耐水煮袋、耐蒸煮袋在经历了水煮或蒸煮处理后,有时会在袋子的表面显现出许多大小不一、分布不均的气泡,如图1和图2所示。
此类现象是耐水煮袋、耐蒸煮袋在应用过程中常常接到的质量投诉。
产生此类质量问题的原因有三个:
1、复合膜层间已经存在肉眼不易发现的小气泡;
2、复合膜中存在过多的残留溶剂量;
3、在含铝箔的复合膜当中,存在较多的残留铝箔轧制油。
根据盖·吕萨克定律(即气体热膨胀定律):压强不变时,一定质量气体的体积跟热力学温度成正比。
即V1/T1=V2/T2=……=C恒量。
热力学温度,又称开尔文温标、绝对温标,简称开氏温标,是国际单位制七个基本物理量之一,单位为开尔文,简称开,符号为K,其描述的是客观世界真实的温度,同时也是制定国际协议温标的基础,是一种标定、量化温度的方法。
热力学温度T与人们惯用的摄氏温度t的关系是:T(K)=273.15+t(℃)。
如果复合膜当中本身存在微小的、肉眼不易察觉的气泡,当复合膜的本体温度由室温(20℃)被加热到100℃(水煮处理)或121℃(蒸煮处理)时,依据盖·吕萨克定律,其中气体可能的膨胀率应当是:
V2/T2 = V1/T1,即V2 = V1T2/T1
在水煮处理时,V2 =V1T2/T1 = V1(273.15+100)/(273.15+20)= 1.273V1
即:其中气体的体积将会膨胀27.3%!
在蒸煮处理时,V2 = V1T2/T1 = V1(273.15+121)/(273.15+20)= 1.345V1
即:其中气体的体积将会膨胀34.5%!
根据理想气体状态方程(克拉伯龙方程): PV=nRT
式中:
P:1atm=101.3kPa;
V:标准状态下的气体体积,升;
n:气体的摩尔量;【摩尔(mole),简称摩,旧称克分子、克原子,是国际单位制7个基本单位之一,符号为mol。每1摩尔任何物质(微观物质,如分子,原子等)含有阿伏伽德罗常量(约6.02×1023)个微粒。】
R:气体常量、比例系数;8.31441J/mol•K
T:绝对温度;273+t(K)
将数据代入上式,可得到:
V=nRT=n•8.31441•273/101.3 或V=nRT=n•0.082•273/1 =22.386n
上式的演变结果表明:在零度和一个大气压的条件下,一个摩尔量的气体体积大约是22.4L(立方分米)。
根据百度百科的相关资料,乙酸乙酯的分子量为88.11g/摩尔,密度为0.902 g/mL。推算下来,一个摩尔的乙酸乙酯(88.11g)液体的体积为:88.11÷0.902= 97.68mL。
从上述数据可以得知,在室温、一个大气压以及足够热量的条件下,一个摩尔的乙酸乙酯将会从液态的97.68ml变为22.386L的气体,其体积膨胀了22.386 × 1000 ÷ 97.68 ≈ 229(倍)!
如果是进行水煮处理或蒸煮处理,根据前面的计算结果,气体的体积还要膨胀27.3%或34.5%,那么,总的膨胀倍率将分别为229 × 1.273 ≈ 291(倍)或 229 × 1.345 ≈ 308(倍)!
1mg乙酸乙酯是1÷88.11÷1000=1.135×10~5摩尔,其体积是0.001克÷0.902g/ml= 1.11× 10-3ml,在121℃的蒸煮条件下,它将会膨胀到1.11× 10-3 × 308 = 0.34ml的体积【相当于直径为1.1mm的半球体的体积】!
但是如果将这1mg乙酸乙酯均匀地分布到一平方米面积上的一百万个点位上,则每一个点位上的乙酸乙酯气泡的体积将完全可以忽略不计【残留溶剂的控制指标是≦5mg/m2】!
如果在7um厚铝箔的表面存在一个直径50um的针孔,其容积为 πr2d= π×(50/2)2×7 = 13744μL = 1.37 × 10-5ml;假定其中残存的液体为乙酸乙酯,在蒸煮处理条件下,其体积将会膨胀到1.37 × 10-5 × 308 = 4.23× 10-3ml!
这样一个体积的气体将会在复合薄膜的表面形成一个直径约为0.25mm的半球形气泡!
如果在铝箔的针孔中存在的是轧制油,由于油脂类化学品的分子量会大于乙酸乙酯,在相同体积下的摩尔数会少一些,因此,由残留的轧制油导致的气泡会相对小一些。
从上述的计算结果来看,如果在热处理后的复合膜袋的表面显现的是微小的气泡,可以认为是由残留在铝箔针孔中的轧制油或较大数量级的残留溶剂所导致的,如果显现的是如图1所示的、甚至直径超过5mm的气泡,则应考虑是由呈点、片状分布(不仅仅是针孔中)的残留铝箔轧制油所导致的。
因此,在分析有关经水煮、蒸煮处理后在袋子的表面显现出气泡的问题时,首先应检查尚未经历水煮、蒸煮处理的复合膜袋的残留溶剂量,其次应使用放大镜检查在未经历水煮、蒸煮处理的复合膜袋上是否存在着肉眼不易观察到的微小气泡。