前言

    随着软包装在食品及医药领域的广泛应用, 对软包装材料的阻隔性要求也越来越高。镀铝薄膜因其卓越的性价比，特别是高阻隔性以及光阻隔性等特点，使其在食品及医药软包装中占很大市场，有数据说55%的镀铝薄膜用于包装工业。当厂家有新的镀铝薄膜产品投放市场， 用户往往希望其提供由第三方测试所得的性能参数，比如透湿率等阻隔性数据。然而， 很长时间以来， 人们常常抱怨从不同的实验室进行测试难以获得一致的透湿率结果，实验结果呈现有实验方法或测试条件依赖性。另外的情况如下图两例实验所示，透湿率呈现出无休止的缓慢上升,使操作者难以判断何时终止实验。

图1.   镀铝薄膜样品在37.8摄氏度，90%RH的透湿率瞬间数据曲线举例

    这种现象类似地存在于尼龙等对湿度敏感材料中。当处于较高的湿度环境下,尼龙因其分子中的极性基团易与水结成氢键, 使高分子溶胀进而渐渐丧失阻隔性。人们称这种现象为非Fickian行为（NON-Fickian Behavior），意思为渗透率随湿度上升而非线性上升。对于大多数高分子材料来说因不含这种极性基团，渗透率随湿度上升是线性上升的， 称之为Fickian行为（Fickian Behavior）。而我们现在讨论的这种样品含有OPP/AL/PET结构， 通常人们认为它应该是有Fickian 行为的材料。
为了确认镀铝薄膜是否具有非线性行为，本文作者对镀铝薄膜透湿率与相对湿度的关系进行了一系列深入研究。

    实验设计及测试方法

    以上述多层结构镀铝薄膜OPP/AL/PET为样品， 测试了其在50%, 75%, 90% 以及100%相对湿度条件下的透湿率，并且采用了不同的测试方法（包括ASTM F-1249, ASTM E-398 ）进行了比较。为了减少不确定因素，所有的测试都将样品的OPP一侧对着高的水汽一侧。

    OPP/AL/PET样品的透湿率与湿度关系实验是在美国MOCON 公司的水汽渗透测试仪Permatran 3/33（符合ASTM F-1249，如图2-a，图2-b）上完成的。 实验过程遵守等压法原理，样品 的一侧设置不同的相对湿度，另一侧由流动氮气吹扫保持干燥，水汽分子从高湿度一端渗透到低湿度一侧，并又载气送至特制的压力调控红外传感器，传感器接收水蒸汽，并将其转换为电信号输出。该仪器用压力调节法产生35%至90%RH范围内的任何相对湿度。 它适合于高阻隔薄膜材料的测试。

          图2-a.  MOCON 透湿仪Permatran 3/33外观          图2-b. MOCON 透湿仪Permatran 3/33 测试原理

    在实验过程中，控制测试温度在37.8摄氏度，从50%RH开始测定，然后升高湿度至75%，90%和100%， 在每个湿度条件下测试48小时。

    本研究还对该样品的透湿率进行了包括如下所列几种实验仪器和方法的比较：

MOCON 透湿仪Permatran W700 （符合ASTM F-1249）, 其特点是测试只在100%RH条件下的透水率。实验过程遵守等压法原理，样品 的一侧设置100%RH，另一侧由流动氮气吹扫, 它采用与透湿仪W3/33 相同的压力调控红外传感器。本机适合于对水汽不敏感的高阻隔薄膜材料的测试。

    MOCON 透湿仪Permatran W398（符合ASTM  E-398）。其特点是测试时样品的一边总是设为100%RH， 另一边可调相对湿度,调节范围为10%至50%。实验过程采用累积法原理, 传感器为特制的由多孔材料做成的湿度检测探头。本机比较适合于高透过，低阻隔材料的测试。
 

    实验结果与讨论:
 

