摘要：本文介紹了透氣性測(cè)試的發(fā)展過(guò)程，詳細(xì)介紹了透氣性測(cè)試的兩類方法——壓差法和等壓法，并對(duì)選購(gòu)相關(guān)設(shè)備給出了一些建議。
關(guān)鍵詞：透氣性,壓差法,等壓法,真空法,傳感器法

 

    包裝材料阻隔性能的優(yōu)劣是決定其使用領(lǐng)域及內(nèi)容物質(zhì)量的主要因素之一。滲透通過(guò)包裝材料的氧氣、二氧化碳等氣體會(huì)顯著影響產(chǎn)品的品質(zhì)，因此在進(jìn)行產(chǎn)品的包裝設(shè)計(jì)時(shí)需要結(jié)合產(chǎn)品預(yù)計(jì)的保質(zhì)期選擇阻隔性能適當(dāng)?shù)牟牧稀Ｍ笟庑詸z測(cè)設(shè)備是近幾年包裝材料制造商以及使用商主要選購(gòu)的檢測(cè)設(shè)備之一。

1、透氣性測(cè)試的發(fā)展

    透氣性測(cè)試，也稱作氣體阻隔性測(cè)試或是氣體透過(guò)性測(cè)試，主要是考察薄膜、薄片對(duì)常見無(wú)機(jī)氣體的阻隔性能，是材料主要的阻隔性能指標(biāo)之一。通常檢測(cè)的是材料的透氧性，由于氣調(diào)包裝的廣泛使用也需對(duì)包裝材料的二氧化碳、氮?dú)馔高^(guò)性能進(jìn)行檢測(cè)。

    透氣性測(cè)試方法可分為壓差法（Differential-pressure method）與等壓法（Equal-pressure method）。廣泛使用的是壓差法，可分為真空壓差法和正壓差法（體積法）。隨著微量氧探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，微量氧傳感器逐 步應(yīng)用在材料的透氧性測(cè)試領(lǐng)域中，即透氣性測(cè)試中的傳感器法，利用不同的氣體傳感器可以檢測(cè)不同氣體對(duì)材料的滲透性能，目前對(duì)氧氣和二氧化碳的傳感器法檢測(cè)工藝已經(jīng)成熟。另外還可以利用氣象色譜法檢測(cè)材料的透氣性。傳感器法和氣象色譜法都可以歸為透氣性測(cè)試的等壓法。

2、壓差法

圖 1. 真空法測(cè)試原理圖

    真空法是壓差法中代表性的一種測(cè)試方法。它的測(cè)試原理（見圖 1）是利用試樣將滲透腔隔成兩個(gè)獨(dú)立的空間，先將試樣兩側(cè)都抽成真空，然后向其中一側(cè)（A 高壓側(cè)）充入 0.1MPa（絕壓）的測(cè)試氣體，而另一側(cè)（B 低壓側(cè)）則保持真空狀態(tài)，試樣兩側(cè)形成 0.1MPa 的測(cè)試氣體壓差。測(cè)試氣體滲透通過(guò)薄膜進(jìn)入低壓側(cè)并引起低壓側(cè)壓力的變化，用高精度真空規(guī)測(cè)量低壓側(cè)壓力的變化量就可以利用公式計(jì)算得到測(cè)試氣體的氣體透過(guò)量（GTR）。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有 ISO 2556、ISO 15105-1、ASTM D 1434（M法）、GB 1038、JIS K 7126（A法）等。ISO 15105-1 提供的氣體透過(guò)量（GTR）計(jì)算公式如下：

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• 式中： V C ——低壓側(cè)的體積；
• T ——試驗(yàn)溫度（熱力學(xué)溫度）；
• pu ——高壓側(cè)的氣體壓強(qiáng)；
• A ——有效滲透面積；
• dp/dt ——當(dāng)滲透狀態(tài)穩(wěn)定后，在低壓側(cè)單位時(shí)間內(nèi)壓強(qiáng)的變化量；
• R ——氣體常數(shù)。

    真空法是采用負(fù)壓差方法來(lái)實(shí)現(xiàn)試樣兩側(cè) 0.1MPa 的壓差，當(dāng)然也可以通過(guò)正壓差的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，zui常用的正壓差法是體積法。由于體積法無(wú)需對(duì)滲透腔抽真空，也不用進(jìn)行真空度的保持，所以降低了設(shè)備制造及試驗(yàn)的難度。相關(guān)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有 ASTM D 1434（V 法）等。

    壓差法對(duì)測(cè)試氣體的通用性非常好。由于膜技術(shù)理論的支持，真空法在透氣性測(cè)試中一直作為基礎(chǔ)方法使用，科研檢測(cè)機(jī)構(gòu)多采用這種方法。隨著真空規(guī)檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步、以及高真空技術(shù)在設(shè)備設(shè)計(jì)上的應(yīng)用，大大提高了設(shè)備的檢測(cè)精度以及測(cè)試數(shù) 據(jù)的重復(fù)性。它的突出優(yōu)點(diǎn)是能夠通過(guò)一次測(cè)試得出材料的滲透系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、溶解度系數(shù)3項(xiàng)阻隔性指標(biāo)。

