PET含氣飲料（liào）瓶氣體流（liú）失機理與氣體滲透性能分析

　　國（guó）家統計局數據顯示，2016年我國飲料行業全年累計總產量18345.2萬噸，同比（bǐ）增（zēng）長1.9%。中商產業研究院發布的（de）《2017年中國飲料行業（yè）市場前景研究報告（gào）》指出，2016年我國規模以上飲料製造企業實現營業收入6429.8億元，同比（bǐ）增長4.24%。飲料產業已成長為當今最（zuì）具發展活力的產業之一。

含氣飲料

　　含氣飲料，是飲料產業（yè）的重要分支，其代（dài）表產品（pǐn）當屬碳酸飲料。碳酸飲料是加工中增大壓力將CO₂溶解於糖水中製得。CO₂與液體接觸時發生碳酸化，產（chǎn）生酸味（wèi），調和了飲（yǐn）料的風味，同時形成刺激性口感，賦予了碳酸飲（yǐn）料特有的泡沫外觀。CO₂的（de）碳酸化降低了液體的PH值，營造了酸性環境，有利於抑製微生（shēng）物的繁殖，起到抑菌防腐的作（zuò）用。飲用碳酸飲料後，體（tǐ）內高（gāo）溫將會促進CO₂汽化，帶（dài）走飲用者體內的熱量，感到清爽。

　　隨著產業格局（jú）的開拓，果汁飲料、茶飲料和功能性飲料（liào）異軍突起，逐（zhú）漸占據了越來越多的市場份額。部分現代企業在這類飲料灌裝封蓋前瞬間滴入（rù）液氮，使氮氣充盈於（yú）容器內部，一方麵能降低容器內氧含量，防止飲料中維C等營養素氧化，另一方麵也可（kě）以（yǐ）保障容器具有足（zú）夠的強（qiáng）度和硬挺的外（wài）觀。

　　可見，對於含氣飲料而言，包（bāo）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（dù）具有非常重要的意義，而這一（yī）意義（yì）的實現主（zhǔ）要取決於包裝對於特定氣（qì）體流失的。

PET含氣飲料瓶氣（qì）體（tǐ）流失分析

　　目前，飲料生產企業多采用PET瓶（píng）體，以（yǐ）及PP或PET或PVC材質的瓶蓋（gài）構成飲料（liào）包裝係統。PET，即聚對苯二甲酸乙二醇酯，高分子聚合物（wù）。無毒無味、透明度高、質輕（qīng）價低、力學性能好、化學性能穩定，彌補了玻璃瓶易（yì）碎、質量（liàng）重帶來的安全和（hé）運輸問題，也（yě）避免了金屬瓶的不透明問題，故而得以在飲料產業得到廣泛應用。

　　以PET瓶體和PP瓶蓋構成的飲料包裝係統為例，根據MD传媒视频包（bāo）裝安全檢（jiǎn）測中心多年對（duì）塑料容器氣體滲透機（jī）理的研究，其瓶內氣體的流失主要有兩種途徑：（1）滲透。碳酸（suān）飲料和充氮飲料的容器內CO₂和N₂濃度明顯高於容器外側，在濃度差（chà）的作用下，高壓側的氣體會吸附溶解到容器材料上（shàng），在塑（sù）料材料中經過（guò）擴散，從另一側（cè）解析而出，這一過程就是氣體的滲透流失過程。滲透速（sù）率主要取決（jué）於容器材（cái）料的阻（zǔ）隔（gé）性、滲透氣體（tǐ）種類以（yǐ）及環境溫濕度。（2）泄（xiè）漏。主要指的是瓶（píng）口部位的密封性。若瓶蓋未（wèi）擰（nǐng）緊，或瓶口和瓶蓋螺紋設（shè）計存在缺陷，導（dǎo）致瓶口（kǒu）密封不（bú）良，此時氣（qì）體容易通過縫隙泄漏而出。由包裝係統泄（xiè）漏導致的瓶內氣體喪失，易於觀察（chá）確定，所以本文將重點分析“滲透”這一氣體喪失形式。

　　含氣PET飲料瓶是由PET瓶身和PP瓶（píng）蓋兩部分構成，故應分別考慮氣（qì）體滲透情況。筆者利用Labthink VAC-V2壓差法氣體滲透儀測試了厚度為20μm左右的兩種材質塑料薄膜的N₂和CO₂的氣體透過率，試（shì）驗溫度（dù）設定為25℃、35℃和40℃。測試數據如表1。

表1. 多種氣體阻隔性實測數據表

　　從材料來看，同麵積同厚度的PET薄膜的N₂和CO₂的透過量（liàng）明顯低於PP薄膜，以此數據為參考，當原料製成具有一定厚度的瓶體和瓶蓋，二者對氣體的阻隔性（xìng）也會隨厚度增加而提升。但放到飲料瓶整體包裝係統中來看，由於PP瓶蓋的表麵積（jī）占比很小，因此飲料瓶（píng）整體的阻隔性還是主要取決於瓶體PET的阻隔性。虞建中、印雄（xióng）飛（fēi）等人對（duì）PET瓶裝（zhuāng）碳酸飲料貨架期影響因素的研究結果也（yě）證（zhèng）明，瓶身的CO₂喪失量高於瓶口處。

　　從（cóng）滲透氣體來看，兩種材質對N2的透過（guò）量遠低於CO₂的透過量，其原因是因為氣體分子的（de）大小（xiǎo）和形狀會影響氣體在材料內（nèi）的擴散性。分子的大小可以（yǐ）通過氣體分（fèn）子的動力學直徑來表示，如表（biǎo）2。普（pǔ）遍情況下，分子的動力學直徑越小（xiǎo），在（zài）聚合物中擴散越容易。

