透（tòu）氣（qì）性測試方法（fǎ）及設備

    包裝材料阻隔性能的優（yōu）劣是決定其使用領域及內（nèi）容物質量（liàng）的主要因素（sù）之（zhī）一。滲透通過包裝材料的氧氣、二氧化碳等氣體會顯著影響產品的（de）品質，因此在進行產（chǎn）品的包裝設計時需要（yào）結（jié）合產品預計（jì）的保質期選擇（zé）阻隔性能（néng）適當的材料。透氣性檢測設（shè）備是近幾年包（bāo）裝材料製造商以（yǐ）及（jí）使用商主要選購的高端檢測設備之一。

1、透氣性測試的發展

    透氣性測試，也稱作氣體阻隔性測試或是氣體透過性測試，主要是考察薄膜、薄片對常見無機氣體的阻隔性能，是材料主要的阻（zǔ）隔性能指標之一。通常檢測（cè）的是材料的（de）透氧性，由（yóu）於氣調包裝的廣泛使（shǐ）用（yòng）也需對包裝材料的二氧化碳、氮氣透過性能進行檢（jiǎn）測。

    透氣性測試方法可分為壓差法（Differential-pressure method）與等壓法（Equal-pressure method）。廣（guǎng）泛使用（yòng）的是壓差法，可分為真空壓差法和正壓差法（體積法）。隨（suí）著微量（liàng）氧探測技術的發展，微量氧傳感器（qì）逐 步應用（yòng）在（zài）材料的透氧性（xìng）測試領域中，即透氣性測試中的傳感（gǎn）器法，利用不同的氣體傳感器（qì）可（kě）以檢測（cè）不同氣體對材料的滲透性能，目前對氧氣和二（èr）氧化碳的傳感器法檢測工藝已（yǐ）經成熟。另外還可以利用氣象色譜法檢測材料的透氣性。傳感器法和氣象色譜法都可以歸為透氣性測（cè）試的等壓法。

2、壓差法

圖 1. 真空法測試原理圖

    真（zhēn）空法是壓差法中最具代表（biǎo）性的一種測試方法。它的（de）測試原理（見（jiàn）圖 1）是利用試樣將滲透（tòu）腔隔成兩個獨立的空間，先（xiān）將試樣兩側都抽成真（zhēn）空，然後向其中一側（A 高壓（yā）側）充入 0.1MPa（絕壓）的測試氣體，而（ér）另一側（B 低壓側（cè））則保持真空狀態，試樣（yàng）兩側形成 0.1MPa 的測試氣體（tǐ）壓差。測試氣體滲透通過薄膜（mó）進入低（dī）壓（yā）側並引起低壓側壓力的變（biàn）化，用高精度真空（kōng）規測量低壓側壓力的變化量就可以利用公式計（jì）算得到測試氣體的氣體透過量（GTR）。相關標準有 ISO 2556、ISO 15105-1、ASTM D 1434（M法）、GB 1038、JIS K 7126（A法（fǎ））等。ISO 15105-1 提供的氣體（tǐ）透過量（GTR）計算公式如下：

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• 式中： V C ——低壓側的體（tǐ）積；
• T ——試驗溫度（熱力學溫度）；
• pu ——高壓側的氣體壓強（qiáng）；
• A ——有效滲透麵積；
• dp/dt ——當滲透（tòu）狀態穩定後，在低壓（yā）側單位時間內壓強的變化量；
• R ——氣體常數。

    真空法是采用（yòng）負壓差方法來實現試樣（yàng）兩側 0.1MPa 的壓差，當然也可以通過正壓差的方法來實現，最常用的正壓差法是體積法。由於體積法無需對（duì）滲透腔抽真空，也（yě）不用進行真空度的保持，所以降低了設備製造及試驗的難度。相關的測試標準有 ASTM D 1434（V 法）等。

    壓差法對測試氣體的通用性非常好。由於（yú）膜技術理論的支（zhī）持，真空（kōng）法在透氣性測試中（zhōng）一直作為基礎方法使用，科研檢測機構多采用這種方法。隨著真空（kōng）規檢（jiǎn）測（cè）技術的進步、以及高真空技術（shù）在設備（bèi）設計上的應用，大大提高了設備（bèi）的檢（jiǎn）測精度以（yǐ）及測試數 據的重複性。它的突出優點是能夠通過一次測試得出（chū）材（cái）料（liào）的滲（shèn）透係數、擴散係數、溶解度係數3項（xiàng）阻隔性指標。