    表1 陈列了OPP/AL/PET样品在50%, 75%, 90% 以及100%相对湿度条件下的透湿率，同时列出了假设样品符合Fickian 行为时的计算值。

    表1.  透湿率与湿度关系 (测试仪器 Permatran W 3/31)

    进一步地, 我们把上列数据作图。如果这是一种Fickian材料，其透湿率与相对湿度应有如图所示线性关系。由实验获得的数据可以明显地看出该样品的透湿率与相对湿度呈现非线性关系，或者说非Fickian现象。比如当湿度从 90%RH变为100%RH，WVTR呈现成倍增长。上表中我们还列出了经一系列湿度 变化测试后，对50%RH的重复测定。结果显示已无法重复原先的数值，表明了样品在高湿度影响下阻隔性受损的不可逆转性。

图3.  实验数据作图（透湿率与湿度关系）

    表2是使用不同的测试方法（包括ASTM F-1249, ASTM E-398）得到的结果比较。

    表2. 不同实验仪器及方法获得的透湿率(WVTR) 结果 （透湿仪Permatran W3/33, 透湿仪W700, 透湿仪W398）

    实验方法对比之一是在MOCON 透湿仪Permatran W3/33和透湿仪Permatran W700进行的。实验过程中，控制测试温度在37.8摄氏度，相对湿度都控制在100%RH。从两种仪器上得到了一致的结果。

    实验方法对比之二是在MOCON 透湿仪Permatran W3/33和透湿仪Permatran W398 两种仪器上进行的。实验过程中，控制测试温度控制在37.8摄氏度。由于这两种仪器的设计原理不同，它们的相对湿度控制方法也不同。但它们使渗透发生的渗透物浓度是相同的，两者都为90%RH。从两种仪器上得到的结果也是很接近的。

    总的结果表明在采用相同的湿度条件下，即使使用不同的仪器，实验结果仞然是一致的。 但如果采用不同的湿度条件，则结果是不可比的，即使是在同一个仪器上进行实验。对于其它某些材料可以在某个湿度进行测定，然后根据其线性变化规则来换算它在别的湿度下的透湿率。可是由于镀铝薄膜透湿率与相对湿度间的非线性关系，使得这样的换算对镀铝薄膜样品是不合适的。过去一些实验室之间实验数据对比 无法得到一致的结果，正是由于对这类材料不合适地应用了线性换算。至于为何镀铝薄膜透湿率与相对湿度存在非线性关系,目前尚无结论,不在本文探讨范围。

另外,对镀铝薄膜样品来说，在透湿率测试过程中严格控制相对湿度是非常重要的。举个例子来说, 如果有两个独立实验室同时测定某镀铝薄膜样品在90%RH 时的透湿率, 通常湿度探头会有+/-3%的误差范围, 如果湿度探头没有做定期标定, 实验室A 的湿度探头实际上只有87%RH,而实验室B的湿度探头为93%RH, 则由这两个实验室分别获得的透湿率可有高达50%的误差。

    对于多个实验室之间的数据对比课题，建议大家采用某一特定相对湿度比如75%来进行实验。采用75%的好处是从图1曲线看，相对湿度在低于75%时, 水汽对镀铝薄膜样品的损害不是太大, 由相对湿度控制不太严格造成的误差也相对较小。另外, 在实际应用中, 这类材料主要用于包装干燥食品等, 很少有机会接触高于75%RH 的环境。因此, 相对湿度为75%RH是种比较合适选择。

    结论

    多层结构镀铝薄膜样品透湿率与相对湿度间呈现非线性关系，而且在高湿度影响下其对水的阻隔性严重受损并显示不可逆转性。因此，对这类样品来说，在透湿率测试过程中严格控制相对湿度特别重要。将不同湿度下获得的透湿率进行线性换算对镀铝薄膜样品是不合适的。当需要进行实验室之间数据对比时，建议大家采用某一特定相对湿度比如75%来进行实验。