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塑料包裝憑借輕量化、易加工、成本低等優(yōu)勢,已成為食品、醫(yī)藥、日用品等行業(yè)的主流包裝形式。但在長期儲存與運輸過程中,塑料包裝會因日光輻射、溫度波動、濕度變化等環(huán)境因素發(fā)生老化,表現(xiàn)為變色、脆化、力學性能下降,甚至喪失阻隔性,直接影響內裝物的質量安全。氙燈試驗箱通過模擬全光譜太陽光輻射及溫濕度協(xié)同作用,可在短時間內重現(xiàn)塑料包裝的自然老化過程,為產品研發(fā)、材料篩選與保質期評估提供科學依據。本文將系統(tǒng)解析該設備的技術原理、測試標準及在塑料包裝檢測中的實踐應用。
光譜過濾系統(tǒng):通過不同類型的濾光片調節(jié)光譜分布,如 borosilicate 濾光片模擬透過玻璃窗的陽光(適用于室內儲存的包裝),石英濾光片則模擬直接戶外暴露環(huán)境(適用于運輸過程中的包裝)。濾光片需定期更換(通常每 1000 小時),以保證光譜穩(wěn)定性。
輻照度控制:在 340nm 波長處可調節(jié)范圍為 0.3-1.5W/m2,采用閉環(huán)反饋系統(tǒng)將輻照度波動控制在 ±3% 以內。食品包裝常用 0.55W/m2 的輻照度(模擬溫帶地區(qū)年均陽光強度),而戶外使用的塑料包裝需測試 1.0W/m2 的強化條件。
溫濕度協(xié)同:黑板溫度可控制在 30-80℃(模擬包裝表面因陽光照射產生的升溫),相對濕度 30%-95%,支持 “光照 - 黑暗" 循環(huán)模式(如 10 小時光照 / 14 小時黑暗,黑暗階段可保持高濕度模擬夜間露水)。
噴淋系統(tǒng):部分高級設備配備高壓噴淋功能(水壓 0.5-2bar),模擬降雨對包裝表面的沖刷作用,評估印刷層的耐水性與涂層附著力。
樣品制備:從同一批次塑料包裝中選取至少 5 個代表性樣品,裁剪成 100mm×150mm 的測試樣片(保留印刷層、復合層等關鍵結構),測量初始性能參數(如拉伸強度、斷裂伸長率、透光率、色差等)。對于密封包裝,需制作模擬包裝件(裝入實際內容物或替代物)。
參數設定:根據應用場景選擇測試條件,例如:
超市貨架上的食品塑料袋:采用 borosilicate 濾光片,0.55W/m2(340nm),黑板溫度 50℃,濕度 60%,光照 168 小時(7 天);
戶外運輸的塑料編織袋:采用石英濾光片,0.8W/m2(340nm),實施 “12 小時光照(60℃/50% RH)+12 小時黑暗(30℃/90% RH)" 循環(huán),共 20 個循環(huán)(480 小時)。
樣品暴露:將樣片固定在樣品架上,確保受光面與光源平行,距離保持在 25-35cm,避免相互遮擋。模擬包裝件需保持密封狀態(tài),測試過程中定期觀察是否出現(xiàn)脹氣、滲漏等現(xiàn)象。
性能評估:測試結束后,在標準環(huán)境(23℃/50% RH)中放置 4 小時,然后按照相關標準重新測試性能參數,計算保留率或變化率。
食品包裝膜(如 PE 保鮮膜、PET 復合膜):重點評估阻隔性能變化,通過氣體滲透儀測量氧氣透過率(OTR)與水蒸氣透過率(WVTR),要求老化后 OTR 增長不超過 20%;同時檢測拉伸強度保留率(應≥80%),避免因脆化導致的破裂。
塑料瓶(如飲料瓶、化妝品瓶):側重力學性能與外觀,采用落錘沖擊試驗評估抗沖擊性能(破損率≤10%),用色差儀測量 ΔE 值(應≤3.0),檢查瓶口螺紋是否出現(xiàn)開裂。
印刷塑料包裝(如零食包裝袋、禮品盒):關注印刷層穩(wěn)定性,通過摩擦試驗機測試耐磨性(脫色等級≥4 級),用膠帶測試法評估附著力(剝離面積需 < 5%)。
色差(ΔE)是直觀指標,透明包裝的 ΔE 應≤2.0,彩色包裝可放寬至 ΔE≤4.0;
粉化現(xiàn)象通過膠帶粘揭法評估,脫落的粉末量需≤5mg/100cm2;
印刷層失效多源于油墨中的顏料氧化或粘合劑降解,用 3M 膠帶測試時,印刷殘留率應≥95%。
PE/PP 等聚烯烴材料的老化主要源于自動氧化反應,紫外光引發(fā)氫過氧化物生成,進而導致分子鏈斷裂;
PET 的光降解與酯鍵水解相關,在高溫高濕條件下(如 60℃/90% RH),水解速率會加快 3-5 倍;
復合包裝的層間剝離多因粘合劑(如聚氨酯)在紫外光下發(fā)生降解,導致粘結強度下降。
對于薄型薄膜(厚度 < 50μm),應采用樣品架旋轉裝置(轉速 1-5r/min),確保受光均勻,避免局部過度老化;
含揮發(fā)性成分的包裝(如農藥瓶),需在測試前進行預處理(70℃烘烤 24 小時),去除殘留溶劑,防止其加速光氧化;
評估長期耐候性時,可采用 “輻照度階梯式提升" 法(如 0.55W/m2→0.8W/m2→1.0W/m2),通過數據擬合預測自然環(huán)境下的使用壽命。
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