全 文 ：文章编号 :100028551 (2007) 042383204
60 Coγ辐照对抽真空复合包装材料性能影响初探
丘苑新1 , 2 　叶盛英2 　余　恺2
(1. 仲恺农业技术学院科研处 ,广东 广州　510225 ; 2. 华南农业大学食品学院 ,广东 广州　510642)
摘　要 :对经 0～10kGy 剂量60 Coγ射线照射的两种抽真空复合包装袋 (CPPΠnylonΠPE 和 PPΠAlΠPE) 的力
学、阻隔性能进行了测试 ,并利用环境扫描电镜对包装膜的断面结构进行了观察。结果显示 ,辐照后
CPPΠnylonΠPE膜透氧系数变化显著 ,伸长率及透湿率变化极显著 ;PPΠAlΠPE 膜透湿率及透氧系数变化显
著 ,抗拉强度及伸长率变化极显著。
关键词 :60 Coγ辐照 ;抽真空复合包装袋 ;力学性能 ;阻隔性能
PRIMARY STUDY ON THE EFFECT OF 60 Coγ2IRRADIATION ON VACUUM2PACKAGE MULTILAYER FILMS
QIU Yuan2xin1 ,2 　YE Sheng2ying2 　YU Kai2
(11 Department of Scientific Research , Zhongkai University of Agricultral and Technology , Guangzhou , Guangdong 　510225 ;
2. College of Food Science , South China Agricultural University , Guangzhou , Guangdong 　510642)
Abstract :CPPΠnylonΠPE and PPΠAlΠPE were irradiated by different doses ofγ2rays , and the mechanical and barrier properties
of the packages were tested. Environment Scanning Electron Microscopy was used to observe the cross2section structure of the
package films. Results showed that the oxygen2through rate of CPPΠnylonΠPE was changed significantly ( P < 0105) , and the
elongation and water2vapor through rate were changed very significantly ( P < 0101) ; The change of water2vapor through rate
and oxygen through rate of PPΠAlΠPE were changed significantly ( P < 0105) , and the change of tensile strength and elongation
rate were changed very significantly ( P < 0101) .
Key words :60 Coγ2irradiation ; vacuum multilayer package ; mechanical properties ; barrier properties
收稿日期 :2006210220
基金项目 :广东省科技计划项目 (B020)
作者简介 :丘苑新 (19802) ,男 ,广东兴宁人 ,硕士 ,研究实习员 ,主要从事食品加工新技术与食品物流研究。E2mail :qiufsv @gmail . com
通讯作者 :叶盛英 (19612) ,男 ,广东东莞人 ,教授 ,主要从事农产品加工与贮藏加工新技术研究与开发。E2mail :yesyscau @126. com　　60 Coγ辐射是电离辐射 ,主要以γ射线为主。辐射可引起高分子聚合物包装材料的化学变化 ,如交联反应、解聚反应等。聚合物常常同时发生交联和裂解。影响化学变化的因素主要是辐照剂量、包装材料的特性、有无氧气存在等 ,剂量率的大小不影响交联度及解聚度[1 ] 。由于塑料包装材料是合成高分子材料 ,是有机单体的聚合物 ,所以 ,各种材料由于分子单体、交联度、合成方法、所添加的其他成分不尽相同 ,其性质也有较大的差异[2 ] 。研究辐照前后包装材料性能的改变 ,可为选择合适的辐照食品包装材料、及生产适用于辐射工业的包装材料提供理论指导。 1 　材料与方法111 　材料流延聚丙烯Π尼龙Π聚乙烯 ( CPPΠnylonΠPE) 抽真空复合包装膜 ,厚度 78μm ;聚丙烯Π铝箔Π聚乙烯 ( PPΠAlΠPE)抽真空复合包装膜 ,厚度 70μm ,两种包装袋均为广州市恒通塑料制品厂生产。112 　方法将以上包装材料经抽真空封口后分别在 0、210、410、610、810 和 1010kGy 的条件下进行辐射 ,辐射结束后存放于干燥皿中 ,一天内进行力学和阻隔性能测试。
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辐照在华南农业大学辐射中心进行。
11211 　包装材料的力学性能测试 　厚度测试按照
GB6672 - 2001[4 ] 进行 ;抗拉强度测试按照 GB13022 -
