非氧常規氣體的滲透性能分析

　　對於非氧常規氣體透過量（liàng）的檢測來講，數據獲得方法一（yī）直是備受關注的重點。一（yī）種方法（fǎ）是直接通過（guò）設備檢（jiǎn）測獲得，目前隻有壓差法透氣性測試設備能夠檢測材料對多種（zhǒng）氣體（He、N₂、Air、O₂、CO₂等）的阻隔性能，如（rú）果使用者能保證控製好氣源並做好尾氣處理（尤其是對於易燃、易爆、有毒的氣體）的話該測試原理的設備也可用於檢測一些特（tè）種氣體的透過性能。相對於氧氣測試，更換測試氣體基本不會增加測試（shì）成本，而且試驗過程與氧氣測試一致。而等壓法設備無法成為通（tōng）用（yòng）型氣體阻隔性測試方法是由其檢測原理決定的。另一種方法是通過估算獲得，以前可（kě）檢非氧常規氣體的設備較少，為了獲取這些（xiē）氣體的透過量有時（shí）會利用特定比（bǐ）例通過氧氣透過量進行估算，估算比（bǐ）例多來自技術文獻中的數據（由於參考的技（jì）術文獻往往不同，因（yīn）此估算比例本身就不（bú）是一個確定的值），往往不考慮試樣材質和測試環境因素的變化。然而，實際上由以上兩種方法所（suǒ）得到的數（shù）據一致性（xìng）並不（bú）好。毋庸置疑，直接測得的數據是（shì）真實有（yǒu）效的，那麽在進行估算時究（jiū）竟是由於何種原因而導致計算的數據出現顯著的偏差呢？能否進行修（xiū）正呢？下麵我將從理論分析與試驗驗證兩方麵進行討論。

　　影響（xiǎng）聚合物薄膜或薄片氣體滲透性的因素大體上可分（fèn）為（wéi）聚合物結構、滲透（tòu）氣（qì）體特性和（hé）環境3個方麵。在本次的研究中（zhōng）主要研（yán）究由於滲（shèn）透氣體特性帶來的（de）影響，包（bāo）括氣體分子的大小、形（xíng）狀、極性及凝（níng）聚的難易程度等，對於環境因素和（hé）聚（jù）合物結構隻做適當的考慮。

　　分子的大小及形狀會影響氣體在材料內（nèi）的擴散性。分子的大小可（kě）以通過氣體（tǐ）分子的動（dòng）力學直徑來表示，分子的動力學直徑越小，在聚合物中擴散越容易，擴散係數越大。不（bú）過對於具有可比分子量的不同形狀的（de）擴散氣體來講，長條形分子的擴散能力和滲透（tòu）能力最強。

　　分子的極性和凝聚難易主要影（yǐng）響氣體（tǐ）在材料表麵的溶解性，由於不同的高（gāo）分子材料其極性也不完全一致，因此溶解度係（xì）數的變化成為（wéi）影響多種氣體在不同材（cái）料間滲（shèn）透的主要原因。如果聚合物中沒有可與透過氣體發生作用的官能團時，臨界溫度是控製溶解度的主要因素，臨界溫度較高（gāo）者往往在聚合物中具有較大的溶解度。當（dāng）然，氣體在聚合物（wù）中的溶解度通常也遵循“相似（sì）相溶”的規律，如果高分子中存在對（duì）於特定氣體溶解度大的化學結構因素，則可大大增加聚（jù）合物對這種氣體的選擇透過性。也是由於溶解度因素的影響，所以當比較同一聚合物的幾種氣體（tǐ）透過量時可（kě）能出（chū）現分子直徑大（dà）、氣體滲透係數也大的（de）現象。

　　由以上分析可以看出，不同的測試氣體對於同一種材料的滲透過程不（bú）會（huì）表現出完全一致的特（tè）性（xìng）的，更何況不同材料的結構也存在差（chà）異，所以利用比例估算數據本身就不科學。

