“高阻隔”無疑是一種非常理想的屬性，是許多聚合物包裝材料都要求具備的特性之一。在專業術語中高阻隔是指對低分子量的化學物質，如氣體和有機化合物等具有非常低的透過性。高阻隔包裝材料可以有效的保持產品的原始性能，延長其貨架壽命[1 -3].
1 常見高阻隔材料
目前，高分子材料中常用的阻隔材料主要有以下幾種：
1. 1 聚偏氯乙烯 （ PVDC）
PVDC 是偏氯乙烯（ VCD） 和氯乙烯（ VC） 的共聚物，對氧氣和水蒸氣具有優異的阻隔性。這是由于 PVDC 的分子結構對稱，其分子間具有較強的凝聚力，小分子在其間很難移動，因而阻隔性能很好。PVDC 的高結晶性、高密度以及疏水基的存在使得其透氧率和透水氣率極低，從而使 PVDC 具有優異的氣體阻隔性，與其他材料相比可以更好的延長包裝物品的保質期，加之其印刷適應性好，易于熱封，因而被廣泛應用于食品與藥品包裝、果汁飲料的保鮮、茶葉與卷煙的防潮領域.
但由于純 PVDC 軟化溫度高且與其分解溫度接近，與一般增塑劑相容性差，故其熱成型困難，難以直接應用。實際使用的 PVDC 薄膜多為由偏氯乙烯（ VDC） 與氯乙烯（ VC） 或丙烯酸甲酯（ MA） 的共聚得到阻隔性優良的薄膜。
劉希偉等通過溶液聚合法制備了偏氯乙烯 - 丙烯酸甲酯共聚物涂覆型涂料，并采用傅立葉紅外光譜儀（ FT - IR） 、熱重分析儀（ TGA） 以及凝膠滲透色譜儀（ GPC） 對共聚物進行了表征，確定該共聚物的聚合條件為： 單體配比 m（ 偏氯乙烯） ∶m（ 丙烯酸甲酯） = 88∶12,引發劑過氧化苯甲酰與 N,N - 二甲基苯胺的用量為單體總質量的 0. 6%,反應時間 20 h; 用四氫呋喃（ THF） 和乙酸丁酯制備成混合溶劑，當它們的體積比為0.4∶1 時制備的薄膜阻隔性能最好，其水汽透過率為 5. 42 g / （ m2·24 h） .
1. 2 乙烯 - 乙烯醇共聚物 （ EVOH）
EVOH 是乙烯和乙烯醇的共聚物，具有非常好的阻隔性能。這是因為 EVOH 的分子鏈上含有羥基，而分子鏈上的羥基之間易生成氫鍵，使分子間作用力加強，分子鏈堆積更緊密，使 EVOH 的結晶度較高，從而具有優異的阻隔性能。此外，EVOH 分子鏈中的羥基具有極性，使得空氣中非極性的氧氣很難透過 EVOH.另外，EVOH 中的乙烯醇鏈段也為極性，所以 EVOH 對非極性溶劑也具有良好的阻隔性能，而分子鏈中非極性的乙烯部分又可以提高 EVOH 對水等極性溶劑的阻隔性能。
但是，EVOH 結構中含有大量具有親水性的羥基，使得EVOH 易吸濕，從而使阻隔性能大大降低； 另外，分子內與分子間具有較大的內聚力及高結晶度導致其熱封性能較差。
為了提高 EVOH 的阻隔性能，添加層狀納米粒子制備納米復合材料為常用方法之一。如 Cabedo L 等用十八烷基胺對高嶺土進行有機改性，然后采用熔融共混法制備了 EVOH - 高嶺土納米復合材料。采用廣角 X 射線衍射儀（ WAXS） ,透射電子顯微鏡（ TEM） ,差示掃描量熱儀（ DSC） ,TGA 和透氣測定儀（ GPA） 等手段對納米復合材料進行表征。結果表明： 粘土片層呈現局部剝離和插層共存形態，當粘土含量低于 8wt% 時，納米復合材料的玻璃化轉變溫度和結晶度提高，隔熱性能和阻氧性能得到改善。
1. 3 聚酰胺 （ PA）
