小,并且与材料中碳纤维含量成反比关系,进一步说明高碳纤维含量的阻隔防爆材料的阻燃防爆效果更加明显。

2.2.2 材料防爆性能评定

综合分析高速影像与红外热成像数据,同时考虑各个数据的重要性以及测试仪器设备的精度,然后对各个数据的权重进行了设定[14],燃料抛撒情况权重为0.10,火球最大直径下降率权重为0.05,火球最大高度下降率权重为0.05,高温持续时间下降率权重为0.45,火球表面最高温度下降率权重为0.20,火球持续时间下降率权重为0.15,总权重为1.00。定义防爆性能分数r为通过加权计分计算定量表征材料防爆性能的参数,防爆性能评价参数见表3。

依据表3,对四种材料样的等效静爆效果进行加权计算,可得出不同碳纤维含量的阻隔防爆材料外场防爆性能分数r。

通过对外场防爆性能分数对材料样1~4的防爆性能进行定量分析,可以发现r1/r2=76.8%,r1/r3=52.1%,r1/r4=18.0%,由图5可以看出当球形材料碳纤维含量从8%增加到9.5%的时候其阻燃、防爆性能会迅速增强;装填碳纤维含量为11%的材料样4的油箱在临界起爆能和高起爆能条件下均成功抑爆,抑爆分数达到95%左右,而碳纤维含量为6.5%材料样1的防爆性能仅为材料样4防爆性能的18%。本文中最高碳纤维含量为11%,未对更高碳纤维含量的球形阻隔防爆材料进行研究。今后工作可以继续增加碳纤维的填充率,对碳纤维的临界填充率进行研究。

2.3 阻隔防爆材料阻燃防爆机理分析

连锁反应理论认为,燃烧、爆炸反应不是在分子间直接进行的反应,而是可燃物(柴油蒸气)或助燃物先吸收能量(起爆药爆炸的能量)而离解为游离基,与其他分子(柴油蒸气或空气中的氧气)相互作用形成一系列链锁反应,最终将燃烧热释放出来的过程。在起爆能一定时,由于非金属阻隔防爆材料具有较大的比表面积,游离基与材料表面发生碰撞而销毁的概率相比空白试验要大的多,表现为空白试验的火球表面最高温度、火球最大半径、火球高度以及高温持续时间都比填充阻隔防爆材料的油箱的要大。对于不同碳纤维含量的阻隔防爆材料而言,它们的导热性能是不同的。碳纤维含量愈多,材料的导热性能愈强。在起爆药被引爆瞬间,高碳纤维含量的阻隔防爆材料能将爆炸能量更迅速在材料之间传导,避免局部大量的热量积累,间接的使温度降低,链锁分枝的速度相对变慢,游离基的生成速率降低,由于游离基的销毁速率一定,所以高碳纤维含量的阻隔防爆材料的阻燃抑爆效果更佳。在试验数据上变现为:火球表面最高温度、火球最大半径、火球高度以及高温持续时间都比低碳纤维含量的阻隔防爆材料的数值要小。

球形非金属阻隔防爆材料不仅基材选择惰性有机高分子材料、工艺配方中添加科学的阻燃剂碳纤维等可有效的增强材料的力学性能和导热、导电性能,并且在结构设计上根据火焰的淬熄距离将球形材料设计成合理的特有机构,材料填充到油罐或者油箱的时候,大量材料的孔径结构会在罐内形成无数狭小火焰通道,对火焰的传播会产生机械阻碍作用,可消弱压力波的传播,这样就降低了空气分子和油气分子的混合速率,降低火焰传播和发展成爆炸的危险,并使得火焰表面趋于平整,火焰前锋的表面积得到减小,达到减小火焰锋面传播的作用。

3 结论

1)临界起爆能条件下,装填四种材料的油箱均实现抑爆,装填碳纤维含量为6.5%的球形非金属阻隔防爆材料的油箱爆炸产生相对较大的燃料云团;随着装填球形材料碳纤维含量的增加,油箱爆炸产生的燃料云团直观上有随之减小的趋势。

