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本文從測試原理上論證了由於氮氣逆向滲透的存在使得壓差法與等壓法存在本質的區別。 |
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壓差法,等壓法,互擴散,自擴散,逆向滲透
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壓差法和等壓法是薄膜透氣性測試通常使用的兩大類方法。通過詳細的研究表明，壓差法和等壓法存在著本質上的不同，是兩類完全不同的
透氣性測試方法。
1．試驗原理分析
1.1 壓差法
真空法是壓差法中最具代表性的一種測試方法，也是氣體滲透定義的方法。其測試原理（如圖1所示）是利用試樣將滲透腔隔成兩個獨立的空間，先將試樣兩側都抽成真空，然後向其中一側充入0.1MPa（絕壓）的測試氣體，而另一側則保持真空狀態。這樣在試樣兩側就形成了0.1MPa的測試氣體壓差，測試氣體滲透通過薄膜進入低壓側並引起低壓側壓力的變化。通過使用高精度測壓計測量低壓側的壓力變化量就可以利用公式計算得到氣體透過量。
圖1. 壓差法試驗原理圖
壓差法具有對測試氣體沒有選擇性、測試成本低、試驗成功率高等顯著的檢測優勢，然而最為突出的當數在其測試環境中氣體“純淨”。因為在真空法的試驗過程中會先對整個測試腔抽真空至27Pa以下，再對測試上腔充入純淨的測試氣體，這樣在整個試驗環境中的雜質氣體（非試驗氣體）就可以忽略了，因此雜質氣體可能給試驗帶來的影響就能排除了。
1.2 等壓法
目前應用於透氣性檢測的等壓法主要是傳感器法（氣象色譜法的實際應用很少），它主要用於氧氣透過性檢測，測試原理如圖2所示：利用試樣將滲透腔隔成兩個獨立的氣流系統，一側為流動的測試氣體（可以是純氧氣或是含氧氣的混合氣體），另一側為流動的乾燥載氣（氮氣）。試樣兩邊的壓力相等，但氧氣分壓不同。在氧氣的分壓差作用下，氧氣透過薄膜並被氮氣流送至傳感器中，由傳感器精確測量出氮氣流中攜帶的氧氣量，從而計算出材料的氧氣透過率。
圖2. 等壓法試驗原理圖
等壓法的突出優點是可以進行容器透氧性檢測，但在測試氣體的通用性上不如壓差法廣泛。由於在等壓法測試原理中對載氣的需要使得在該方法中存在兩種數量相當的氣體，當試樣兩側有0.1MPa氧氣分壓差存在的同時也有0.1MPa氮氣分壓差存在，不過它們的梯度方向正好相反，因此在等壓法中當氧氣滲透通過薄膜的同時氮氣進行著逆向的滲透。
2．等壓法氮氣逆向滲透的影響
2.1 擴散原理
物質的宏觀擴散是物質微觀碰撞致使部分物質出現遷移的宏觀現象。由於分子濃度的不同，濃度高的分子（分子數目多）在相同的碰撞中轉移到濃度低部位的總數目多，於是就產生了擴散現象。當擴散物質只有一種時，分子間的碰撞會使得物質發生擴散，這種擴散稱為自擴散；但是如果擴散物質不只一種，那麼分子間碰撞的結果一定是使得每一種物質都發生擴散，這種擴散稱為互擴散，因為碰撞過程本身並不對不同物質的分子進行區分，當然由於參與碰撞的物質多了，多少會給每種擴散物質的擴散速度帶來影響，所以互擴散系數與自擴散系數是存在差距的。
2.2 透氣性測試方法的擴散模型
根據之前的介紹可以看出對於真空法（壓差法）來講，在整個測試過程中，擴散是單向單質的，因此是自擴散，利用Fick定律就可以對整個擴散過程進行描述；而對於等壓法，擴散物質有2種，擴散方向相反，因此是互擴散。等壓法中互擴散的形成是由於從測試下腔向測試上腔存在氮氣的逆向滲透造成的，相應地在進行材料的阻隔性評定時這種逆向滲透帶來的影響也應該計算在內。
圖3. 壓差法與等壓法擴散模型示意圖
2.3 等壓法氮氣逆向滲透的影響
如果在等壓法中采用的測試氣體是混合氣體，則整個擴散模型將更加復雜，要量化每種擴散物質的擴散系數將更加困難，因此我們這裡假設等壓法的測試模型中只有兩種氣體，即測試氣體采用純氧氣，載氣采用高純氮氣，可建立擴散模型如圖4：
圖4. 兩種擴散流的模型示意圖
假設圖中1代表氧氣，2代表氮氣，則這2種氣體的擴散描述如下：
D12gradc2和D21gradc1即由於耦合效應而產生的耦合流。
由Onsager的互易關系可得：
D12＝D21
D11D22≥D122
這個關系就是我們常說的“讓快的慢下來，讓慢的變快”，其中D12＝D21＜0。可見無論濃度梯度如何，由於耦合流所帶來的影響都是不能忽略的。目前，學術界對於互擴散的研究還是停留在特定擴散物質組合以及特定擴散環境的階段，不同的擴散物質組合以及不同的擴散介質都會影響擴散物質的互擴散系數，沒有統一的規律可以遵循。
對於滲透過程來講，擴散只是其中的一部分，然而若滲透體系中滲透質並非一種，不但會對各種滲透質的擴散產生影響，也會對溶解、解吸產生影響。可見，等壓法中由於氮氣的存在使得氧氣對於試樣的整個滲透過程都會受到乾擾，因此它與壓差法在測試本質上是不同的。
3．總結
綜上所述，壓差法與等壓法在塑料薄膜的氣體透過性測試方面都是重要且應用廣泛的方法，但存在著本質上的不同。從蘭光試驗室大量的比對數據分析來看，兩種方法測試結果不存在線性關系，是兩種彼此獨立的測試方法。