壓差法透氣性測試的科學性和嚴謹性

圖1. 高真空法氣體滲透率測定法

              1. 氣體的純化捕集器；2. 滲透率測定池在恆溫池中；3. 捕集器；4. 真空計，接真空泵

圖2. 高真空法壓力與時間的關系

　　高真空法計算擴散系數需要低壓側壓力與時間的關系中的滯後時間θ₀（參見圖2），這樣就可以由滯後時間與擴散系數之間的關系       求得擴散系數（其中l為膜厚度）。由於測試氣體對高聚物的滲透系數是可以直接測得的，因此就可以計算得到材料對氣體的溶解度系數。這樣，用於描述材料阻隔性能的幾項參數就可以通過一次試驗全部獲得了。

　　高真空法由於測試條件穩定可靠、測試原理清晰明了，因此長久以來一直是膜技術領域中檢測膜材料滲透性能、擴散性能、溶解性能的最常用方法。高真空法在其他材料領域中也有廣泛應用，軟包材透氣性測試中的壓差法就是源於高真空法，同時針對軟包裝材料透氣性能的測試特點在檢測元件的選用上更加顧及高阻隔性材料的檢測，目前檢測下限已達0.05cm³/m²·24h·0.1MPa。

2．在測試條件控制上的優勢

　　對於軟包裝材料來講，測試條件是影響測試結果的主要因素，而且測試條件一致是進行數據比對的前提，這如同在不同的測試速度下進行材料的摩擦系數檢測或者是在不同的壓力下進行材料厚度的檢測，比對數據是沒有意義的。

　　針對高分子聚合物的特性，對於透氣性測試來講測試條件主要包括測試環境的溫濕度以及試樣兩側壓力控制兩方面。目前環境溫濕度的控制已經得到很好的應用，但是幾種透氣性測試方法對試樣兩側壓力的控制並不一致。我們知道只有在當試樣兩側的壓力達到平衡的前提下，試樣纔會保持一種力學上的穩定狀態，若這種平衡被打破，則壓力差會由高壓力一側直接作用在薄膜材料表面從而造成材料的變形，如果周圍存在其他不規則的試樣支橕點（如試驗腔邊緣）就容易導致試樣破損。所以由不同的透氣性測試方法得到的試驗結果是不應該直接進行比較的。然而僅僅對於同一種測試方法來講，在每次試驗中對於材料兩側壓力差的控制也不能保證完全一致，因此哪一種測試方法能對試樣提供更加穩定的壓力控制和試樣狀態保護措施，則哪一種方法在數據比對方面會更具有優勢。

　　在壓差法中氣體壓力差的梯度方向是確定的，因此我們可以采取一定的措施來降低壓力差直接作用在材料上的影響。實際試驗證明，在壓差法低壓側采用多孔紙來支橕試樣可以很好地消除壓力差對試樣的影響，使得試樣盡管經受強大的壓力依然可以保證不出現變形，蘭光阻隔性實驗室經過大量試驗也證明了壓差法中壓力差的存在並不會對試樣的透氣量產生影響。同時由於壓差法測試標准對測試腔所能達到的真空度、高壓側的壓力等都有精確的要求，使得每一次測試時試樣兩側所能達到的壓力都有很好的一致性，因此測試數據具有很好的可比性。

　　等壓法中需要通過控制氣體流速來實現對試樣兩側測試氣體濃度差的控制，氣源壓力是讓靜態氣體流動起來的動力源，因此只有改變壓力纔能改變氣流流速。由於標准中對上下腔的氣流流速要求不同，而且實際應用時流量調節、控制裝置精度普遍較低、存在環境氣流等因素，所以只有小心嚴格操作纔能保證試樣兩側的壓力一致，試樣纔不會變形，否則在試樣兩側也有壓力差的存在。然而對於等壓法，由於在測試腔中試樣處於懸空狀態，其兩側並沒有提供支橕保護措施，因此哪怕試樣兩側存在很小的壓力差，在實際試驗過程中試樣出現變形的幾率都要比壓差法高（試樣上凸或者下凹取決於壓力差的梯度方向，梯度方向不確定）。這樣測試腔的邊緣會直接對試樣產生作用力，試樣更容易出現裂紋、變薄或透氣面積增大的情況，而且這些情況都難以進行量化分析，數據比對的准確性會受到影響。

　　可見，壓差法在測試條件的一致性上具有絕對的優勢，能夠穩定實現測試條件的控制，可將各種乾擾因素產生的影響降到最低，這是壓差法測試嚴謹性的一個突出表現。

3．檢測能力不存在極限的約束

　　對阻隔性測試設備來講，檢測下限是衡量其檢測能力的一個關鍵指標。

應該注意一種測試方法與具體檢測設備之間的關系。對於一種測試方法——壓差法——來講，只要真空技術的發展不存在極限的約束，它也不存在檢測極限的約束；而對於具體的壓差法透氣性測試設備，某一個時期內制造的檢測設備在檢測極限方面受到的約束與當時的真空技術水平直接相關。

過去由於真空技術水平有限，在抽真空能力方面以及真空度的檢測方面都比較落後，導致在測試過程中一些相關因素（如環境溫度，溫度的波動會顯著影響試樣的阻隔性，影響滲透平衡）易發生變化，因此當時的壓差法設備在檢測精度、檢測下限以及檢測時間等方面都不盡如人意。經過30年的發展，現在真空技術已有了長足的進步，壓差法的檢測精度已經由早期的10cm³/m²·24h·0.1MPa（例如早期的東洋精機設備）發展到如今的0.05cm³/m²·24h·0.1MPa（Labthink VAC-V2壓差法氣體滲透儀）。同時隨著真空技術整體的進步，今後壓差法設備的檢測能力還有很大的提高空間，部分文獻中所提到的壓差法設備檢測精度低、無法滿足高阻隔材料的檢測需要只是對於上世紀70年代技術水平的描述，引用至今無疑是非常不科學的。

4．總結

　　綜上所述，壓差法來源科學，而且在測試條件的控制上具有其他方法不能比擬的優勢，同時也說明了部分文獻中所提到的“壓差法設備檢測精度低、無法滿足高阻隔材料的檢測需要”的說法是完全錯誤的、沒有科學根據的，壓差法在檢測能力上並不存在極限的約束。而且壓差法核心元件可使用精度更高的壓力計進行校驗，該標定方法獲得計量機構認可，可由第三方進行，更加客觀、准確、公正。由於壓差法具有這些特點，因此一直是軟包材透氣性檢測的基本方法。