聚碳酸酯透氧量檢測數據報告——在不同溫度環境下的透氧量

    溫度是實驗室環境條件之一，除非有特別要求，通常都要求試驗環境具有恆定的溫濕度。對於高分子聚合物來講，溫度的變化能給材料的各項性能都帶來顯著的影響，而且這種影響因具體材料性能的差別而有變化，不能統一而論，需要具體情況具體分析。

    蘭光實驗室正在籌建的材料透氣性能數據庫中，一項重要內容就是檢測各種材料從深冷到高溫下的各個溫度點上的透氧量。

1  聚碳酸酯介紹

    聚碳酸酯（PC）是在分子鏈中含有碳酸酯的一類高分子化合物的總稱，也是一種聚酯。雙酚A型聚碳酸酯是產量最大、用途最廣的一種聚碳酸酯，也是發展最快的工程塑料之一。雙酚A型聚碳酸酯具有優良的耐沖擊強度、耐蠕變性、耐熱性和耐寒性，可在-100℃～140℃溫度范圍內使用，可見光的透過率可達90%左右，具有較高的抗張強度、抗彎強度、伸長率和剛性，耐老化性、電性能優良，吸水率低，但耐油性、耐磨性和加工性能欠佳。聚碳酸酯廣泛應用於汽車、電子電氣、建築機械、辦公自動設備、包裝業、運動器械、醫療保健和家庭用品等領域。

2  檢測技術

    標准中要求材料透氣性的標准檢測環境是23℃。由於檢測設備或者不具備控溫功能，或者其檢測元件不能在過高或過低的溫度條件下使用，因此通常的透氣性檢測設備都只能在室溫附近或稍大一點的溫度范圍內使用。對於非控溫的檢測設備只能通過調節試驗室溫度來達到控溫的目的，既使設備具有控溫功能，所能提供的實際測試溫度往往還是局限在0℃～50℃之間。雖然在其他特殊溫度下進行材料的透氣性測試有一定的實際檢測需求，但對溫度范圍的要求並不一致，有的需要在-5℃檢測就可以了（例如果蔬保鮮），但是也有的需要在-30℃或更低的溫度下進行，而且對特殊溫度進行控溫並檢測材料的透氣性目前在商業上很難實現，成本非常高。為了滿足這些特殊的檢測需要，並方便研究人員對材料的滲透系數隨溫度的變化有一個整體的了解，Labthink VAC-V1壓差法氣體透過率測定儀在已實現的室溫～50℃控溫基礎上，又以這些實際測試數據為基礎，按照經典膜技術中對於溫度影響的闡述，提供在不同溫度下獲得滲透性能各項參數的數據擬合功能。

    曲線擬合（Curve Fitting）是用連續曲線近似地刻畫或比擬平面上離散點組所表示的坐標之間的函數關系的一種數據處理方法，是用解析表達式逼近離散數據的一種方法。在科學實驗或社會活動中，通過實驗或觀測得到量x與y的一組數據對(x_i，y_i)（i＝1，2，…m），其中各x_i是彼此不同的。人們希望用一類與數據的背景材料規律相適應的解析表達式，y＝f(x，c)來反映量x與y之間的依賴關系，即在一定意義下“最佳”地逼近或擬合已知數據。f(x，c)常稱作擬合模型，式中c＝(c₁，c₂，…c_n)是一些待定參數。當c在f中線性出現時，稱為線性模型，否則稱為非線性模型。實際工作中變量間未必都有線性關系，因此為了更好地對各種數據進行分析最常采用的方法就是進行曲線擬合。Labthink VAC-V1氣體滲透儀所采用的是基於Arrhenius方程的擬合方法，采用多種材料進行擬合數據驗證，驗證數據理想。

3  聚碳酸酯透氧量

    蘭光實驗室采用125μm的聚碳酸酯薄膜在10℃～45℃的溫度環境下進行材料的透氧量試驗，使用設備是Labthink VAC-V1氣體滲透儀。試驗溫度分別是10℃、23℃、30℃、35℃、40℃、45℃，在每個溫度點進行的有效試驗次數不少於3次，測試數據的相對標准偏差均在3.5％以內。

    利用VAC-V1所具有的數據擬合功能獲得聚碳酸酯薄膜在-120℃～350℃（即153K～623K）中任一溫度下的透氧量擬合數據。這個溫度范圍的選取是按照常用塑料的脆化溫度以及熱力學轉化溫度進行的，並結合了一般薄膜材料的實際使用溫度，是一個比較全面的溫度范圍。當然，如果使用的測試氣源是氮氣或是其他無機氣體，也可以利用設備的數據擬合功能獲得其他氣體對於材料的透氣量。需要特別注意的是由於有機氣體在滲透通過薄膜時存在溶漲現象，因此，使用擬合功能時具有一定的限制性。

    聚碳酸酯薄膜在不同溫度下的透氧量詳細數據請登陸Labthink蘭光網站www.labthink.com查閱，或者聯系蘭光實驗室進行諮詢。本文僅給出繪制的聚碳酸酯透氧量變化曲線圖（圖1），其中溫度的單位是熱力學溫度K，透氧量的單位是cm³/m²·24h·0.1MPa。

圖1. -120℃～350℃（153K～623K）聚碳酸酯透氧量變化曲線

    聚碳酸酯的透氧量隨溫度的上昇影響明顯，例如在273K（0℃）時的透氧量是272.952cm³/m²·24h·0.1MPa，而在323K（50℃）時透氧量是719.128cm³/m²·24h·0.1MPa，增加了約2.6倍。而且在303K（30℃）時透氧量是507.201cm³/m²·24h·0.1MPa，可見透氧量隨溫度的變化並不成線性。觀察圖1可知透氧量與測試溫度大約成指數關系。

    由於VAC-V1采用的是真空壓差法，因此依據膜技術理論，在檢測試樣透氣性及透氣量的同時還可以檢測材料的溶解度系數和氣體在材料中的擴散系數。圖2是這次檢測過程中所獲得的材料擴散系數隨溫度昇高的曲線，擴散系數的單位是e^-8cm³/cm²·s·cmHg。可以看出在這段試驗范圍內，隨著溫度的昇高，擴散系數逐漸增大。

圖2. 聚碳酸酯擴散系數以及溶解度系數隨溫度變化的曲線

當然，材料的滲透系數與透氣量是成正比的，因此隨溫度的增長變化趨勢與圖1中的曲線是一致的。

4  總結

    聚碳酸酯薄膜在-120℃～350℃的溫度范圍內任意溫度點的透氧量數據庫已經由Labthink蘭光實驗室建成，通過這些特殊溫度下的透氧量數據可以幫助用戶合理有效地進行包裝材料的結構設計。接下來，蘭光實驗室將要進行聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙稀等包裝常用材料的檢測，並建立相應材料在-120℃～350℃的溫度范圍內透氧量的數據庫，借助這些數據所設計的材料結構能使其阻隔性能更好地滿足特殊溫度下的包裝需求。