塑料包材透氣性能測試研究——壓差對透氣性能的影響 (蘇遠 湖南工業大學)

　　包裝材料的阻隔性能，在食品包裝和藥品包裝中起著十分重要的作用。阻隔性能包括透氣性能和透濕性能，測試方法多種多樣。對於材料透氣性能的檢測，壓差法是使用時間最久、使用范圍最廣的一種測試方法。但是，對壓差法的測試數據存在一些質疑，其中之一是^[1]：在測試過程中，由於材料的兩側存在著壓差，這會破壞某些較為脆弱的材料的結構，產生小的裂紋、針孔等缺陷；還會使材料產生形變，厚度變薄，透氣面積增大，從而影響實驗結果。特別是當等壓法在美國開始使用後，人們對這些因素的擔懮更加嚴重。究竟壓差法中壓差的存在對材料透氣性能有無影響？由此測得的透氣量等數據，是否可靠？這個問題一直沒有具體的數據來說明。因此，我們就此問題進行了大量的試驗，以期得到明確清晰的結論。

　　一  基本原理

　　按照質量遷移理論^[2]，氣體分子之所以能透過塑料薄膜，是在氣體分子被薄膜材料吸附並溶入材　　料後受到高分子材料內的化學勢能驅動，因而能在高分子材料內部移動，最後氣體分子從另一邊釋放出來（稱“解吸附”）。化學勢能由化學活性決定，而化學活性比例於氣體濃度。滲透氣體分子的濃度Ci又可以表示為這類分子的分壓強pi：即：         

 

　　pi = kCi  （1）

 

　　上式中，k是個常數。也就是說，透過薄膜的氣體通量將取決於其兩邊的分壓強。如果在時間t內，透過面積A上的測試氣體總量為Q, 有滲透系數P為：

　　P = (2)

 

 

       式中，p₁、p₂是薄膜兩邊被測氣體的分壓強，分壓差為△p = p₁－p_2， l是薄膜的厚度。可以看出，滲透系數P為單位時間內，在單位分壓差的作用下，單位厚度的材料，在其單位面積上透過的測試氣體總量Q。

 

　　這樣，要確定塑料薄膜的透氣性能，就要知道薄膜兩測的分壓差。因此，最早也是最成熟的測定塑料薄膜透氣性能方式就是壓差法。測試標准有GB/T 1038、ASTM D1434、ISO 2556、ISO 15105-1、JIS K 7126（A法）等。這些標准都是在被測樣品的兩邊維持一個大氣壓的壓差（0.10133MPa），測試在此壓差下塑料薄膜或片材的透氣性能。

 

　　通常，表示材料透氣性能主要有三個參數。除了滲透系數P外，還有兩個參數：

　　1 透過率TR（Transmission Rate）：單位時間內在單位面積上透過樣品的測試氣體總量Q；表示為：Q/(A t)

　　2 透氣量R（Permeance）：單位時間內，在單位分壓差的作用下，在單位面積上透過樣品的測試氣體總量Q；表示為：Q/(A t△p)

　　三個量之間滿足如下關系：

 

　　R=TR/△p， P=R×l    （3）

 

　　從理論上分析，R和P都不會隨材料兩側壓差的變化而變化，那麼實際情況如何呢？我們安排了下面的實驗對這個問題進行驗證。

二 實驗安排

　　實驗儀器采用中國山東濟南蘭光機電技術有限公司生產的VAC-V1壓差法氣體滲透儀，這是基於壓差法的透氣性測試儀。常規測試范圍在0.1～100000 cm³/m²·24h·0.1MPa，最高可以擴展到600000 cm³/m²·24h·0.1MPa，真空分辨率達0.1Pa，測試腔真空度可保證在20Pa以下。可在室溫到50℃范圍內進行控溫，溫控精度為±0.2℃。該設備可測得材料的透氣量R、滲氣系數P、擴散系數D、溶解度系數S。標准試驗方法在低壓側采用多孔紙支橕試樣，可以很好地消除壓力差對試樣的影響，使得試樣盡管經受壓力依然可以保證不出現明顯的形變。

 

　　使用設備組成：Labthink VAC-V1壓差法氣體滲透儀，數據計算處理系統，真空泵（最低真空0.1Pa），純度為99.9%的氧氣。實驗設備如圖1所示。

 

圖1 VAC-V1氣體滲透測試儀

　　根據第一節的基本原理，透過率TR是單位時間透過單位面積的氣體的量（重量或體積量）。這個量應該由兩個因素決定：
　　1）材料本身的透氣性能；
　　2）材料兩邊氣體的濃度差。
　　如果材料本身的透氣性能不變，那麼，材料兩邊氣體的濃度差越大，越有利於氣體從高濃度向低濃度擴散。也就是TR會隨著材料兩邊氣體的濃度差增加而增加。從（1）式中可知，TR也就會隨材料兩邊分壓差的增加而增加。這也正是我們實驗證明的一個結果。但是如果我們只關心材料本身的透氣性能，就需要去掉這個材料外部的因素，即除去這個分壓差，這也就有了（3）式中的透氣量R。實驗數據也證明了R（從而P）與分壓差無關。這好比一個電路當中，如果一個固定電阻兩端的電壓差越大，流過這個固定電阻的電流就會越大。但不論這個電流多大，只要不會燒毀固定電阻，電阻的阻值都是不會變的。