　　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，由於不同的高分子材料其極性也不完全一致（zhì），因（yīn）此溶解度係數的變化（huà）成為影響多種氣體在不同（tóng）材料間滲透的主（zhǔ）要（yào）原因。如果材料中沒有可與透過氣體（tǐ）發生作用的官能團時，臨界溫度是控製溶解度的主要因素，臨界溫（wēn）度（dù）較高者往往在聚合物中具有較大的溶解（jiě）度。CO₂的臨界溫（wēn）度（dù）是31℃，遠高於其它常見無機氣體，所以它在（zài）材料（liào）表麵的溶解度更大，故綜合而言，CO₂透過量明顯（xiǎn）高於N₂透過量。

表2. N₂和CO₂氣（qì）體的分子量及動力學直徑表

貯藏溫度和瓶體厚度對PET含氣飲料瓶氣體流失的影響

貯藏溫（wēn）度

　　上述試驗數據顯示，PP、PET隨著試驗溫度的上升，每平（píng）方米（mǐ）透過的N₂和CO₂氣體的量也逐漸加大。尚修（xiū）傑等人以500mL PET瓶裝汽水為例，研究了溫（wēn）度對CO₂流失率的影響，儲存環境溫度越（yuè）高，流失率（lǜ）越高，CO₂流失速度越快（kuài）。

　　PP、PET等固態高分子聚合物按照高分（fèn）子排列（liè）的有序性，可分為結（jié）晶態、非結晶態和取向態。絕大多（duō）數結晶高聚物都是半晶聚合物，既有結晶（jīng）部（bù）分也有無（wú）定形部（bù）分，所（suǒ）不同的是結晶程度不同而已。理論上認為聚合物的結（jié）晶部分是滲透物分子（zǐ）在聚合物內部擴散過程所經途徑中（zhōng）的不可穿過區域（yù），擴散主要發生在無定形部分。Pace和Datyner的分子模型簡單（dān）描述了滲透質在無定形橡膠態（tài）聚合物中擴散過程（chéng），認為滲透質分子能以“縱向運動”和“橫向運（yùn）動”兩種方式通過聚合（hé）物基體。其中，滲透質分子沿著（zhe）由相鄰的平行分子鏈形成的通道的軸（zhóu）向運（yùn）動稱為“縱向運動”，通過兩相鄰分（fèn）子鏈沿垂直通道軸向的運動稱為“橫向運動”。 聚合物分（fèn）子鏈越長，其構象越多，當溫度升高時，由於熱運動，分子鏈構象（xiàng）變化地越快，聚合物內聚度下降（jiàng）。對於 Pace和（hé）Datyner的分子模型，可以（yǐ）認為由於溫度上升會使得平行分子鏈形成的通道變“寬（kuān）”，這樣滲透質分子的“橫向運動”速度增加，同時由於分子鏈構象變化的加快，兩相鄰分子鏈間的距離加大，也加快了（le）“縱向運動”速度。

　　另外，溫度對材料（liào）透氣性（xìng）的影響還（hái）與氣體滲透特性（xìng）有關。常（cháng）溫常壓下，氣（qì）體溫度越高，氣體分（fèn）子的熱運動越劇烈，能量越大。當氣體作為滲透質在高分子材料內部擴散時，溫度升高，氣體分子能量增（zēng）大，使得（dé）它的能（néng）量更（gèng）易達到在分子鏈間擴散所需要的能量值，這樣氣體分子對高分子材料的擴散係數變大，材料的阻隔性下（xià）降，透氣量增大（dà）。

瓶體厚度

　　厚（hòu）度是塑料材料具有（yǒu）特定保護功能的先決條件之（zhī）一。一般（bān）材料（liào）的厚度越大，對氣體的阻隔性越優良，當厚度（dù）達到一定程度後，材（cái）料的阻隔性能逐漸趨於穩定，不再隨材料（liào）厚度的增長而增大。對（duì）於飲料生產企業來說，在成本允（yǔn）許的前提下建議選擇壁厚較大的PET瓶，有利於瓶內氣體的保持。實際（jì）包裝運輸中（zhōng），瓶體厚度的（de）均（jun1）勻更加重要。這是由（yóu）於飲料瓶（píng）在運輸（shū）搬運過程中難免發生擠壓碰撞（zhuàng），外力容易造成瓶壁或瓶蓋處磨損，使之局（jú）部厚度變薄，成（chéng）為氣體滲透的（de）“重災區”。

總結

　　含氣飲料，不僅僅指的是碳酸飲料，更包含了充氮（dàn）的功能性飲料和果汁飲料。瓶內氣體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（bǎo）持瓶內氣體的穩定具（jù）有重要意義。但現實中，飲料瓶密封（fēng）不良以及材料的氣體滲透性（xìng）將會造（zào）成不同程度的氣體喪失。以PET材質為例，其對CO₂的（de）滲透量遠遠高（gāo）於對N₂的滲透量，而貯藏溫度的上升以及瓶壁磨（mó）損變薄，都會加大氣體（tǐ）的滲透量。建議（yì）相（xiàng）關飲料加工企業予以重視，加強日常（cháng）對（duì）含氣飲料（liào）容器氣（qì）體（tǐ）滲透量（liàng）的研究，從而對飲料產品（pǐn）貨架期進行（háng）科學的估算（suàn）。