    在選購真空壓差法透氣性測試設備時，需要（yào）注（zhù）意以下參數指標：測試腔能達到的真空度、真（zhēn）空規的精度（dù）及量程、“空白試驗”數據及測試（shì）數據重複性（xìng），以（yǐ）及設（shè）備是（shì）否具（jù）備（bèi）自控溫功能。測試腔真空度不但體現了（le）所（suǒ）采用真空（kōng）泵的抽真空能力，還體現了測試腔體以（yǐ）及（jí）相關管路的密封性能，如果機械結構中存在泄漏點，則試驗結果將會受到嚴重的幹擾，無法體現（xiàn）材料的真實阻隔（gé）性（xìng）。如果隻有某一次試驗達不到要求的真空度，極有可（kě）能是由於（yú）試樣裝夾密封不當所（suǒ）引（yǐn）起的（de）。標準要求真空規的精度應不（bú）低於6Pa，目（mù）前比較優秀的真空規的分辨率是其滿（mǎn）量程的0.1％，由於測試元件的分辨率都要優於它的測試精度，因此真空規的量（liàng）程一般要小於（yú）6kPa。“空白試驗”數據以及測試數據的重複（fù）性是衡量設備經受各種因（yīn）素影響的綜（zōng）合指標，試驗環境（jìng）的溫濕度控製情況對測試結果也有影響，尤其是溫度對阻隔性測試的影響最為顯著，可以參閱2005年1月17日及2月21日MD传媒视频實驗室論壇文章。選購正壓差法設備時，由於這種方法無須（xū）抽（chōu）真空，因而隻需要關注壓（yā）力傳感器的精度（dù）和量程、“空白試驗（yàn）”數據以及測試數（shù）據（jù）的（de）重複性等（děng）指標就可（kě）以了。

3、等壓法

圖 2. 傳（chuán）感（gǎn）器法測試原理圖

    目前用於（yú）包裝材（cái）料透氣（qì）性檢測的等壓法主要是傳感器法，它以檢測（cè）材料的透氧性為主，該方法對試（shì）驗氣體有選擇性，測試原理（參見圖（tú） 2）如下：利用試樣將滲透腔隔成（chéng）兩個獨立（lì）的氣（qì）流係（xì）統，一側（cè）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（tǐ）），另一側為流動的幹燥氮氣（B）。試樣兩邊的壓力相等，但氧氣分壓不同。氧氣在濃度差（chà）作用下透過薄膜進入氮氣流，被送至氧傳感器中，由氧傳感器精確測量出氮氣（qì）流（liú）中攜帶的（de）氧氣（qì）量，從而計（jì）算出材料的氧氣透過率。傳感器法設備在（zài）正式試驗之前需要（yào）使用標準膜進行設備標定，確定設（shè）備的校正因（yīn）子（zǐ），並將它用於正（zhèng）式（shì）試驗的計算（suàn）中。傳（chuán）感器法的相（xiàng）關標準有 ISO 15105-2，ASTM D 3985，ASTM F 1927，ASTM F 1307 等。ISO 15105-2 提（tí）供（gòng）的氧氣透過量（O₂ GTR）計算公式（shì）如下：

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• 式中： U ——試樣測試時的輸出電壓（yā）信號；
• U0 ——電壓零信號；
• k ——設備的校正（zhèng）因（yīn）子（zǐ）；
• Pa ——環境大氣（qì）壓；
• P0 ——測試氣體中的氧氣分壓差；
• A ——有效滲透麵積。

    在檢測材料（liào）的氧氣透過率時使用（yòng）的是氧傳感器，隻能對氧（yǎng）氣的滲透性進行分析，由於氮氣作為載氣用於輸送滲透通過試樣的測試氣體，所以目前利用這種測試結構檢測氮（dàn）氣透過率還是無法實現的。