2)高起爆能条件下,球形非金属阻隔防爆材料样1~4的外场防爆性能分数r分别为16.93、22.04、32.51、94.18。球形非金属阻隔防爆材料碳纤维含量从8%增加到9.5%时,其防爆性能会迅速增强,碳纤维含量为6.5%的球形材料的阻燃、防爆性能仅为碳纤维含量为11%球形材料防爆性能的18%,但随着装填球形材料碳纤维含量的增加,油箱爆炸产生的火球的参数随之减小的趋势不变。

3)球形非金属阻隔防爆材料孔径结构具有良好的机械强度、弹性模量和较大的比表面积,当受到爆炸冲击波冲击时,材料的孔径结构塑性变形、伸缩、振动等方式衰减吸收冲击波的能量,进而实现抑爆的作用。

高阻隔材料 篇5

1.何为湿包

压力蒸汽灭菌因高效、安全、灭菌效果可靠等诸多优势成为了目前医疗机构应用最广泛的灭菌方式之一,主要应用于耐高温、耐高湿的医疗器械及敷料的灭菌。2012版《医疗机构消毒技术规范》中5.1.3规定,耐热、耐湿的手术器械应首选压力蒸汽灭菌。然而,由于蒸汽遇到冷的物品时会迅速释放热能,冷凝成小水滴。一般情况下,这些冷凝小水滴会在灭菌过程中汽化排出,不会对最终灭菌医疗器械产生影响。但在灭菌结束后,若冷凝水滴未从灭菌物品包装内完全蒸发,就会造成湿包。

湿包本身无菌无害,但冷凝水滴润湿包装后,会在包装材料上形成一条液体通道,为包装外细菌的侵入带来便利,造成包内物品被污染的可能性。因此,如在灭菌后出现湿包,即认为灭菌失败,需要拆包、重新包装后再次灭菌,不仅影响灭菌物品周转效率,还浪费人力、物力与能源。而且更重要的是,相对于显性湿包而言,隐性湿包具有较大的隐蔽性,易被检查人员疏忽而被使用,造成感染隐患,后果严重。如何降低湿包率是医院供应室亟待解决的问题之一。

目前,研究湿包的资料文献主要集中在湿包产生的原因、灭菌干燥时间及灭菌物品装载、卸载工艺控制等方面,其中,较多文献研究证实了灭菌包装材料的选择对最终灭菌医疗器械湿包率的降低具有明显的作用,究其原因主要是包装材料对水蒸气的透过率有所不同。在这些文献中,采用的研究方法大部分是使用不同的包装材料(比如棉布、医用皱纹纸、纸塑包装袋等)对医疗器械进行包装,灭菌处理后,开包检查物品的干燥情况,以此来判定包装材料对湿包的影响。然而,该研究方法试验过程复杂,需要完成整个灭菌过程,并且灭菌工艺与操作手法的不同会对结果产生较大影响。那么,单就包装材料而言,能否在包装材料进入灭菌工序前即控制因其带来的湿包问题呢?笔者认为,既然包装材料对水蒸气的透过率是包装材料引起湿包的主要因素之一,那么,通过在实际使用前对包装材料的水蒸气透过率进行检验,即可间接地控制灭菌过程中因包装材料对水蒸气的通透性差而带来的湿包问题。

2.包装材料的水蒸气透过率

水蒸气透过率是包装材料阻隔性能的一个方面,用于表征水分子渗透通过包装材料的能力。包装材料的水蒸气透过率与材料的密度、使用温度以及包材两侧的湿度差等因素有关。下面以最终灭菌医疗器械常用的包装材料——医用皱纹纸为例介绍其水蒸气透过率的测试方法:

测试仪器:W3/060水蒸气透过率测试系统,济南兰光机电技术有限公司

测试条件:温度38℃,湿度90%RH。温度与湿度差是影响材料水蒸气透过率的主要环境条件,但目前并没有标准明确规定最终灭菌包装材料的阻隔性测试方法。笔者认为,由于导致湿包的原因主要是冷却过程中包装内水蒸气的蒸发情况,故本次试验选择按照GB 1037-88中的试验条件A进行试验。

