聚偏氯乙烯 (PVDC) 關鍵性能測試方法解析

引言
聚偏氯乙烯 (PVDC) 以其卓越的氣體阻隔性（特別是對氧氣和水蒸氣）、優異的耐化學藥品性、良好的透明度和自熄性，在包裝（尤其是食品保鮮包裝）、醫療器械、阻燃纖維和涂層等領域應用廣泛。為了確保材料滿足特定的應用需求，評估其性能至關重要。以下是一套針對PVDC材料的核心性能測試方法概述。

一、 基礎物理與熱性能測試

• 密度：

  • 方法原理： 常用密度梯度柱法或比重瓶法。密度梯度柱法利用已知密度的液體柱，根據試樣在柱中的懸浮位置確定密度；比重瓶法則通過測量試樣排開液體的體積計算密度。
  • 標準參考： ASTM D792, ISO 1183。
  • 意義： 密度是PVDC的基本物理參數，影響其加工性能和最終制品的重量、阻隔性等。

• 熔融溫度與結晶行為：

  • 方法原理： 差示掃描量熱法 (DSC)。在程序控溫下，測量試樣與參比物之間的熱流差隨溫度或時間的變化。主要觀察熔融峰溫度(Tm)及其焓值(ΔHm)，以及可能存在的冷結晶峰和玻璃化轉變溫度(Tg)，后者有時不太明顯。
  • 標準參考： ASTM D3418, ISO 11357。
  • 意義： 確定PVDC的熔點范圍及結晶度，這對于設定加工溫度（如擠出、吹膜）至關重要。結晶度直接影響材料的剛性、阻隔性和耐溶劑性。

• 熱穩定性：

  • 方法原理：
    1. 熱失重分析 (TGA)： 在程序升溫（通常惰性或空氣氣氛）下，測量試樣質量隨溫度的變化。記錄起始分解溫度、最大分解速率溫度、殘炭量等。
    2. 烘箱老化測試： 將試樣置于設定溫度的烘箱中特定時間，觀察外觀變化（如顏色、光澤度）或測試老化后的力學/阻隔性能變化。
  • 標準參考： ASTM E1131, ISO 11358 (TGA)；常用模擬實際熱加工或使用條件自定。
  • 意義： PVDC熱穩定性相對較差，加工或使用過程中易分解產生氯化氫(HCl)。TGA是評估其熱降解行為和加工窗口上限的關鍵手段；烘箱老化測試評估其在長期使用溫度下的穩定性。

二、 力學性能測試

• 拉伸性能：

  • 方法原理： 使用萬能材料試驗機，以恒定速率拉伸啞鈴型或長條形標準試樣，直至斷裂。記錄拉伸應力-應變曲線，獲取拉伸強度、斷裂伸長率、彈性模量等參數。注意： 測試需在嚴格控制溫濕度（如23±2°C, 50±5%RH）的標準環境中進行，因為PVDC性能對環境敏感。
  • 標準參考： ASTM D638, ISO 527。
  • 意義： 評價PVDC薄膜或片材的強度、韌性、剛性，是包裝材料承受載荷和耐穿刺的重要指標。

• 沖擊強度：

  • 方法原理：
    1. 懸臂梁沖擊 / 簡支梁沖擊： 適用于較厚的片材或注塑件。擺錘沖擊垂直放置的帶缺口或無缺口試樣，測量試樣斷裂吸收的能量。
    2. 落鏢沖擊： 更適用于薄膜。測量一定重量的鏢頭自由落體沖擊并穿透薄膜試樣所需的最小能量或特定能量下的穿透率。
  • 標準參考： ASTM D256 (懸/簡支梁), ASTM D1709 (落鏢法A), ISO 7765-1 (落鏢法)。
  • 意義： 評估PVDC材料在高速沖擊下的韌性或抗穿刺能力，對包裝材料的運輸和跌落保護性能至關重要。

• 撕裂強度：

  • 方法原理： 常用埃萊門多夫撕裂法 (Elmendorf)。測量擺錘撕裂預先割口的薄膜試樣所需的力。
  • 標準參考： ASTM D1922, ISO 6383-2。
  • 意義： 評價薄膜抵抗撕裂擴展的能力，反映包裝材料的耐用性。

三、 阻隔性能測試（核心性能）

• 水蒸氣透過率：

  • 方法原理： 將試樣封在裝有干燥劑（或控制濕度的鹽溶液）的透濕杯中，置于恒溫恒濕環境中。測量一定時間內透過試樣進入杯內的水蒸氣質量（重量法），或利用傳感器（如紅外、電解）監測透濕室中水蒸氣濃度的增加（傳感器法）。
  • 標準參考： ASTM E96, ISO 15106系列 (有多種方法)。
  • 意義： 衡量PVDC材料阻隔水蒸氣的能力，是決定食品、藥品等干燥產品貨架期的關鍵指標。PVDC的水汽阻隔性極優。