　　為了獲得估算數據與實測數據（jù）間的準（zhǔn）確差距特地（dì）設計了下（xià）麵一個試驗課題（tí）。Labthink阻隔性實驗室選用Labthink VAC-V1壓差法氣（qì）體滲透儀檢測PC、PET、PVDC、鋁箔等材料的氣體透過量，測試氣體（tǐ）有He、N₂、Air、O₂、CO₂ 5種（zhǒng），同時設定了室溫、35℃、40℃、45℃幾（jǐ）個測試溫度點，部分試（shì）驗數據列於表（biǎo）1中。

表1. 多種氣體阻隔性實測數據（jù）表

　　表中數據的（de）規律很難一眼看出，於是把它（tā）轉化為以每個試樣、每個溫度點下的氧氣透過量為（wéi）基準值的比例關係表2（不考慮鋁箔數據，因為考慮（lǜ）到（dào）測試誤差，其測試數（shù）據變化非常小）。考慮到溫度對於材料阻隔性的影響，又以每種氣體、每個試樣在35℃時的數據為基礎計算其他溫度點下的同種氣體透過量與（yǔ）它的比例，可得表3（不（bú）考慮鋁箔數據，因為溫度變（biàn）化對於金屬材料的阻隔性幾乎沒有影響）。

表2. 材料的多種氣體阻隔（gé）性數（shù）據比例表

表3. 材料的多種（zhǒng）氣體（tǐ）阻隔性數（shù）據溫度對比表

　　從（cóng）表1、表2、表（biǎo）3中的數（shù）據可以看出，不同氣（qì）體在透過不同材料（liào）時所表現出的特點主要有以下幾點。

　　首先，同（tóng）種氣體透過不同試（shì）樣時所（suǒ）表現出的規律（lǜ）並不相同，以溫（wēn）度（dù）變化所帶來的影響最為顯著。例如將氣體在40℃時（shí）的透過量與常溫下的透過量進行一下比較，當滲透氣體為He時，對於PC薄膜，GTR_He40/ GTR_He25=1.25，而對（duì）於PET薄膜來（lái）講，GTR_He40/ GTR_He25=1.31，但是對於PVDC來講，GTR_He40/ GTR_He25=1.48。不過分析表3中數據可以看出，幾種薄膜的氦氣透過量受溫度的（de）影（yǐng）響比（bǐ）較小，但是（shì）氮氣透過量所受影響就比較突出了（le），例如對於PC薄膜，GTR_N240/ GTR_N225=1.42，而對於PET薄膜來講，GTR_N240/ GTR_N225=1.72，但是對於（yú）PVDC來講，GTR_N240/ GTR_N225=2.20。圖1是以表（biǎo）3中（zhōng）比例數（shù）據為基礎繪製的不同溫度下氮氣透過量的增長示意圖。不過需要格外（wài）注意的是盡管Air和CO₂在對PC和PET薄膜中的滲透受溫度影（yǐng）響比較小，但（dàn）是（shì）當這兩（liǎng）種氣體滲（shèn）透通過PVDC材料時溫度的影響（xiǎng）就被凸顯出來了，此時GTR_Air40/ GTR_Air25=2.56，GTR_CO240/ GTR_CO225=3.05。而且整體（tǐ）看來對於PVDC薄膜來講各（gè）種氣體的透過量隨溫度增加的速（sù）度都要快於PET薄膜（mó）和PC薄膜。

圖1. 不同材料不（bú）同（tóng）溫度下氮氣透過量增長示意圖

　　其（qí）次，不同氣（qì）體透過同（tóng）種試樣時的透過量表現出的比例關係並不相同。例如常溫下PC薄膜GTR_He∶GTR_N2∶GTR_Air∶GTR_O2∶GTR_CO2=9.17∶0.21∶0.40∶1∶4.54，但是對於PET薄膜（mó）GTR_He∶GTR_N2∶GTR_Air∶GTR_O2∶GTR_CO2=48.20∶0.18∶0.39∶1∶6.23，而對於PVDC材料來講比例關（guān）係則是GTR_He∶GTR_N2∶GTR_Air∶GTR_O2∶GTR_CO2=30.89∶0.12∶0.23∶1∶3.47。由於本次（cì）試驗中選（xuǎn）擇的材料都比較具有代表性，相（xiàng）互之間（jiān）關聯性較低，可見（jiàn）對於高聚物薄膜而言確實很難得到一（yī）個穩定的氣體透過量比例關係（此處並沒（méi）有考慮溫度因素的影響）。即使排除了變化最顯著的He，勉強將其它幾種氣體的（de）比例關係（xì）按照（zhào）GTR_N2∶GTR_Air∶GTR_O2∶GTR_CO2≈0.17∶0.34∶1∶4.75（取平均值）用（yòng）於數據估算，但已知算術誤差已經超過20%，更何況通常使用的估算比例不一定能來自同一文獻，因此帶來的誤差可能更大（dà）。

