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硅胶干燥剂基本知识及用量设计

时间: 2016-4-28 9:34:32 | 浏览: 8212 | 更多关于《新闻中心

硅胶干燥剂在现代包装设计,尤其是药品,保健品等产品中应用已经十分广泛,本文旨在分享在包装设计中干燥剂使用量的分析及其思路。


1. 硅胶干燥剂相关名词解释


【绝对湿度】单位体积空气中所含水蒸汽的质量,叫做空气的“绝对湿度”。它是大气干湿程度的物理量的一种表示方式。通常以1立方米空气内所含有的水蒸汽的克数来表示。水蒸汽的压强是随着水蒸汽的密度的增加而增加的,所以,空气里的绝对湿度的大小也可以通过水汽的压强来表示。由于水蒸汽密度的数值与以毫米高水银柱表示的同温度饱和水蒸汽压强的数值很接近,故也常以水蒸汽的毫米高水银柱的数值来计算空气的干湿程度。


【相对湿度】空气中实际所含水蒸汽密度和同温度下饱和水蒸汽密度的百分比值,叫做空气的“相对湿度”。空气的干湿程度和空气中所含有的水汽量接近饱和的程度有关,而和空气中含有水汽的绝对量却无直接关系。例如,空气中所含有的水汽的压强同样等于1606.24Pa(12.79毫米汞柱)时,在炎热的夏天中午,气温约35℃,人们并不感到潮湿,因此时离水汽饱和气压还很远,物体中的水分还能够继续蒸发。而在较冷的秋天,大约15℃左右,人们却会感到潮湿,因这时的水汽压已经达到过饱和,水分不但不能蒸发,而且还要凝结成水,所以我们把空气中实际所含有的水汽的密度ρ1与同温度时饱和水汽密度ρ2的百分比ρ1/ρ2×100%叫做相对湿度。也可以用水汽压强的比来表示:


例如,空气中含有水汽的压强为1606.24Pa(12.79毫米汞柱),在35℃时,饱和蒸汽压为5938.52Pa(44.55毫米汞柱),空气的相对湿度为28.7%;而在15℃时,饱和蒸汽压是1606.24Pa(12.79毫米汞柱),相对湿度是100%。


【相对湿度与绝对湿度的关系】绝对湿度与相对湿度这两个物理量之间并无函数关系。例如,温度越高,水蒸发得越快,于是空气里的水蒸汽也就相应地增多。所以在一天之中,往往是中午的绝对湿度比夜晚大。而在一年之中,又是夏季的绝对湿度比冬季大。但由于空气的饱和汽压也要随着温度的变化而变化,所以又可能是中午的相对湿度比夜晚的小,而冬天的相对湿度又比夏天的大。由于在某一温度时的饱和水汽压可以从“不同温度时的饱和水汽压”表(篇幅所限不列)中查出数据,因此只要知道绝对湿度或相对湿度,即可算出相对湿度或绝对湿度来。


【干燥剂】干燥剂也叫吸咐剂,是用在防潮,防霉方面,起干燥作用,按吸附方式及反应产物不同为分物理吸附干燥剂和化学吸附干燥剂。物理吸附的干燥剂有硅胶、氧化铝凝胶、分子筛、活性炭、骨炭、木炭、矿物干燥剂,或活性白土等,它的干燥原理就是通过物理方式将水分子吸附在自身的结构中。


【分子筛干燥剂】一种具有立方晶格的硅铝酸盐化合物,主要由硅铝通过氧桥连接组成空旷的骨架结构,在结构中有很多孔径均匀的孔道和排列整齐、内表面积很大的空穴。此外还含有电价较低而离子半径较大的金属离子和化合态的水。由于水分子在加热后连续地失去,但晶体骨架结构不变,形成了许多大小相同的空腔,空腔又有许多直径相同的微孔相连,这些微小的孔穴直径大小均匀,能把比孔道直径小的分子吸附到孔穴的内部中来,而把比孔道大得分子排斥在外,因而能把形状直径大小不同的分子,极性程度不同的分子,沸点不同的分子,饱和程度不同的分子分离开来,即具有“筛分”分子的作用,故称为分子筛。目前分子筛在冶金,化工,电子,石油化工,天然气等工业中广泛使用。


