PET含氣飲料瓶氣體流失機（jī）理與氣（qì）體滲透性能分析

　　國（guó）家統計局（jú）數（shù）據（jù）顯示，2016年我國飲料行業全年累（lèi）計總產量18345.2萬噸，同比增長1.9%。中（zhōng）商（shāng）產業研（yán）究院（yuàn）發布的《2017年中國飲料行業市場前景研究報告》指出（chū），2016年我國規模以上飲料製造企業實現（xiàn）營業收入6429.8億（yì）元，同比增長4.24%。飲料產業（yè）已成長為當今最具（jù）發展活力（lì）的產業之一。

含氣飲料

　　含氣飲料，是飲料產（chǎn）業的重要分（fèn）支，其代表產品當屬碳酸飲（yǐn）料。碳酸飲料是加工中增大壓力將CO₂溶解於糖水中製得。CO₂與液體接觸（chù）時發（fā）生碳酸化，產生酸味，調和了飲料（liào）的風味，同時形成刺激性口感，賦予了碳酸飲料特有的泡沫外觀（guān）。CO₂的碳酸化降低了液體（tǐ）的PH值，營（yíng）造了酸性環境，有利（lì）於抑製微（wēi）生（shēng）物的繁殖，起到抑菌防腐的作用。飲用碳酸飲料後，體內高溫將會促（cù）進CO₂汽化（huà），帶走飲（yǐn）用者體內的熱量（liàng），感到清爽。

　　隨（suí）著產（chǎn）業格局的開拓，果汁飲料、茶飲料和功能性飲料異軍突起，逐漸占據了越來越多的市場份額。部分現代企（qǐ）業在這類飲料灌裝封（fēng）蓋前瞬間滴入液氮，使氮氣充盈於容器內部，一方麵能降低容器（qì）內氧含（hán）量，防止（zhǐ）飲料中維C等營養素氧化，另一方麵也可以保障容器具有（yǒu）足（zú）夠的強度和硬（yìng）挺的外（wài）觀。

　　可見，對（duì）於含氣飲料而言，包裝容器內氣體的存在對於保持飲料口感、功能性，增強瓶子的強度具有非常重要的意（yì）義，而這一意義的實（shí）現主要取決於包裝對於特定氣體流失的。

PET含氣飲料瓶氣（qì）體流失分析

　　目前，飲料生產企業多（duō）采用PET瓶體（tǐ），以（yǐ）及PP或PET或PVC材質的瓶蓋構成飲料包裝係統。PET，即聚對苯（běn）二甲酸乙（yǐ）二醇酯，高分子聚合物。無毒無味、透明度高、質輕價低、力學性（xìng）能好、化學（xué）性（xìng）能穩定，彌補了玻璃（lí）瓶易碎、質量重帶來的安全（quán）和運輸問題（tí），也避免了金屬瓶的不透明問題，故而得以在飲（yǐn）料產業得到廣泛應用。

　　以PET瓶體和（hé）PP瓶蓋構成的飲料包裝係統為例，根據17C.COM包裝安全檢測中心多年對塑料（liào）容器氣體（tǐ）滲透機理的研究，其瓶內氣體的流失主要有兩種途（tú）徑：（1）滲透。碳酸飲料和充氮飲料的容器內CO₂和N₂濃（nóng）度明顯高於容（róng）器外側，在濃（nóng）度差（chà）的作用下，高壓側的氣體會吸（xī）附溶解到容器材料上，在塑料材料中經過擴散，從另一（yī）側解析而出，這一過程就是氣（qì）體的滲透流失過（guò）程。滲透速率主要（yào）取決於容器材料的阻隔性、滲透氣體種類以及環境溫濕度（dù）。（2）泄漏。主要指的（de）是瓶口部（bù）位的密封性。若瓶蓋未擰緊，或瓶口和瓶蓋螺（luó）紋設計存在缺陷，導致瓶口密封不（bú）良，此時氣體容易通過縫隙泄漏而出。由包裝係統泄漏導致的瓶內氣體喪失，易於觀察確定，所以本文將重點（diǎn）分析“滲透”這一氣體（tǐ）喪（sàng）失形（xíng）式。

　　含氣（qì）PET飲料瓶是由PET瓶身和PP瓶蓋兩部分（fèn）構成，故應分別考慮氣體滲透情（qíng）況。筆者利（lì）用Labthink VAC-V2壓差（chà）法氣體滲透儀測試了厚度為20μm左右的兩種（zhǒng）材質塑料薄膜（mó）的N₂和CO₂的氣體透（tòu）過率，試驗溫度設定為25℃、35℃和40℃。測試數（shù）據如表1。

表1. 多種氣體阻隔（gé）性實測數據表

　　從（cóng）材料來看，同麵積（jī）同厚度的PET薄膜的N₂和CO₂的透過量（liàng）明顯低於（yú）PP薄膜，以此數據為參考，當原（yuán）料製成具有一定厚度（dù）的瓶體和瓶蓋，二者對氣體的阻隔性也會隨厚度（dù）增加（jiā）而提升。但（dàn）放到飲料瓶整體包裝係統中來看，由於PP瓶蓋的表麵積占比很小，因此飲料瓶（píng）整體的阻隔性還是主（zhǔ）要取決於（yú）瓶體PET的阻隔性。虞建中、印雄（xióng）飛等人對PET瓶裝碳酸飲料貨架期影響因素的研究結果也證明，瓶身的CO₂喪失量高於瓶口處。

　　從滲透氣體來看，兩種材質對N2的透過量遠低於CO₂的透過量，其原因是因為氣（qì）體分子的大小和形狀會（huì）影響氣體在材料內的擴散性。分（fèn）子的大（dà）小（xiǎo）可以通過氣（qì）體分子的動（dòng）力學直徑來表示，如表2。普遍情況下，分子的動力學直徑越小（xiǎo），在聚合物中擴散（sàn）越容易。