• 氧氣透過率：

  • 方法原理： 試樣將測試腔分隔成兩個獨立腔體。一側通入恒定氧氣流，另一側用載氣（如氮氣）吹掃。使用傳感器（如庫侖計、紅外傳感器）檢測透過試樣到達載氣側的氧氣量。
  • 標準參考： ASTM D3985 (壓差法，較傳統)， ASTM F2622 (等壓法/庫侖法，更靈敏常用), ISO 15105系列。
  • 意義： 衡量PVDC材料阻隔氧氣的能力。其卓越的氧氣阻隔性是保持食品新鮮度（防止氧化變質）和藥品穩定性的核心優勢。

• 其他氣體透過率： 原理類似氧氣透過率測試，可測試二氧化碳、氮氣等特定氣體的透過率，方法標準和設備配置需相應調整。

四、 光學性能測試

• 光澤度：

  • 方法原理： 光澤度計以固定角度（如20°, 45°, 60°, 85°）入射光束到試樣表面，測量鏡面反射方向上的光通量。角度選擇取決于預期光澤度范圍（高光澤選小角度，低光澤選大角度）。
  • 標準參考： ASTM D2457, ISO 2813。
  • 意義： 評價材料表面的明亮程度，影響包裝外觀。

• 霧度與透光率：

  • 方法原理： 霧度計/透光率儀。透光率是透過試樣的光通量與入射光通量的百分比。霧度是由試樣內部或表面散射引起的、偏離入射光束方向大于2.5°的透射光通量與總透射光通量的百分比。
  • 標準參考： ASTM D1003, ISO 13468 (透光率), ISO 14782 (霧度)。
  • 意義： 透光率反映薄膜的透明程度，霧度反映其朦朧程度。高透明度低霧度對于需要清晰展示內容物的包裝很重要。

五、 化學性能與穩定性測試

• 耐化學藥品性：

  • 方法原理： 將試樣浸泡在特定化學品（酸、堿、油脂、有機溶劑等）中一定時間和溫度后，觀察其外觀變化（如溶脹、溶解、變色、失光、起皺）和/或測試浸泡后的力學性能（如拉伸強度、伸長率）保留率。
  • 標準參考： ISO 175 (塑料耐液體化學藥品)， 也可根據應用需求自定浸泡液和時間。
  • 意義： 評估PVDC材料接觸化學品時的耐受能力，對包裝含油食品、清潔用品等尤為重要。

• 遷移測試：

  • 方法原理： 模擬材料接觸食品或特定介質（如蒸餾水、乙醇水溶液、橄欖油等）的條件（時間、溫度），然后使用高靈敏度儀器（如GC-MS, HPLC）分析遷移到介質中的特定物質（如殘留單體氯乙烯、添加劑、降解產物）的含量。
  • 標準參考： 需嚴格遵守目標市場法規要求（如歐盟EU No 10/2011, 美國FDA CFR 21相關章節，中國GB 9685等）。
  • 意義： 極其重要！ 確保用于食品接觸或醫藥包裝的PVDC材料的安全性，符合法規對特定遷移物總量的限量要求。

• 氯離子含量/溶出：

  • 方法原理： 將試樣在特定條件（如高溫水煮）下處理，然后使用離子色譜法 (IC) 或電位滴定法測定溶出液中的氯離子濃度。
  • 標準參考： 常依據特定行業標準（如醫療器械）或內部質量控制要求。
  • 意義： PVDC降解產物主要為HCl，評估其潛在的腐蝕性（對包裝內容物或設備）或對特定應用（如電子元件封裝）的影響。

六、 其他特定性能測試

• 熱封性能： 評估薄膜在熱封設備上的可封性及封口強度（熱封強度），方法如 ASTM F2029。
• 摩擦系數： 測量薄膜表面與自身或其他材料（如金屬）滑動時的摩擦力，對包裝機械運行至關重要（ASTM D1894, ISO 8295）。
• 燃燒性能： 評估其阻燃性，常用極限氧指數法 (LOI, ASTM D2863) 或垂直燃燒測試 (UL94)。

總結
對聚偏氯乙烯進行系統、科學的測試是保障其材料質量、加工性能和應用安全性的基石。根據最終產品的用途（如食品包裝、醫療包裝、工業薄膜）選擇相應的測試項目尤為重要。其中，熱穩定性、阻隔性能（水蒸氣、氧氣）、力學性能和遷移測試通常是評估PVDC材料綜合性能的關鍵環節。嚴格的測試數據為材料的配方優化、工藝改進以及滿足法規和市場要求提供了可靠依據。