聚酰胺通稱尼龍，它的重復單元結構含有酰胺基團。由于聚酰胺分子鏈中的酰胺基團上的氫易于和另一個酰胺基團上的羥基形成氫鍵，使得聚酰胺分子間作用力增大，分子排列規整，產生結晶結構，從而使聚酰胺具有高阻隔性。聚酰胺樹脂中，尼龍 6 是常見的高阻隔包裝材料。
但由于 PA 結構中的酰胺基團為極性，所以 PA 吸濕性強，雖然適用于蒸汽消毒，但在潮濕條件下氣密性下降、尺寸不穩定、剛性較差、易起皺。通常采用接枝、嵌段、共混等手段對其進行改性以滿足不同應用領域的需求。Lafitte G 等通過熔融共混法制備了一系列不同比例的PA11 / 聚羥基氨基醚（ PHAE） 共混物，并在相同的加工條件下通過擠壓成型制備得到薄膜。PA11/PHAE 共混物呈現兩相形態。
當混合物中 PA11 質量含量較低時，PA11 為分散相，呈現長纖維狀結構； 當 PA11 的含量大于 50wt% 時，PHAE 被 PA11 基體包圍； 采用 DSC 和動態機械分析儀（ DMA） 表征了 PA11/PHAE的相互作用，研究了混合物的組成和形態對其機械性能和氫氣阻隔性能的影響。結果表明，隨著共混物中 PHAE 含量的增加，其氫氣滲透性降低。將實驗氫氣滲透率值和通過具體性質和形態計算得到的理論值進行了比較，發現其氫氣阻隔性能的改善主要與混合物的組成有關。
Picard E 等利用熔融共混法制備了 PA6/MMT 納米復合薄膜材料，討論了粘土含量和分散狀態對薄膜阻隔性能的影響。通過對不同體系擴散分子的動力學直徑和相互作用能力對阻隔性能的影響進行測定，發現相對滲透率與滲透分子的性質之間沒有關系，提高阻隔性能的主要原因是延長了擴散路徑。
結果表明： 納米復合材料的成分對聚酰胺基體的結晶形態的影響很小，復合材料的滲透性能與粘土含量和分散有關。
Tsai T Y 等通過原位聚合法制備了尼龍 6/粘土納米復合材料，其中粘土采用不同陽離子進行改性，并將尼龍 6/粘土納米復合材料與純尼龍 6 聚合物的機械性能、熱性能和氣體滲透性能進行了比較。通過 DSC 表征了尼龍 6/粘土納米復合材料的熱性能，分析表明該剝離型納米復合材料具有較好的熱性能。采用 GPA 測定了尼龍 6/粘土納米復合材料的 CO2氣體阻隔性能，結果表明： 粘土在聚合物基質中更好的分散能夠使阻隔性能大幅提升。
1. 4 聚酯類 （ PET、PEN）
聚酯中最常見和應用最廣泛的阻隔材料是 PET.PET 由于化學結構對稱，分子鏈平面性較好，分子鏈堆砌緊密，容易結晶取向，這些特點使得其具有優異的阻隔性能。而近年來應用發展迅速的還有 PEN,它有著良好的耐水解性、耐化學藥品性和耐紫外性。PEN 的結構與 PET 相似，不同的是 PET 主鏈中含有苯環，而 PEN 主鏈中為萘環。由于萘環比苯環具有更大的共軛效應，分子鏈剛性更高，結構更呈平面性，因而 PEN 具有比PET 更優異的綜合性能。
2 高阻隔材料的阻隔技術
為了提高阻隔材料的阻隔性能，目前常采用的技術手段主要有以下幾種：
2. 1 多層復合
多層復合是指通過一定的工藝將兩種或幾種阻隔性能不同的薄膜復合到一起。這樣一來，滲透分子要想到達包裝內部就得通過幾層膜，相當于延長了滲透路徑，從而使阻隔性能得到提高。該方法綜合了各種膜的優點而制備出的一種綜合性能優異的復合薄膜，其工藝簡單。但是與本征型高阻隔材料相比，用此方法制備薄膜較厚，容易出現氣泡或開裂褶皺等影響阻隔性能的問題，而且對設備要求相對復雜，成本較高。
