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阻隔性研究

透氣性測試——壓差法與等壓法

來源：Labthink蘭光 | 日期：2011-01-18

摘要 本文詳細介紹了常用的兩種透氣性測試方法——壓差法和等壓法的測試原理以及試驗環境，並對這兩種方法進行了多方面的比較。
關鍵詞 壓差法,等壓法,測試原理,試驗環境
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    薄膜阻隔性檢測一般分為對常見無機氣體的阻隔性檢測、對水蒸氣的阻隔性檢測以及對有機氣體（有機蒸汽）的阻隔性檢測三類。我們通常所講的透氣性測試就是檢測薄膜對常見無機氣體（O2、CO2、N2 等）的阻隔性。本文將對薄膜的透氣性測試方法進行簡要的分析和比較。

1、透氣性測試方法

    目前，透氣性檢測設備所使用的測試方法大都可歸為壓差法和等壓法兩類，它們的測試原理不同，測試條件差別較大，但在整個阻隔性測試領域中都佔有很重要的地位。

1.1 壓差法

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圖 1. 真空法測試原理圖

    真空法是壓差法中最具代表性的一種測試方法。它的測試原理（見圖 1）是利用試樣將滲透腔隔成兩個獨立的空間，先將試樣兩側都抽成真空，然後向其中一側（A 高壓側）充入 0.1MPa（絕壓）的測試氣體，而另一側（B 低壓側）保持真空狀態。這樣在試樣兩側就形成了 0.1MPa 的測試氣體壓差，測試氣體滲透通過薄膜進入低壓側並引起低壓側壓力的變化。通過使用高精度真空規測量低壓側的壓力變化量就可以利用下面的公式（由 ISO 15105-1 給出）計算得到測試氣體的氣體透過量（GTR）。由真空法得到的氣體透過量單位是：cm3/m2·24h·0.1MPa。

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  • 式中： V C 是低壓側的體積；
  • T 是試驗溫度（熱力學溫度）；
  • p u 是高壓側的氣體壓強；
  • A 是有效滲透面積；
  • dp/dt 是當滲透狀態穩定後，在低壓側單位時間內壓強的變化量；
  • R 是氣體常數。

關於真空法的測試標准很多，比如： ISO 2556、ISO 15105-1、ASTM D 1434（M 法）、GB 1038、JIS K 7126（A 法）等。

    真空法是采用負壓差方法來實現試樣兩側 0.1MPa 的壓差，當然也可以通過正壓差的方法來實現。正壓差法也是一種壓差測試方法，最常用的正壓差法是體積法。由於體積法無需對滲透腔抽真空，也不用進行真空度的保持，所以降低了設備制造以及透氣性試驗的難度，相應地設備的制造成本跟真空法設備相比可能會有一定的降低。相關的測試標准有 ASTM D 1434（V 法）等。

1.2 等壓法

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圖 2. 傳感器法測試原理圖

    目前應用於透氣性檢測的等壓法只有化學傳感器法，它主要用於氧氣透過性檢測，測試原理（見圖 2）如下：利用試樣將滲透腔隔成兩個獨立的氣流系統，一側為流動的測試氣體（A，可以是純氧氣或是含氧氣的混合氣體），另一側為流動的乾燥氮氣（B）。試樣兩邊的壓力相等，但氧氣分壓不同。在氧氣的濃度差作用下，氧氣透過薄膜並被氮氣流送至傳感器中，由傳感器精確測量出氮氣流中攜帶的氧氣量，從而計算出材料的氧氣透過率。由傳感器法直接測得且未經校正的氧氣透過量，其常用單位是：cm3/m2·d。ISO 15105-2 提供的氧氣透過量（O2 GTR）計算公式如下：

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  • 式中： U 是試樣測試時的輸出電壓信號；
  • Uo 是電壓零信號；
  • k 是設備的校正因子；
  • Pa 是環境大氣壓；
  • Po 是測試氣體中的氧氣分壓差；
  • A 是有效滲透面積。

傳感器法的相關標准有 ISO 15105-2，ASTM D 3985，ASTM F 1927，ASTM F 1307等。

2、兩種方法的比較

    壓差法和等壓法的測試原理不同，測試條件不同，試驗結果的單位也不相同（壓差法的單位是cm3/m2·24h·0.1MPa，而等壓法的單位是cm3/m2·d），所以由這兩種測試方法得到的未經校正的原始數據，從理論上說不具備可比性。但通過使用標准膜標定等壓法設備並將校正因子用於正式試驗後，壓差法和等壓法的試驗結果就可以比較了。

    由於膜技術理論的支持，壓差法在透氣性測試中一直作為基礎方法使用，科研檢測機構多采用這種方法。它的突出優點是對於測試氣體沒有選擇性，對不同的測試氣體的通用性非常好。隨著真空規檢測技術的進步、以及真空技術在設備設計上的應用，大大提高了設備的檢測精度以及測試數據的重復性。體積法對測試氣體的通用性也很好。

    傳感器法是隨著氧探測器技術的不斷成熟而出現的，由於使用的傳感器屬消耗型元件，所以 設備標定所得的校正因子並不是長期有效的，需要根據要求進行周期性設備標定， 而且當傳感器的損耗達到一定程度時必須更換。不同廠商的設備其傳感器的使用壽命會有較大差別，Labthink TOY-C1 薄膜/容器透氧儀所采用的氧傳感器在正常使用情況下預期能夠使用 12-30 個月，算是使用時間較長的了。

3、總結

    透氣性測試是目前軟包材質檢中不可或缺的一部分，隨著科技的發展，各種方法的檢測設備都不斷地推陳出新，檢測精度不斷提高，而且設備的檢測功能不斷多樣化。例如 Labthink VAC-V1壓差法氣體滲透儀就能夠提供 5 ～ 50℃的控溫試驗功能，而 TOY-C1 更提供了完善的容器透氧量測試功能。