　　此外，分子的極性和凝（níng）聚難易主要影響氣體在材料表麵的溶解性，由（yóu）於不同的高分子材料其極性也不完全一（yī）致，因此溶解度係（xì）數的變化成為影響多種氣體在不同材料間滲透（tòu）的主要原因。如果材料（liào）中沒有可與透過氣體發生作（zuò）用的官能團時，臨界溫度是（shì）控製溶（róng）解度的主要因素，臨界溫度較高（gāo）者往往在聚（jù）合物中具有較（jiào）大的溶解度。CO₂的臨界溫度是31℃，遠高於其它常見無機氣體，所以它在材（cái）料表麵的溶解度更大，故綜（zōng）合而言，CO₂透過量明顯高於N₂透過量。

表（biǎo）2. N₂和CO₂氣體的分子量及（jí）動力學直徑表

貯藏溫度和瓶體厚度對PET含氣飲（yǐn）料瓶氣體流失（shī）的影響

貯（zhù）藏溫度

　　上述試驗數據顯示，PP、PET隨（suí）著試驗（yàn）溫度（dù）的上升，每平方米透過的N₂和CO₂氣體的量也逐漸加大。尚修傑（jié）等人以500mL PET瓶裝汽水為例，研究（jiū）了溫度對CO₂流失（shī）率的影響，儲存環境溫度越高，流失率越高，CO₂流失（shī）速度越快。

　　PP、PET等固態高分子聚合物按照高分子排列的有序性（xìng），可分為結（jié）晶態、非結晶態和取向態。絕大多（duō）數結晶高聚物都是（shì）半晶聚合物，既有結晶部分也有無定形部分，所（suǒ）不同的是（shì）結晶程度不同而已。理（lǐ）論上認為聚（jù）合物的結晶部分是滲透物分子在聚合物內部擴散過程所經途徑（jìng）中的不可穿（chuān）過區域，擴散主要（yào）發生在無定形部（bù）分。Pace和Datyner的（de）分子模型簡單描述了滲透質在無定（dìng）形橡膠態聚（jù）合物中擴散過程，認為滲透（tòu）質（zhì）分子能以“縱向運動（dòng）”和“橫向運動”兩種方式通過聚合物基體。其中，滲（shèn）透質分（fèn）子沿著由相鄰的平行分子鏈形（xíng）成的通道的軸向運動稱（chēng）為“縱向運動”，通過兩相鄰分子鏈沿垂直通道（dào）軸向的運動（dòng）稱為“橫向（xiàng）運動”。 聚合物分子鏈越長，其（qí）構（gòu）象越多，當（dāng）溫度升高時，由於熱運動，分子鏈構象變化地越快，聚合物內聚度下降。對（duì）於 Pace和Datyner的分子模型，可以認為由於溫度上升會（huì）使得平行分子鏈形成的通道變“寬”，這樣滲透質分子的“橫向運（yùn）動”速度增（zēng）加，同時由於分子鏈構象變化的加快，兩相鄰分子鏈間（jiān）的距離加大（dà），也加快了“縱（zòng）向運動（dòng）”速度。

　　另外，溫度對材料透氣性的影響還與氣體滲透特性有關。常溫常（cháng）壓下，氣體（tǐ）溫度越高，氣體分子的熱運動越（yuè）劇烈，能量越大。當氣體作為滲透質在高分子材料內（nèi）部擴（kuò）散時，溫度升高，氣體分子能量（liàng）增大（dà），使得它的能（néng）量更易達到在分子（zǐ）鏈間擴散所需要（yào）的能量值，這樣氣體分子對高分子材料的擴散係數變大，材料（liào）的（de）阻隔性下降，透氣量增大。

瓶體厚度

　　厚度是塑料材（cái）料具有特定保護（hù）功能的先（xiān）決條件之一。一（yī）般材料的（de）厚度越大，對氣體的阻隔性越優良，當厚度達到一定程（chéng）度後，材（cái）料的阻隔性能逐漸趨於穩定，不（bú）再隨材料厚度的增長而增大。對（duì）於飲（yǐn）料生產企業來說，在成本允許的前提下建議選擇壁厚較大的PET瓶，有利於（yú）瓶內氣體的保持。實際（jì）包裝運輸（shū）中，瓶體厚度的均勻更加重要。這是由於飲料瓶在運輸搬運過程中難免發生擠壓碰撞，外（wài）力容易造成瓶壁或瓶蓋處磨損，使（shǐ）之局（jú）部厚度（dù）變薄（báo），成為氣體滲透的“重災區”。

總結

　　含氣（qì）飲料，不僅僅指的是碳（tàn）酸飲料，更包含了充氮的功能（néng）性飲料和果汁（zhī）飲料。瓶內氣體（tǐ）可能賦予飲料以獨特甚至刺激的口感，也可能增加瓶子的耐壓性和強度，因此保持瓶內氣體的穩（wěn）定（dìng）具有重要意義。但現實中，飲料瓶密封（fēng）不良以及材料（liào）的氣體（tǐ）滲透性（xìng）將會造成（chéng）不同程（chéng）度的氣（qì）體喪失。以PET材質為（wéi）例，其對CO₂的滲透量遠遠高於對N₂的滲透量，而貯藏溫度的上升以及瓶壁磨損變薄，都會加大（dà）氣體的滲透（tòu）量。建議相關飲料加工企業予以重視，加（jiā）強（qiáng）日常對（duì）含氣飲料容（róng）器氣體滲透量的研究（jiū），從而對飲料產品貨架期進（jìn）行科學（xué）的估算。