特点:

  1. 在超低湿度条件下,仍然能够大量地吸收环境中的水蒸气,有效地控制环境湿度;
  2. 吸湿速度极快,在极短的时间内吸收大量水蒸汽。

【硅胶干燥剂】硅胶是一种高活性材料,通常是用硅酸钠和硫酸反应,并且经过老化,酸化等一系列处理过程制得。硅胶属于非晶态物质,其化学分子式为mSiO2.nH2O。不溶于水和任何溶剂,无毒无味,化学性质稳定,除了强碱,氢氟酸外不与任何物质反应。各种型号的硅胶因其制造方法不同从而形成了不同的微孔结构。硅胶的化学组分和物理结构,决定了它具有其他同类材料难以具备的特点:吸附性能高、化学性质稳定、热稳定性好、较高的机械强度等,十分适宜用作干燥剂。在药品、保健品中通常选择细孔硅胶作为干燥剂。在硅胶的使用过程中由于其吸附了介质中的水蒸气或者其他有机物质,吸附能力下降,可通过脱附加热后再生重复使用。



特点:硅胶干燥剂最适合的吸湿环境为室温(20~32℃)、高温(60~90℃),它能使环境的相对湿度降低至40%左右,因此应用范围非常广泛。

2. 干燥剂简介



国内目前较知名的干燥剂生产企业有:青岛海洋化工有限公司、新加坡干霸干燥剂(深圳)有限公司、上海威胜干燥剂有限公司、青岛裕宝干燥剂有限公司、青岛力海精细化工有限公司等。由于目前在药品、保健品中广泛使用安全可靠的细孔硅胶干燥剂,国家药监局也在2005年颁布了“药用固体纸袋装硅胶干燥剂”质量标准YBB00122005。我国也于2005年制定了硅胶干燥剂行业标准(HG/T2765.1-2005)。图-1列出了硅胶干燥剂行业质量标准中主要衡量参数:


图-1 硅胶制品行业质量标准



干燥剂在生产出来后要迅速与空气隔绝,以避免暴露在空气中吸收大量水分而失效。通常会使用阻隔包装袋来包装干燥剂进行储存和运输,直至使用时才会将阻隔袋打开。阻隔包装材料是决定干燥剂在最终客户产品包装中是否发挥功效的关键,理论上讲,任何阻隔材料在一定温度和湿度条件下都有一定的渗透性,其指标是水汽透过率(Moisture Vapour Transition Rate),即MVTR,单位是(克/平方米. 天)阻隔材料的MVTR越高,干燥剂的存储周期就越短,反之则越长。图-2给出了常见阻隔材料的MVTR参考值。


图-2 常见阻隔材料水蒸气透过率参考值


对于有长途运输及长期存贮要求的干燥剂来说,必须使用MVTR小于0.5克/平方米. 天的材料来包装干燥剂,由上图可知,目前只有使用铝箔包装是最合理的选择。

在设计带有干燥剂的包装时候,必须保证包装密封及包装本身壁厚(或者水蒸气阻隔性)达标,目前国内这两方面生产工艺已经十分成熟,完全可以达标。



3. 干燥剂具体案例分享



某公司有一种用于临床尿检测的试纸条产品,由一些试剂块粘在大卡片上制成,试剂块内含有多种化学成分和生物酶,对于光照、潮湿、高温或一些杂质都十分敏感,储存不当很快就会变质失效。


为保存该尿试纸条产品,以保护其不受外界环境的干扰和影响,该公司计划采用塑料盖密闭的铝筒进行包装,并在筒盖中放入干燥剂保护该产品。为寻找合适的干燥剂使用方案,上海威胜包装材料有限公司应邀参与解决该问题。


原料的选用:由于该产品要求的湿度较低,故选用分子筛作为干燥剂比较合适;分子筛在较低湿度环境下仍能较好地发挥吸湿功能,能较好地控制铝筒中的湿度;且分子筛吸湿速度较快,能较快地吸附铝筒内的水蒸气。


