塑料包材透氣性能測試研究——壓差對透氣性能的影響 (蘇遠 湖南工業大學)

　　包裝（zhuāng）材料的阻隔性能，在食品包裝和藥品包裝中起著十分重要的（de）作用。阻隔性能包括（kuò）透氣性（xìng）能和（hé）透（tòu）濕性（xìng）能，測試方法多種多樣。對於材料透氣性能的檢測，壓差（chà）法是使用時間最久、使用範圍最廣的一種測試方（fāng）法。但是，對（duì）壓差（chà）法（fǎ）的測試數據存在一些質疑，其中之一是^[1]：在測試過程中，由於材料的兩側存（cún）在著壓差，這（zhè）會破壞某些較為脆弱的材料的結構，產生小的裂（liè）紋、針孔等缺陷；還會使材料產（chǎn）生形變，厚度變薄，透氣麵積增（zēng）大，從而影響實驗結果。特別是當等壓法在美國開始使用後，人們對這些（xiē）因素的（de）擔憂更（gèng）加嚴重。究竟壓差法中壓（yā）差的存在對材料透氣性能有無影響？由此測得的透氣量等數據，是否可靠？這個問題一直沒有具體的數據來說明。因此，我們就此問題進行了大量的試驗，以期得到明確清晰的結（jié）論。

　　一  基本（běn）原理（lǐ）

　　按照質量遷移理論^[2]，氣體分子之所以能透過（guò）塑料薄膜，是在氣（qì）體分子被薄膜材料吸附並溶入材　　料後受到高分子材料內的化學勢能驅動，因而能在高分子材（cái）料內（nèi）部（bù）移動，最（zuì）後氣體分子從另一邊釋放出來（稱“解吸附”）。化學勢能由化學活性決定，而化學活性比（bǐ）例於氣體濃度。滲透（tòu）氣體分子的濃度Ci又可（kě）以（yǐ）表示為這類分子的分壓強pi：即：         

 

　　pi = kCi  （1）

 

　　上式（shì）中，k是個常數。也就是說，透過薄膜的氣體（tǐ）通（tōng）量將取決於（yú）其兩邊的分壓強。如果在時間t內，透過麵積A上的測試氣體總量為Q, 有滲透（tòu）係數P為：

　　P = (2)

 

 

       式中，p₁、p₂是薄膜兩邊被測氣體的分壓強，分壓差為（wéi）△p = p₁－p_2， l是薄膜（mó）的厚度。可以看出，滲透係數P為單位時間內，在單（dān）位分壓差的作用（yòng）下，單位厚度的材料，在（zài）其單位麵（miàn）積上透過的測（cè）試氣體總量（liàng）Q。

 

　　這樣（yàng），要確定塑料薄膜的透氣性能，就要知（zhī）道薄膜兩測的分壓差。因此，最早也是最成熟的測定塑料薄膜透氣性能方（fāng）式就是壓差法。測試標（biāo）準有GB/T 1038、ASTM D1434、ISO 2556、ISO 15105-1、JIS K 7126（A法（fǎ））等。這些標準（zhǔn）都是在被（bèi）測樣品的兩邊維持一個大氣壓的壓差（chà）（0.10133MPa），測試在此壓差下塑料薄膜（mó）或片材的透氣性能。

 

　　通常，表示材料透氣（qì）性能（néng）主要有三（sān）個參數。除了滲透係數P外，還有兩個參數：

　　1 透過率TR（Transmission Rate）：單位時間內在單位麵積上透過樣品的測（cè）試氣體總量Q；表示為：Q/(A t)

　　2 透氣量R（Permeance）：單位時間內，在（zài）單位分壓差的作用下，在單位麵積上（shàng）透過樣品的測試氣體（tǐ）總量Q；表示為：Q/(A t△p)

　　三個量之間滿足如下（xià）關係：

 

　　R=TR/△p， P=R×l    （3）

 

　　從理論上分（fèn）析，R和P都不會隨材料兩側壓差的變化而變化，那麽實際情況如（rú）何呢？我們（men）安（ān）排了下麵的實驗對這個（gè）問題進行驗證。

二 實驗安排

　　實驗儀器采用中國山東濟南MD传媒视频機電技術有限公司生產的VAC-V1壓差（chà）法氣體滲透儀，這是基於壓差法的透氣性測試（shì）儀。常規測試（shì）範圍在0.1～100000 cm³/m²·24h·0.1MPa，最（zuì）高可以擴展到600000 cm³/m²·24h·0.1MPa，真空分辨率達0.1Pa，測試腔真空度可（kě）保證在20Pa以下。可在室（shì）溫到50℃範圍內進行控溫，溫控（kòng）精度為±0.2℃。該設備可測得材料的（de）透氣量R、滲氣係數P、擴散係數D、溶解度係數S。標準試驗方（fāng）法在（zài）低壓側采用多孔紙支撐試樣，可以很好地消除壓力差對試樣的影響，使得試樣盡（jìn）管經受壓（yā）力依然可以保證不出現明顯的形變（biàn）。

 

　　使用設（shè）備組成：Labthink VAC-V1壓差法氣體滲透儀，數據計算處理係（xì）統，真空泵（最低真空0.1Pa），純度為99.9%的氧氣。實驗設備如圖1所示。

 

圖1 VAC-V1氣體滲透測（cè）試儀

　　根據第（dì）一節的（de）基本原理，透過率（lǜ）TR是（shì）單（dān）位時間透過（guò）單位（wèi）麵積的氣體的量（重（chóng）量或體積量）。這個量應該由兩（liǎng）個因素（sù）決定：
　　1）材料本身的透氣性能；
　　2）材料兩邊（biān）氣體的濃度差。
　　如果材料本身的（de）透氣性能不變，那麽，材（cái）料兩（liǎng）邊氣體的濃度差越大，越有（yǒu）利於氣體從（cóng）高濃度向（xiàng）低（dī）濃度擴散。也就是TR會隨著材料兩邊氣體的濃度差增加而增加。從（1）式中可知，TR也就會隨材料兩邊分（fèn）壓差的（de）增加而增加。這也正是我們實驗證明的一個結果。但是如果我們隻關心材料本（běn）身的透氣性能，就需要去（qù）掉這個材料（liào）外部的（de）因素，即除去這（zhè）個分壓差，這也就有了（3）式中的透（tòu）氣量R。實驗數據也證明（míng）了R（從而P）與分壓差無關（guān）。這好比一個電路當中，如果一個固定電阻兩端的電（diàn）壓差越大，流過這個固定電阻的電流（liú）就會越大（dà）。但不論（lùn）這個電（diàn）流多大，隻（zhī）要不會（huì）燒毀（huǐ）固定電阻（zǔ），電阻的阻值都是不會變（biàn）的。