    在選購(gòu)真空壓差法透氣性測(cè)試設(shè)備時(shí)，需要注意以下參數(shù)指標(biāo)：測(cè)試腔能達(dá)到的真空度、真空規(guī)的精度及量程、“空白試驗(yàn)”數(shù)據(jù)及測(cè)試數(shù)據(jù)重復(fù)性，以及設(shè)備是否具備自控溫功能。測(cè)試腔真空度不但體現(xiàn)了所采用真空泵的抽真空能力，還體現(xiàn)了測(cè)試腔體以及相關(guān)管路的密封性能，如果機(jī)械結(jié)構(gòu)中存在泄漏點(diǎn)，則試驗(yàn)結(jié)果將會(huì)受到嚴(yán)重的干擾，無(wú)法體現(xiàn)材料的真實(shí)阻隔性。如果只有某一次試驗(yàn)達(dá)不到要求的真空度，極有可能是由于試樣裝夾密封不當(dāng)所引起的。標(biāo)準(zhǔn)要求真空規(guī)的精度應(yīng)不低于6Pa，目前比較的真空規(guī)的分辨率是其滿量程的0.1％，由于測(cè)試元件的分辨率都要優(yōu)于它的測(cè)試精度，因此真空規(guī)的量程一般要小于6kPa。“空白試驗(yàn)”數(shù)據(jù)以及測(cè)試數(shù)據(jù)的重復(fù)性是衡量設(shè)備經(jīng)受各種因素影響的綜合指標(biāo)，試驗(yàn)環(huán)境的溫濕度控制情況對(duì)測(cè)試結(jié)果也有影響，尤其是溫度對(duì)阻隔性測(cè)試的影響zui為顯著，可以參閱2005年1月17日及2月21日蘭光實(shí)驗(yàn)室論壇文章。選購(gòu)正壓差法設(shè)備時(shí)，由于這種方法無(wú)須抽真空，因而只需要關(guān)注壓力傳感器的精度和量程、“空白試驗(yàn)”數(shù)據(jù)以及測(cè)試數(shù)據(jù)的重復(fù)性等指標(biāo)就可以了。

3、等壓法

圖 2. 傳感器法測(cè)試原理圖

    目前用于包裝材料透氣性檢測(cè)的等壓法主要是傳感器法，它以檢測(cè)材料的透氧性為主，該方法對(duì)試驗(yàn)氣體有選擇性，測(cè)試原理（參見圖 2）如下：利用試樣將滲透腔隔成兩個(gè)獨(dú)立的氣流系統(tǒng)，一側(cè)為流動(dòng)的測(cè)試氣體（A，可以是純氧氣或是含氧氣的混合氣體），另一側(cè)為流動(dòng)的干燥氮?dú)猓˙）。試樣兩邊的壓力相等，但氧氣分壓不同。氧氣在濃度差作用下透過(guò)薄膜進(jìn)入氮?dú)饬鳎凰椭裂鮽鞲衅髦?，由氧傳感器測(cè)量出氮?dú)饬髦袛y帶的氧氣量，從而計(jì)算出材料的氧氣透過(guò)率。傳感器法設(shè)備在正式試驗(yàn)之前需要使用標(biāo)準(zhǔn)膜進(jìn)行設(shè)備標(biāo)定，確定設(shè)備的校正因子，并將它用于正式試驗(yàn)的計(jì)算中。傳感器法的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有 ISO 15105-2，ASTM D 3985，ASTM F 1927，ASTM F 1307 等。ISO 15105-2 提供的氧氣透過(guò)量（O₂ GTR）計(jì)算公式如下：

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• 式中： U ——試樣測(cè)試時(shí)的輸出電壓信號(hào)；
• U0 ——電壓零信號(hào)；
• k ——設(shè)備的校正因子；
• Pa ——環(huán)境大氣壓；
• P0 ——測(cè)試氣體中的氧氣分壓差；
• A ——有效滲透面積。

    在檢測(cè)材料的氧氣透過(guò)率時(shí)使用的是氧傳感器，只能對(duì)氧氣的滲透性進(jìn)行分析，由于氮?dú)庾鳛檩d氣用于輸送滲透通過(guò)試樣的測(cè)試氣體，所以目前利用這種測(cè)試結(jié)構(gòu)檢測(cè)氮?dú)馔高^(guò)率還是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