包装的选用:现有的瓶盖上有6个1mm左右直径的小孔(作用为透气,参加图-3),如果直接放入散装的干燥剂的话,工序简单、成本低廉,空间利用率高,但由于摩擦及挤压的作用,难免会有干燥剂粉尘从小孔中泄漏至产品表面,鉴于该产品对粉尘敏感,故放弃该方案;如先将干燥剂制成小袋(防止粉尘泄漏),再放至瓶盖与卡口之间的空间,由于尺寸配合度不高,很难有效利用空间,故此方案也不合适;如先将干燥剂制成小圆柱状(塑料壳+透气纸盖),既可以防止粉尘泄漏,圆柱形状也可以完全配合盖子内的空间,只是塑料盖内再加带干燥剂的塑料壳,工序繁琐,成本较高,也不是最好的办法;如能找到一种兼具第一及第三种包装优点的包装形式,就完美了。


干燥剂用量计算:铝筒分三种尺寸,大筒145*45mm(筒长*直径),中筒130*45mm,小筒110*45mm,分别放置100、50及30条试剂条。鉴于应用的不确定性,仍然建议在空间允许的条件下尽量多的放置干燥剂,这里先人为设置些参数,计算干燥剂的用量:


以大筒为例:


1. 假定100条试剂条,分100次用完,也就是说要开罐100次,每次开罐的时间为1分钟;


2. 假设铝罐完全密封,且塑料盖厚度足够厚,可以忽略微小的水蒸气渗透;

3. 假设每次使用期间,外界环境为70%相对湿度,25℃温度;

4. 假定干燥剂使用威胜常规4A分子筛,包装后在常规外界环境下暴露1分钟,平均增重0.02%(增重部分为吸收的水分);

5. 认为试剂放置在5%相对湿度下(温度为常温,25℃左右)是安全的,而此时4A分子筛吸湿能力为10%。

此时干燥剂用量计算公式为:(干燥剂总的吸湿能力=暴露在空气中吸湿能力的损失+铝筒内的水分);

W0×10%=W0(100min×0.02%min-1)+100V×b

其中

W0为干燥剂用量;

V为筒的体积;

b 为25℃,70%相对湿度条件下,空气中的含水率(绝对湿度)。

经过计算W0为4.65g。

而在其他条件不变的情况下,如果每次开罐时间为2分钟,结果为6.21g;开罐时间为3分钟,结果为9.32g;开罐时间为5分钟以上,理论上无论放多少干燥剂,到最后都会失效。

按照相同的计算方法,得出干燥剂的参考用量,如表-1:

表-1 干燥剂参考用量

注:“-”代表无论放多少干燥剂,最后都会失效

包装方案推荐:就以上分析,推荐如下包装方案,见图-3;

1.不采用塑料卡口,塑料盖形式基本不变,但采用类似小圆柱干燥剂的可卷边结构;

2.干燥剂直接放入塑料盖内,采用透气硬纸片嵌入并卷边固定;

3.将安装完毕的塑料盖用高阻隔材料包装后运至客户公司进行最后与铝筒的组装使用。

图-3 改进前、后的含干燥剂的塑料盖

现有筒盖(改进前)

改进后筒盖



4. 硅胶干燥剂总结



通过本文干燥剂用量案例的分析,在将来涉及有关含有干燥剂包装设计时,可参考收集以下信息来帮助计算干燥剂用量:


1.包装的厚度(关系到包装的水蒸汽透过率,最好能够直接提供)

2. 包装的外型尺寸,关系到内部容积、可透气的表面积(塑料是可以透气的,铝是可以完全阻隔水蒸汽的)。

3.包装内产品的允许保存条件(怕湿?多少湿度以下是安全的?)这涉及到干燥剂的种类的选择和用量。

4.产品的保质期。

5.产品到客户手上之后可能的使用情况。

随后通过计算干燥剂在被打开装入产品包装内之后直至消费者最后使用完产品后整个过程内所有可能接触到的水分总重量,得出需要使用的干燥剂合理的用量。


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