2. 2 表面涂覆
表面涂覆即利用物理氣象沉積（ PVD） 、化學氣相沉積（ CVD） 、原子層沉積（ ALD） 、分子層沉積（ MLD） 、層層自組裝（ LBL） 或磁控濺射沉積等技術在聚合物表面沉積金屬氧化物或氮化物等材料，從而在薄膜表面形成致密且阻隔性能優異的涂層，但是，這些方法存在過程費時、設備昂貴和工藝復雜等問題，而且涂層在服役過程中有可能產生針孔、裂紋等缺陷。
2. 3 納米復合材料
納米復合材料是利用不可滲透且具有大的長徑比的片狀納米粒子 （ 如石墨烯、納米粘土、碳納米管、層狀雙羥基復合金屬氧化物和納米微晶纖維素等） 通過插層復合法、原位聚合法或溶膠 - 凝膠法制備的納米復合材料。片狀納米粒子的加入這不僅可以降低體系中聚合物基體的體積分數，以降低滲透分子的溶解度，而且還能夠延長滲透分子的滲透路徑，降低滲透分子的擴散速率，使阻隔性能得到改進。然而，納米粒子難以均勻分散和高度取向，且服役過程中易遷移，影響材料的光學性能和機械性能。
2. 4 表面改性
聚合物表面由于經常與外界環境接觸，容易對聚合物的表面吸附、阻隔性、印刷產生影響。為了讓聚合物能更好的應用于日常生活，通常對聚合物的表面進行處理。
為了提高聚合物的阻隔性能，也可以采用對聚合物表面進行改性的方法，主要包括： 表面化學處理、表面接枝改性以及等離子體表面處理。主要是通過改變其表面的物理化學性質，如使其表面的極性增強、提高它的內聚能密度、使表面上分子鏈產生交聯等，從而使制品的阻隔性能得到提高。這類方法技術條件要求容易滿足，設備較簡單，一次性投資成本低，但達不到長期穩定的效果，一旦表面受到破壞，阻隔性能會受到嚴重影響。
2. 5 雙向拉伸
通過雙向拉伸可使聚合物薄膜在縱橫兩個方向上進行取向，使分子鏈排列的有序度提高，堆砌更緊密，從而使小分子更難通過，進而改善阻隔性能，這種方法使本征型高阻隔聚合物薄膜的制備工藝復雜化，且阻隔性能也難有得到顯著提高。
對比以上幾種方法，可以看出通過一定的手段雖然在一定程度上提高了聚合物的阻隔性能，但不能從根本上解決問題，開發合成新型高阻隔材料聚合物才是最為直接有效的方法。通過對聚合物分子鏈的化學結構與聚合物的聚集態結構進行有目的的設計，改善分子鏈的有序度、作用力、剛性以及聚合物的結晶性能等，從而可限制滲透分子在聚合物表面的溶解度以及在聚合物內部的擴散速率，以獲得阻隔性能優異的本征型聚合物。由于本征型高阻隔聚合物光學性能優異，穩定性好，化學結構和聚集態結構具有靈活的調控性，且易于低成本制備大尺寸薄膜，逐漸成為當前高阻隔聚合物材料研究的主流方向。
3 高阻隔材料的應用
在日常生活中，人們為了提高產品的保質期，延長產品的貨架壽命，保護產品不受外界環境的影響，常常要使用具有高阻隔性的材料，而高分子類高阻隔材料由于質量輕、柔性好、易彎折、透明以及價格低廉而越來越受到人們的青睞。目前的高分子高阻隔材料主要應用于食品與藥品包裝、電子器件封裝、太陽能電池封裝、OLED 封裝。
3. 1 食品與藥品包裝
食品與藥品包裝是目前高阻隔材料應用最廣的領域。主要是為了防止空氣中的氧氣和水蒸氣進入包裝中使食物和藥品變質，而大大降低了其保質期。對于食品與藥品包裝一般對阻隔要求不是特別高，要求阻隔的材料的水蒸氣透過率（ WVTR） 和氧透過率（ OTR） 要分別低于 10 g/m2/ day 和 100 cm3/ m2/ day.