测试方法:选取试样平整的部分,用专用取样器裁取直径为74mm的圆形试样,将试样装入W3/060水蒸气透过率测试系统自带的透湿杯中,透湿杯中装有适量的蒸馏水,此时透湿杯内为100%的湿度环境。将装有试样的透湿杯放入仪器开始试验,仪器试验腔中通入10%湿度的压缩空气,这样就在试样两侧形成了相对湿度差为90%的湿度环境。试验过程中,由于试样两侧存在湿度差,透湿杯中的水蒸气通过试样向试验腔中渗透,透湿杯重量减少,通过测试一定时间内透湿杯重量的减少量即可计算材料的水蒸气透过率。

测试结果见表1。

本次笔者测试了4种医用皱纹纸的水蒸气透过率,从检测结果来看,医用皱纹纸的透湿性良好。对于其他类似最终灭菌包装材料的水蒸气透过性检测可效仿此法。

3.如何通过包装材料降低湿包率

(1)选择与包装材料相适宜的灭菌参数

在临床实践中,包装材料对灭菌效果的影响已经得到了广泛的印证,因此,针对不同的灭菌物品和灭菌方式,包装材料呈现出了多元化的发展趋势,已相继出现了棉布、医用皱纹纸、特卫强包装袋、纸塑复合包装袋等包装材料。

然而,由于包装材料的结构与性能不同,灭菌过程和灭菌参数必然有所区别,否则将会导致与预期效果背道而驰的结果。比如,棉布的纤维为天然纤维,吸水性好,而医用皱纹纸由纯木浆和特种纤维按一定配比生产而成,其透气性好,吸湿性较棉布弱,灭菌时能充分干燥。无论是理论上还是实际上,医用皱纹纸都应拥有比棉布更小的湿包率,但是,如使用医用棉布的灭菌参数来对用医用皱纹纸包装的物品进行灭菌,结果却可能导致湿包率增加。因此,选择不同的包装材料时必须对灭菌过程、灭菌参数进行适应性验证,建立与包装材料配套的工艺参数,尽可能发挥包装材料的优势,提高灭菌成功率。

(2)控制包装材料的水蒸气透过率

用于压力蒸汽灭菌的包装材料属于透气性材料,其灭菌机理为水蒸气等灭菌因子可以通过蜿蜒的路径渗透入包装材料内部对物品进行灭菌处理。然而,水蒸气的透过率不仅影响灭菌因子的通过率,进而影响灭菌因子与物品的接触效果,最终影响灭菌效果,而且还会影响已进入包装内部的水蒸气的散发,导致湿包。通过包装材料水蒸气透过率的测试可以对灭菌后包装物品的干燥速度与时间进行预评估,进而对灭菌过程与参数进行指导。包装材料的水蒸气透过率对最终灭菌医疗器械的灭菌效果具有重要意义,应在包装材料正式投入使用前即进行检测控制。

包装材料的水蒸气透过率要控制在合适的范围内,医疗机构应根据本机构的灭菌工艺,探索合适的包装材料阻隔性能参数。需要注意的是,该项测试不能代替微生物渗透过滤测试,因为包装材料保持无菌的机理本身就是利用材料自身的多孔结构或层叠构造阻隔细菌等微生物的侵袭,微生物的侵入与水蒸气的渗透属于两个不同的范畴,要区别对待。

4.结语

医用灭菌包装的作用是在医疗器械或敷料外形成一层微生物隔绝屏障,是最终灭菌医疗器械或敷料的重要组成部分,通过对包装材料水蒸气透过率这一阻隔性能的测试,可在包装材料正式投入使用前预先控制因包装材料性能不适而带来的湿包问题,既能减少包装材料的浪费,又能降低灭菌过程中的湿包率,节约人力、物力、能源。

参考文献

[1]宋敏,胡珊珊,鄢圣德.不同包装方法对蒸汽灭菌隐形湿包的影响及控制[J].中华医院感染学杂志.2008,18(7):982-984.

[2]杜文碧,段素梅.压力蒸汽灭菌湿包的原因分析与控制{J}.中华医院感染学杂志.2009,19(15):1990-1992.

[3]李元春.医疗器械最终灭菌包装的标准和适应性研究[J].首都医药.2008,(4):9-10.

[4]刘燕玲,张秀芳,吴鸿雁,等.医用无菌物品包装材料的应用与研究进展[J].中华医院感染学杂志.2010,20(20):3258-3260.