　　第三，如果將溫度因素和氣（qì）體種類一同考慮的話，則數據規律性更差（盡管對於每種氣（qì）體在（zài）每個溫度點（diǎn）的數據（jù）是有規律可循的）。例如對（duì）於PET薄膜來講，常溫下GTR_He∶GTR_N2∶GTR_Air∶GTR_O2∶GTR_CO2=48.20∶0.18∶0.39∶1∶6.23，40℃時GTR_He∶GTR_N2∶GTR_Air∶GTR_O2∶GTR_CO2=36.00∶0.17∶0.33∶1∶4.94，O₂受溫度（dù）的（de）影響要比其他幾（jǐ）種氣體明顯一點。但是對於PVDC材料，常（cháng）溫下GTR_He∶GTR_N2∶GTR_Air∶GTR_O2∶GTR_CO2=30.89∶0.12∶0.23∶1∶3.47，40℃時GTR_He∶GTR_N2∶GTR_Air∶GTR_O2∶GTR_CO2=22.64∶0.13∶0.29∶1∶5.24，O₂受溫度的影響又不如Air和CO₂顯著了（le）。可以確定的是隨著溫度的變化，實際幾種（zhǒng）氣體透過量之間的比例關係與常溫下計算出（chū）的（de）平（píng）均比例關係（xì）的差距會越來越顯著。

　　不過在（zài）對鋁箔測試時，每種薄膜利（lì）用不同的測試（shì）氣體在不（bú）同的溫度點進行檢測得到的結果基本上都保持一致。這很好地證明了溫度的變（biàn）化和測（cè）試氣（qì）體的差異主要影（yǐng）響高分子材料（liào）。

　　第四，從表1中數據可以看出（chū），滲透氣（qì）體（tǐ）的特性明顯影響氣（qì）體透過（guò）量，這有效地證明了前麵（miàn）理論分析的正確性。先對照看（kàn）一下各種氣體的分子量以及它們（men）的動力學直徑（見表4）。

表4. 各種氣體的分子量及動力學直徑（jìng）表

　　對照表1中（zhōng）數據可以看出（chū），由於N₂分子直徑最大，而He分子直徑最小（xiǎo），因此在分子溶解（jiě）度接近的前提下，分子直（zhí）徑越小的材料氣體透過量會越大，所以對於每一（yī）種試樣，He的透過（guò）量都是最大的，而N₂的透過量總（zǒng）是最小的。不過大家可能會發現，CO₂的動力學直徑與（yǔ）O₂接近，應該說兩者（zhě）的擴散係數比較接近，但是表1中幾種試樣的（de）二氧化碳透過量都是同種材料氧氣透過量的數倍，這是怎麽回（huí）事呢？這就是溶解度係數所帶來的影響。對於無機氣體來講，在聚合物中沒有與它們發生特殊作用的官能（néng）團，因此臨界溫度就成為控（kòng）製溶解度的主要因素，CO₂的臨界溫度是31℃，遠高（gāo）於其它常見無機氣體，所（suǒ）以它在材料表麵的溶解度更大，因（yīn）此材料的CO₂透過量明顯高於（yú）O₂透過量（liàng）。

　　綜上所述，想借用一個估算比例關係並讓它適用於（yú）所有的材料是完全不可能的，應該區分材料，同時也應該考慮環（huán）境因素（sù）的影響，因此不建議利用（yòng）比例關係通過（guò）氧氣透過量估算其它氣體的透過量。本文所說的都是隻對於單組分材料（liào），可想而知改（gǎi）性材料及複合材料的情況會更加複雜。