    傳感器法是隨著氧探測(cè)器技術(shù)的不斷成熟而出現(xiàn)的。相對(duì)于真空法測(cè)試，它的試驗(yàn)時(shí)間有一定的縮短，更常用于貿(mào)易中高阻隔性材料的檢測(cè)。另外，由于使用的傳感器屬消耗型元件，所以設(shè)備標(biāo)定所得的校正因子并不是長(zhǎng)期有效的，需要根據(jù)要求進(jìn)行周期性設(shè)備標(biāo)定。當(dāng)傳感器的損耗達(dá)到一定程度時(shí)必須更換，因此傳感器法設(shè)備的檢測(cè)成本比壓差法設(shè)備的檢測(cè)成本要高一些。不同廠商的設(shè)備其傳感器的使用壽命會(huì)有較大差別， Labthink TOY-C1所采用的氧傳感器在正常使用情況下預(yù)計(jì)能夠使用12－30個(gè)月，算是使用時(shí)間比較長(zhǎng)的了。等壓法在測(cè)試試樣兩側(cè)保持常壓，使得試樣兩側(cè)的壓力相等，這給容器透氣性檢測(cè)奠定了基礎(chǔ)，可避免由于容器壁兩側(cè)壓差過(guò)大導(dǎo)致容器爆裂的情況。ASTM F 1307是檢測(cè)容器透氧性的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，它與ASTM D 3985（檢測(cè)薄膜、薄片的透氧性）對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及氧傳感器的使用方式相近，將容器檢測(cè)附件拆卸之后，同一款設(shè)備*可以按照 ASTM D 3985 進(jìn)行薄膜、片材的透氧性測(cè)試。目前市場(chǎng)上已經(jīng)有幾款同時(shí)具有容器、薄膜透氧性檢測(cè)雙重功能的檢測(cè)設(shè)備，如Labthink TOY-C1容器/薄膜透氧儀。

4、測(cè)試設(shè)備的選擇

    壓差法和等壓法的測(cè)試原理不同，測(cè)試條件不同，試驗(yàn)結(jié)果的單位也不相同（壓差法單位是：cm³/m²·24h·0.1MP，等壓法單位是：cm³/m²·d），所以由這兩種方法得到的未經(jīng)校正的原始數(shù)據(jù)，從理論上說(shuō)不具備可比性。但通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)膜標(biāo)定等壓法設(shè)備并將校正因子用于正式試驗(yàn)后，壓差法和等壓法的試驗(yàn)結(jié)果就可以比較了。

    在我國(guó)，壓差法設(shè)備的*要遠(yuǎn)高于等壓法設(shè)備，這一方面是由于我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中僅采用壓差法檢測(cè)材料的透氣性，另一方面也是與壓差法的深厚理論基礎(chǔ)有關(guān)。在歐洲、日本，盡管在這些地區(qū)兩種透氣性檢測(cè)方法都得到認(rèn)可，但壓差法設(shè)備更受科研、檢測(cè)機(jī)構(gòu)的青睞。   有時(shí)，選購(gòu)者在選購(gòu)?fù)笟庑詼y(cè)試設(shè)備時(shí)無(wú)法判定哪一類測(cè)試設(shè)備更貼近自己的實(shí)際檢測(cè)用途，這里給出一些建議，希望能夠給有意選購(gòu)?fù)笟庑詸z測(cè)設(shè)備的人士提供一些幫助。首先，一般對(duì)于研究機(jī)構(gòu)（如研究所、高等院校等）多選購(gòu)真空壓差法設(shè)備，這類設(shè)備可同時(shí)檢測(cè)材料的滲透系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、溶解度系數(shù)，對(duì)材料滲透性能的研究有一定的指導(dǎo)意義，而且壓差法設(shè)備對(duì)測(cè)試氣體的通用性非常好。其次，對(duì)于充氣、氣調(diào)等包裝來(lái)講，包裝材料的實(shí)際使用環(huán)境更接近等壓法的測(cè)試環(huán)境，但對(duì)真空包裝材料還是使用真空壓差法檢測(cè)更優(yōu)，因?yàn)檎婵瞻b材料的使用環(huán)境與真空壓差法的試驗(yàn)環(huán)境更加接近。再看測(cè)試對(duì)象的集中性和測(cè)試頻率，如果檢測(cè)項(xiàng)目專一而且測(cè)試頻率不高，如僅檢測(cè)透氧性，可考慮采用等壓法的透氧儀；如果檢測(cè)項(xiàng)目類別較多（像材料對(duì)氧氣、氮?dú)狻⒍趸嫉淖韪粜裕?，就需要采用壓差法設(shè)備；如果測(cè)試頻率較高，也可考慮采用壓差法設(shè)備，因?yàn)榈葔悍ㄔO(shè)備的傳感器是消耗型的，檢測(cè)任務(wù)越多，使用時(shí)間越短，而且更換傳感器所需費(fèi)用較高，壓差法設(shè)備的檢測(cè)成本相對(duì)要低一些。