材料透濕性測試方法介紹——傳感器法

1、傳感器法發展簡介

   20世紀70年代，傳感器法開始應用在透濕性測試領域中，在此之前使用的都是稱重法，通過30多年的發展，它已成為一類重要的測試方法，應用范圍十分廣泛。通常的透濕性測試傳感器法主要有：紅外線檢定法、動態相對濕度測定法和電解分析法三種。

2、紅外線檢定法

    水蒸氣對紅外線有著特定的吸收光譜，紅外線傳感器可以通過檢測紅外線在通過含水蒸氣區域時前後能量的損失檢測水蒸氣濃度，而利用這種紅外線傳感器來檢測試樣透濕性能的方法就是紅外線檢定法。

    紅外線檢定法的測試原理（可參見圖1）如下：利用試樣將測試腔分成乾腔和濕腔兩部分，乾腔內保持一個穩定（指定）的較低濕度，濕腔中的濕度可以控制（通常取濕腔內的環境濕度為100％RH），這樣在乾腔和濕腔之間形成穩定的濕度差，水蒸氣將由濕度大的一側滲透通過試樣進入乾燥的一側，與乾腔中的乾燥氣體混合，並被乾燥氣流攜帶至傳感器處，由紅外線傳感器探測乾燥氣流中的水蒸氣含量，並輸出相應的電信號，電信號的大小與乾燥氣體中的水蒸氣含量成一定關系。當電信號穩定後，說明滲透過程已經達到穩定狀態，此時可以根據傳感器輸出的電信號計算試樣的水蒸氣透過量及其它透濕性指標。

 

圖1. 紅外線檢定法示意圖

3、電解分析法

    電解池傳感器是利用五氧化二磷與水蒸氣之間的反應特性制作的傳感器，它含有兩個螺旋線的電極，並在玻璃毛細管內側覆有一薄層五氧化二磷，乾燥氣體流過毛細管，其中所含的水蒸氣將被五氧化二磷定量吸收，生成磷酸，通過向兩電極上施加直流70V的電壓可將吸收的濕氣電解成氫和氧，在兩電極之間出現電解電流，同時五氧化二磷得以再生，而被電解的水蒸氣的質量將從得到的電流中計算出來。利用電解池傳感器來檢測試樣透濕性能的方法就是電解分析法。

    電解分析法的測試原理（如圖2所示）如下：利用試樣將測試腔分成乾腔和濕腔兩部分，乾腔內保持一個穩定（指定）的較低濕度，濕腔中的濕度可調（通常為100％RH），乾腔和濕腔之間形成穩定的濕度差將使濕腔中的水蒸氣由濕腔滲透通過試樣進入乾腔，與乾腔中的乾燥氣體混合，並被乾燥氣流攜帶至傳感器處，由電解池傳感器探測乾燥氣流中的水蒸氣含量，並輸出相應的電信號。電信號穩定後（說明滲透過程已經達到穩定狀態）即可根據傳感器輸出的電信號計算試樣的水蒸氣透過量及其它透濕性指標。Labthink TSY-W3就是按照這種方法制造的薄膜透濕性檢測設備。

 

圖2. 電解分析法原理圖 

注： 1. 乾燥管；2. 兩腔的滲透腔；3. 試樣；4. 玻璃纖維板（浸有硫酸溶液）；5. 電解腔；6. 轉換閥；7. 銅管（用於提供載氣）

4、動態相對濕度測定法

    動態相對濕度測定法使用的是對濕度變化響應非常快的濕度傳感器，測試原理（參見圖3）如下：利用試樣將測試腔分成乾腔和濕腔兩部分，通過乾濕度控制器使測試上腔處在一種乾燥的環境下，濕腔保持100％RH，由於水蒸氣的透過使得測試上腔相對濕度變大，測量室內的濕度傳感器開始分析濕度的變化，並監測由預設下限值至上限值所需時間，通過連續多次測量，並對每次測量的相對濕度變化曲線進行分析後，對比標准電信號可計算出試樣的水蒸氣滲透指標。乾腔的相對濕度一般是10％或35％，也有采用在校准范圍內的其它相對濕度的，測試的上下限視標准不同而異，例如ASTM E398-03中要求測試乾腔濕度變化的范圍在10±0.1％RH或35±0.1％RH，而ISO 15106-1中是在指定濕度的±1％RH或±2％RH。Labthink TSY-T2就是按照這種測試方法制造的。

 

圖3. 動態相對濕度測定法原理圖

5、試驗結果的計算

    傳感器法無法直接測量水蒸氣的透過量，而是通過測量電信號並進行進一步分析從而間接得出的試驗結果。標准中明確指出所有傳感器法設備在試驗之前都需要使用參考膜標定，並確定設備的標定系數，所以參考膜數據的准確性將直接影響到測試設備的准確性，而參考膜的測試數據通常由稱重法檢測得到。

    有些文獻中描述傳感器法是高效高精度的測試方法，事實上這取決具體設備中采用傳感器的精度及靈敏度，如果傳感器選擇的好，傳感器法設備完全可以實現高效測試，而且還能在短時間內檢測高阻隔性材料。