1991[5 ]进行 ;伸长率测试按照 GB1040 - 1992[6 ] 进行 ;拉
断力测试按照 GB1040 - 1992[4 ] 进行 ;热封强度测试按
照 ZBY28004 - 1994[7 ]进行。
11212 　包装材料的阻隔性能测试 　水蒸气透过率按
照 GB1037 - 1988[8 ] 的要求 ,在 38 ℃、相对湿度 85 %下
进行测定。透气率测定按照 GB1038 - 1970[9 ] , 22 ℃、
湿度 50 %、压力 015MPa 下进行。材料取样规格为直
径 100mm。
11213 　包装材料断面结构扫描 　在华南农业大学测
试中心电镜室利用环境电子扫描电镜 ( Environment
Scan Electron Microscopy , ESEM)观察。
2 　结果与分析
211 　力学性能
力学性能或称机械性能是表征材料性质最基本的
一种参数 ,它包括抗拉强度、伸长率、热封强度等。力
学性能的改变必然导致包装材料性能的变化 ,进而影
响包装的效果。
表 1 　辐射后 CPPΠnylonΠPE及 PPΠAlΠPE的机械性能
Table 1 　Mechanical properties of CPPΠnylonΠPE and PPΠAlΠPE treated by irradiation
指标
index
材料
material
辐照剂量 irradiation dose (kGy)
0 210 410 610 810 1010
抗拉强度
tensile strength (MPa)
伸长率
elongation rate ( %)
热封强度
seal strength (NΠ15mm) CPPΠnylonΠPE 67118 68175 68177 65147 61179 64111PPΠAlΠPE 38157 40172 40108 41153 43110 42117CPPΠnylonΠPE 78160 86190 85145 83106 81126 85175PPΠAlΠPE 137100 152160 152133 153127 164153 157103CPPΠnylonΠPE 38164 38155 36143 36139 43127 33131PPΠAlΠPE 14104 12176 11174 11133 14193 12145
注 :抗拉强度δ= FΠ(试样有效长度 ×试样有效宽度) ;伸长率 E = (试样拉伸长度Π试样初始长度) ×100 %。Note : Tensile strengthδ= FΠ( The longth of
somple ×The width of sample) ; Elongation rate E = (The longthΠThe initial longth of sample) ×100 %
　　通过 SAS 软件对试验数据进行单因素分析 ,经过
不同剂量辐照 ,CPPΠnylonΠPE 复合膜的抗拉强度 p1 =
013584 > 0105 ,表明在本试验剂量范围内辐照对 CPPΠ
nylonΠPE复合膜的抗拉强度的影响不显著 ;但伸长率
的变化极显著 , P = 010045。PPΠAlΠPE复合膜的抗拉强
度随辐照剂量的增加有所升高 , P2 = 010051 < 0101 ,在
0101 的水平上显著 ;伸长率的变化是极显著的 , P =
010012。CPPΠnylonΠPE复合膜和 PPΠAlΠPE 复合膜的热
封强度受辐射的影响不显著 ( P1 = 010860 , P2 =
010891) 。
伸长率的增加表明薄膜之间的结构紧密性增加。
一般情况下 ,交联使聚合物伸长率上升、模量增加、变
硬变脆。裂解则使聚合物的抗拉强度和伸长率下
降[10 ] 。聚合物常常同时发生交联和裂解。在氧气存
在下辐照 ,聚合物的氧化反应是辐射老化的主要原因 ,
氧化反应的速率决定于氧的浓度和剂量率[11 ] 。
通过对力学性能试验的结果分析 ,在本试验的剂
量范围内 ,除了伸长率外 ,辐照处理对 CPPΠnylonΠPE 复
合膜和 PPΠAlΠPE复合膜的力学性能影响不显著 ;从伸
长率增加及拉断力基本保持不变的结果可以推测 ,两
种复合材料在辐射过程中主要发生交联效应。
212 　阻隔性能
食品包装材料的通透性能与食品的保存效果及水
分的多少相关。表 2 表明 ,CPPΠnylonΠPE 复合膜的透
湿率起初随辐照剂量的增加而上升 ,4kGy 时达到最
大 ,比对照样品的透湿率高 20 % ,随后其透湿率表现
为随辐照剂量的增加而逐渐下降 ,但也比未经辐照的
材料要高。单因素方差分析的结果为差异极显著 ( p1
= 010050 < 0101) 。PPΠAlΠPE 复合膜因为其中间层为
铝 ,可能受γ射线作用的影响较复杂。但变化的趋势
表 2 　辐射前后 CPPΠnylonΠPE及 PPΠAlΠPE的阻隔性能
Table 2 　Barrier properties of CPPΠnylonΠPE and PPΠAlΠPE treated with radiation
指标 index 材料 material 0 210kGy 410kGy 610kGy 810kGy 1010kGy
透湿率 water2vaporth2rough rate
(gΠm2Π24h)
透氧系数 loxygen2through rate