    傳感器法是隨著氧探測器技術的不斷成熟而出現（xiàn）的。相對於真空法測試，它的試驗（yàn）時間有一定（dìng）的縮短，更（gèng）常用於國際貿易中高阻隔性材料的（de）檢測。另外，由於使用的（de）傳感器屬消耗型（xíng）元件，所以設備標定所得的校正因子並不是長期有（yǒu）效的，需要根據要（yào）求進行周期性設備標定。當傳感器的損耗達到一定程度時必須更換（huàn），因此傳感器法設備的檢測成本比壓差（chà）法設備的檢測成本要高一些。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所采（cǎi）用的氧傳（chuán）感器在正常使用情況下預計能夠使用（yòng）12－30個月，算是使（shǐ）用時間比較長的了。等（děng）壓法在測試試樣兩側保（bǎo）持常壓，使得試樣兩側的壓力相等，這給容器透氣性檢測奠定了基礎，可避免由於容器壁兩側壓差過大導致容器爆裂的情況。ASTM F 1307是檢測容器透氧性的測試標準，它與ASTM D 3985（檢測薄膜、薄片的透氧性）對設備結構的設計以及（jí）氧（yǎng）傳感器的使用方式（shì）相近，將容（róng）器檢測附件（jiàn）拆卸（xiè）之後，同一款（kuǎn）設備完全可以按照 ASTM D 3985 進行薄膜、片材的透氧性測試。目前市場上已經有幾款同時具有容器、薄膜透氧性檢測雙重功能的檢測設備，如（rú）Labthink TOY-C1容器/薄膜透氧儀。

4、測試設備的選擇

    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（壓差法單（dān）位是：cm³/m²·24h·0.1MP，等壓法單位是：cm³/m²·d），所（suǒ）以由這（zhè）兩種方法得到的未經校正（zhèng）的原始數據，從（cóng）理論上說不具備可比（bǐ）性。但通過使用標準膜（mó）標定等壓法設備並將校正因子用於正式試驗（yàn）後，壓差法和等壓法的試驗結果就可以比較了。

    在我國，壓差法（fǎ）設備的市場占有率（lǜ）要遠高於（yú）等壓法設備，這（zhè）一方麵是由於我國現行（háng）標準中僅采用壓差法（fǎ）檢測材料的透氣性，另一方麵也是（shì）與壓差法的深厚理論基（jī）礎有關。在歐洲、日本，盡管在這（zhè）些地區兩種透氣性檢測方法都（dōu）得到認可，但（dàn）壓差法設備更受科研、檢測機構（gòu）的青睞。   有時，選購者在選購透（tòu）氣性測試設備時無法判定哪一類測試設備（bèi）更貼近自己的（de）實際檢測用途，這（zhè）裏（lǐ）給出一些建議，希望能夠給（gěi）有意選購透氣性檢測設備的（de）人士提供一些幫（bāng）助。首先，一般對於研（yán）究機構（gòu）（如研究所、高等院校等）多（duō）選購真空壓差法設備，這類設備可同時檢測材料的滲透係數、擴散係數、溶解度係數，對材料滲透性能的研究有一定的指導意義，而且壓差法設備對測試氣體的通用性非常好。其次，對於充氣、氣調等（děng）包裝來講，包裝材料的實際使用環境更接近等壓法的測試環境，但（dàn）對真空包裝材料還是使用真空壓差法檢測更優，因為真空包裝材料的（de）使用環（huán）境與真空壓差法的試（shì）驗環境更加接近。再（zài）看測試對象的集中性（xìng）和測試頻率，如果檢測項目專一而且測試頻（pín）率（lǜ）不高，如僅檢測透氧性，可（kě）考慮采用等壓法的透氧（yǎng）儀；如果檢測項（xiàng）目（mù）類別較多（像材料對氧氣、氮氣（qì）、二（èr）氧（yǎng）化碳的阻隔性），就需要采用壓差法設備；如（rú）果測試頻率較高，也可考慮采用壓差法設備，因（yīn）為等壓法設備的傳感器是消耗型的（de），檢測（cè）任務越多，使用時間越短，而且更換傳感器所需費用較高，壓差法設備的檢測成本相對要低一些。