3. 2 電子器件封裝
現代電子信息的快速發展，人們對電子元器件提出了更高的要求，向便攜性、多功能化發展。這就對電子器件封裝材料提出了更高的要求，既要具有良好的絕緣性，又要能保護其不會受到外界氧氣和水蒸氣的腐蝕，而且還要具有一定的強度，這就需要使用到高分子阻隔材料。一般電子器件對封裝材料阻隔性要求為水蒸氣透過率（ WVTR） 和氧透過率（ OTR） 要分別低于 10- 1g / m2/ day 和 1 cm3/ m2/ day.
3. 3 太陽能電池封裝
由于太陽能常年暴露在空氣中，空氣中的氧氣和水蒸氣易對太陽能電池外面的金屬化層產生腐蝕作用，嚴重影響太陽能電池的使用。所以有必要對太陽能電池組件采用高阻隔材料進行封裝處理，這樣不僅可以使太陽能電池的使用壽命得到了保障，還增強了電池的抗擊強度。太陽能電池對封裝材料阻隔性要求為水蒸氣透過率（ WVTR） 和氧透過率（ OTR） 要分別低于10- 2g / m2/ day 和 10- 1cm3/ m2/ day.
3. 4 OLED 封裝
有機電致發光器件（ OLED） 彰顯了全固態、主動發光、高亮度、高對比度、超薄、功耗低、無視角限制、響應速度快、工作溫度范圍寬和可實現柔性顯示等諸多無可比擬的優勢，被認為是最理想、最具發展前景的取代液晶顯示器的新一代信息顯示技術，是未來 30 年世界信息產業發展的重點[15 -17].然而，使用壽命的長短是制約 OLED 廣泛應用的最大挑戰之一，影響 OLED 使用壽命的主要原因是電極材料和發光材料對氧、水、雜質都非常敏感，很容易被污染從而導致器件性能的下降，從而降低發光效率，縮短使用壽命[18 -19].為了保證產品的發光效率并延長其使用壽命，器件在封裝時一定要隔絕氧和水。并且為了保證柔性 OLED 顯示器的使用壽命大于 10000 h,必須要求阻隔的材料的水蒸氣透過率（ WVTR） 和氧透過率（ OTR） 要分別低于10- 6g / m2/ day 和 10- 5cm3/ m2/ day,其標準遠遠高于在有機光伏、太陽能電池封裝以及食品、藥品和電子器件包裝技術等領域對阻隔性能的要求，因此必須選用阻隔性能十分優異的柔性襯底材料對器件進行封裝，才能滿足產品壽命的嚴格要求。
4 展 望
高分子高阻隔材料相對于金屬類及無機類高阻隔材料具有柔軟、透明、質輕等優點，但其阻隔性能還不能很好地滿足高性能包裝的要求，這就迫切要求人們開發新的阻隔材料或阻隔技術，進而更好的拓展高分子高阻隔材料在包裝領域的應用。其中，從分子結構出發，開發新的本征型高分子高阻隔材料作為最有效的解決問題的途徑會越來越受科研工作者們的青睞。