( ×10 - 15 cm3 . cmΠcm2 . s. Pa) CPPΠnylonΠPE 6115 6179 7135 7100 6185 6153PPΠAlΠPE 3194 5134 5125 5133 5141 5166CPPΠnylonΠPE 1108 1123 1178 1157 1142 1124PPΠAlΠPE 0147 0147 0138 0139 0135 0133
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与 CPPΠnylonΠPE复合膜相似 ,随着辐照剂量的增大 ,透
湿率先升高后降低 ,最大的透湿率出现在 8kGy ,与对
照样相比 ,透湿率升高 37 % ,而 10kGy 时其透湿率又迅
速下降 ,低于对照的透湿率。说明铝箔的参与使透湿
性变化差距巨大。方差分析的 P2 = 010344 < 0105 ,影
响显著。
包装材料的透气系数通常用透氧系数来表示更有
代表性。从表 2 可以看出复合膜 CPPΠnylonΠPE 在经过
不同剂量辐照后 ,透氧系数比没有经过辐照的样品都
有所增加 ,尤其是经过 410kGy 辐照 ,上升的幅度比较
大 ,此后随着辐照剂量增加透氧系数有所下降 ;而经辐
射的复合膜 PPΠAlΠPE和没有辐射的相比 ,透氧系数有
所下降。单因素方差分析的结果显示 ,在选定的试验
条件下 ,两种包装材料的透气率都有显著的变化 , P 值
分别为 P1 = 010240 < 0105 和 P2 = 010220 < 0105。
水分子是极性很强的分子 ,辐射是在有氧的环境
中进行的 ,而氧有很强的氧化作用 ,容易渗入到复合膜
中 ,被射线激活的自由基和氧反应 ,又加大了包装膜高
分子的极性 ,极性相吸 ,这可能也就是膜的水蒸气透过
率和氧气透过性都上升的原因。而其中复合膜 PPΠAlΠ
PE的透氧系数有所下降 ,这和中间层铝有关 ,原因有
还待进一步探讨。透氧系数及透湿率的上升会降低包
装材料的阻隔性能 ,同时就降低对食品的保护效果。
213 　断面结构
包装材料辐照处理后的扫描电镜图见图 1。
图 1 　包装材料 CPPΠnylonΠPE(1、2、3)和 PPΠAlΠPE(4、5、6)断面的扫描电镜图
Fig. 1 　The SEM photos of the cross2section structure of the package films CPPΠnylonΠPE(1、2、3) and PPΠAlΠPE(4、5、6)
1 和 4 :未辐照处理的样品 ;2 和 5 :6kGy treated ; 3 和 6 :10kGy
　　从图 1 可以看到 ,未经辐照处理的 CPPΠnylonΠPE
复合膜的断面结构比较均一 ,纹理清晰 ,色泽也接近 ,
且不同膜层的复合面难以看出 (图 121) ;6kGy 处理的
断面在膜之间出现较明显的差别 (图 122) ,明暗复合层
很容易看出 ;10kGy 的断面图更明显 (图 123) ,两个复
合膜的间隙变大 ,断面上出现大小不一的孔洞 ,原因很
可能是在原料中加入的添加剂 ,由于辐射的作用 ,和氧
或其他成分相结合 ,生成气体遁逸而留下空隙。
PPΠAlΠPE复合膜经辐照处理后 ,断面结构变化比
CPPΠnylonΠPE复合膜更明显 ,这可能与中间层的铝箔 有很大关系。铝不像尼龙可以跟高分子材料发生交联或解聚 ,所以受高剂量的辐射后 ,膜层分离很严重。从6kGy和 10kGy 的扫描电镜图 (图 125、6) 可以看得出。随辐射剂量的增大 ,膜层之间的缝隙也变大 ,且纹理变得很模糊 ,特别是经过 10kGy 处理的 ,在同一个层面上(估计是中间铝层)出现裂缝。3 　讨论直链高分子以交联反应为主 ,辐射降解聚合物一
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般在分子 C —C主链结构上有四级碳原子[12 ] 。分子极
性大也以解聚为主。氧是自由基俘获体 ,氧的存在对
辐射交联起抑制作用 ,氧的存在与否对以自由基反应
为基础的辐射交联有举足轻重的影响。在空气中辐射
时 ,聚合物体系主链自由基优先与氧反应生成过氧化
物 ,最终导致主链降解[13 ] 。
本试验通过对力学性能、通透性能的研究及断面
结构变化的研究 ,分析出复合膜 CPPΠnylonΠPE 发生的
变化 ,CPP 和 PE 都是以交联为主的聚合物 ,但由于辐
射是在有氧的环境下进行的 ,所以同时伴随着解聚 ,但
总的变化倾向于以交联为主。伸长率的增加便是最好
的证明。
复合膜 CPPΠnylonΠPE的 3 种复合成分都为高分子
聚合物 ,在辐照过程中 ,都会受到高能射线的影响。高
分子聚合物受辐射的影响 ,其化学性能主要发生交联、
裂解等化学变化[14 ] 。而金属铝对辐射有反射作用 ,这
势必使铝箔一边的薄膜受到的辐射剂量高 ,另一边的
薄膜受到的辐射剂量低 ,如果 PE 膜在外层 ,那就是辐
射使其交联度增加 ,如果 PP 膜在外 ,那交联度的升高
就小 ,甚至偏向于解聚 ,因为在氧气存在的环境下 ,聚
丙烯的辐射交联效应小 ,而辐射解聚效应大[15 ] 。因
此 ,复合膜 CPPΠnylonΠPE 和 PPΠAlΠPE 不适合用于直接
在空气中辐照的辐射食品的包装 ,为了提高辐射的稳
定性 ,可以向聚合物中添加保护剂或抗辐射剂 ,这样可
以延长材料在强辐射场中的使用寿命。
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