透氣（qì）性測試——壓差法與等壓法

    薄膜阻（zǔ）隔（gé）性檢測（cè）一般分為對常見無機氣體的阻隔性檢（jiǎn）測、對水蒸（zhēng）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（cháng）見無機氣體（O₂、CO₂、N₂ 等）的（de）阻（zǔ）隔性。本文將對薄（báo）膜的（de）透氣性測試方法進行（háng）簡要的分析和比較。

1、透氣性測試方法（fǎ）

    目前，透（tòu）氣性檢測設備所使用的測試方（fāng）法大都可歸為壓差法和等壓法（fǎ）兩類，它們的測試（shì）原理不（bú）同，測試條件差別較大，但在整個阻隔性測試領域中都占有很重要的地位。

1.1 壓差法

圖 1. 真空（kōng）法測試原理圖

    真空法是壓差法中最（zuì）具代表性的一種測試方法。它的測試（shì）原理（見圖 1）是（shì）利用試樣將滲（shèn）透腔隔成兩個獨立的空間，先將試樣兩側都抽（chōu）成（chéng）真空，然後向其（qí）中（zhōng）一側（A 高（gāo）壓側）充入 0.1MPa（絕（jué）壓）的測試氣體，而另一（yī）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（de）測試氣體（tǐ）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（gāo）精度真空規測量低壓側的壓力變（biàn）化量就可以利用下麵的公式（由 ISO 15105-1 給出）計（jì）算得到測（cè）試氣體的氣體透過量（liàng）（GTR）。由真空法得（dé）到的氣體透（tòu）過量單位是（shì）：cm³/m²·24h·0.1MPa。

• 式中： V C 是低壓側的體積；
• T 是（shì）試驗（yàn）溫度（熱力學溫度）；
• p u 是高壓側的氣體壓強；
• A 是（shì）有（yǒu）效滲透麵積；
• dp/dt 是當（dāng）滲透狀態（tài）穩定（dìng）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準很多，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（shí）現試樣兩側 0.1MPa 的壓差，當然（rán）也可以通過正壓差的方（fāng）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（dī）了設備製造以及透氣性試驗（yàn）的難度，相應地設備的製造成本跟真空法設備（bèi）相比可能會有一定的降低。相關的測試標（biāo）準有 ASTM D 1434（V 法）等。

1.2 等壓法

圖 2. 傳感器法測試原理圖

    目前應用於透氣（qì）性（xìng）檢測的等壓法（fǎ）隻有化學傳（chuán）感器法，它主（zhǔ）要用於氧氣透過性檢測，測試原理（見圖（tú） 2）如下：利用試樣將滲（shèn）透腔隔成兩個獨立的氣（qì）流係統，一側為流（liú）動的測試氣體（A，可以是（shì）純（chún）氧氣或是（shì）含氧氣的混合氣體），另一側為流動的幹燥氮（dàn）氣（B）。試樣兩（liǎng）邊的壓力相等，但（dàn）氧氣分壓不同。在氧（yǎng）氣的濃度差作用下，氧（yǎng）氣（qì）透過薄膜並被氮氣流送至傳感器中，由傳感器精確測量出（chū）氮氣流中攜帶的氧氣量，從而計算出材料的氧氣透（tòu）過率。由傳（chuán）感器法直（zhí）接測得且未經校正的氧氣透過量，其常用單（dān）位是：cm³/m²·d。ISO 15105-2 提供的氧氣透過量（O₂ GTR）計算公（gōng）式如（rú）下：

• 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 是有效滲透麵積。

傳感器法的相關（guān）標準有 ISO 15105-2，ASTM D 3985，ASTM F 1927，ASTM F 1307等。

2、兩種方法的比較

    壓（yā）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（yā）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（cóng）理論上說不（bú）具備可比性。但通過使用（yòng）標準膜標定等（děng）壓法設備並（bìng）將校正因子（zǐ）用於正式試（shì）驗後（hòu），壓差法和等壓法的試驗結（jié）果就可以比較了。

    由於膜技術理論的支持，壓差法在（zài）透氣性（xìng）測試（shì）中（zhōng）一直作（zuò）為（wéi）基礎方法使用，科研檢（jiǎn）測機構多（duō）采用這種方法。它的突出優點是對於（yú）測試氣體沒有選（xuǎn）擇（zé）性，對不同的測試氣體的通用性非常好。隨（suí）著真空規檢測技術的進步、以及真空（kōng）技術在設（shè）備設計上的應用，大大提高了設（shè）備的（de）檢測精度以及測試數據的重複性。體積法（fǎ）對測試氣（qì）體的通（tōng）用性也很好。

    傳感器法是隨著氧探（tàn）測器技術的不斷成熟而出現的，由於使用的傳感器屬消耗（hào）型元（yuán）件，所以 設備標定所得的（de）校正因（yīn）子並不是長期有效的，需要根據要（yào）求進（jìn）行周期性設備標定， 而且當（dāng）傳感器的損耗達到一定程度時必須（xū）更（gèng）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（tòu）氧儀所采用的氧傳（chuán）感器在正常使用情況下預期能夠使用 12-30 個月，算是（shì）使用時間（jiān）較長的了。

3、總結（jié）

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