材料的惰性氣體透過性測試

 

最近一段時間，蘭光實驗室陸續收到一些航空學院、研究所的樣品，指定測試氣體為氦氣，這屬於非常規氣體的阻隔性檢測，氦氣非常容易泄露，試驗難度可想而知。蘭光實驗室通過自行研制的壓差法氣體滲透儀很好地完成了檢測任務。本文通過氦氣透過性試驗，對材料的惰性氣體透過性測試進行簡單介紹。

 

1 . 惰性氣體的應用需求

 

      需要先說明的一點是，包裝行業中所說的惰性氣體與科學定義上的惰性氣體是不同的。包裝行業中所說的惰性氣體是用於MAP包裝中的組合氣體，這些氣體與所包裝的食物不發生反應，可以起到緩解食物的變質過程、有效延長食物保質期的作用，因此在包裝行業中被成為“惰性氣體”。然而這些氣體一旦脫離了特定的MAP包裝環境，則性質就會變得活潑多了。

 

       科學上定義的惰性氣體（Inert Gas或Noble Gas）又稱鈍氣、稀有氣體、貴重氣體，共有六種，按照原子量遞增的順序排列，依次是氦、氖、氬、氪、氙、氡。在通常情況下，它們不與其他元素化合，而僅以單個原子的形式存在。惰性氣體獨特的化學性質給它們帶來了很多特殊的應用，例如氦可用於安全氣球或飛艇；氖在真空放電管中發生紅色光，用於廣告燈；氬可填充燈泡保護鎢絲，最近也開發出采用氬氣的新型MAP包裝；氪和氙用於照相工業，而且這兩種氣體在真空放電管中會發出藍色光。其中隨著飛艇行業的快速發展，傳統上采用氫氣的方式又具有極大的危險性，因此盡管價格昂貴、但是使用安全的氦氣成了飛艇行業發展的最新動力。氬氣MAP包裝也是氣調包裝行業所研發的新型MAP氣體，氬氣可以通過抑制真菌生長，減少乙烯的釋放和緩解感官品質變差，同時氬氣可以減少新鮮產品的呼吸率來延長產品的貨架期。

 

2 . 檢測材料的惰性氣體透過性

 

      盡管已經實現惰性氣體的工業生產，然而相對於自然界中非常豐富的常規氣體，惰性氣體的成本依舊是很昂貴的。因此，對於惰性氣體的合理使用和有效節省是惰性氣體應用行業能否穩定發展的關鍵。例如，對於飛艇行業，飛行時氣囊中會充滿惰性氣體，氣體用量巨大，盡管如今的飛艇氣囊蒙布是一種人造夾層材料以使得氦氣泄漏降到最少，然而究竟在一次飛行過程中會泄漏多少氦氣（直接影響飛行成本），則需要檢測氣囊蒙布的氦氣透過性。

 

      雖然現在可用於檢測材料透氣性的測試方法有壓差法和等壓法兩大類，但是只有壓差法可以實現對於惰性氣體或者其他常規氣體的檢測，等壓法測試氣體單一限制了它的應用領域。盡管有些人認為可以通過預先測得幾種氣體對於某種材料的透過量測試數據並進而算出幾組測試數據之間的比例關系，然後通過等壓法的透氧測試數據就可以推算出其他氣體對於材料的透過量，可惜的是這種方法很難獲得實際應用，因為只要測試氣體出現變化、或者材料種類出現變化，這種比例關系也將發生改變。

 

      在檢測試樣對於氦氣的阻隔性時，應注意以下情況：首先，氦氣的泄漏是驚人的，這種泄漏不但會出現在滲透腔中，同時也會出現在氣源的減壓控制端，這是因為氦氣的穿透性極強。因此，在進行試驗時，一定要保證氣源中壓力充足，以免由於氣源供氣不足導致試驗失敗。其次，應預防出現在測試腔中氣體從試樣邊緣泄漏的情況，如果不注意這方面的控制，很可能會得到錯誤的試驗結果。這一點，Labthink的壓差法氣體滲透儀都已經通過獨特的結構設計很好地解決了。

 

3. 測試數據分析

 

      我們收到的氦氣檢測典型材料是一所研究機構提供的具有特殊涂層的材料，約4mm厚，但是厚度均勻性不好。在進行材料的透氦量檢測的同時，我們實驗室還對該材料的透氧性能進行了對比試驗，測試數據詳見表1。測試數據單位是cm³/m²·24h·0.1MPa。

 

                                        表1. 氧氣、氦氣透過性測試數據表

 

1.     涂層朝下（沒有涂層的一側朝向試驗氣體）

2.     涂層朝上（有涂層的一側朝向試驗氣體）

 

     盡管由於材料厚度均勻性不好使得測試數據的重復性表現並不太理想，但是分析表中數據可以獲得以下結論：首先，材料的透氧量要遠小於透氦量，這可能與氦氣易泄漏有關，盡管氦氣的化學性質不活潑。其次，對於涂層材料，用有涂層的一側朝向試驗氣體要比使用沒有涂層的一側朝向試驗氣體所得的透氧量要大，從表中數據分析可知，試樣涂層朝上時測得的透氧量要比試樣涂層朝下時測得的透氧量大50％左右。

 

4 . 展望

     隨著惰性氣體工業制取技術的發展，其應用逐漸推廣，對於惰性氣體的有效存儲和合理應用是惰性氣體工業應用推廣的重點，需要檢測材料對惰性氣體的阻隔性能。現在通過壓差法透氣性檢測設備，可以檢測材料對絕大多數惰性氣體的阻隔性能，為惰性氣體的實際應用奠定良好的基礎。