材料的透氣性測試與透氣度測試

氣體對材料的滲透性（Permeability）是材料物理性能檢測的重要項目之一，滲透性低的材料我們稱(chēng)作對氣體具有一定的阻隔性，在這些材料中具有極低的氣體滲透性的材料又稱(chēng)作阻隔性材料，被作為功能材料大量應用（如商品包裝）；滲透性高的材料是相對于具有一定阻隔性的材料來(lái)講的，它們的氣體透過(guò)率非常大，種類(lèi)繁多，用途也十分廣泛。

1、透氣性測試

  　 我們常說(shuō)的透氣性測試是指對于具有一定氣體阻隔性的材料進(jìn)行特定氣體滲透性的檢測。這類(lèi)材料多是高分子聚合物或是由高聚物制成的多層復合材料，廣泛應用于食品、藥品、化工、電子、軍工等領(lǐng)域的產(chǎn)品包裝中。其中阻隔性極優(yōu)（氣體滲透性極低）的材料可以用于對氧氣、水蒸氣敏感商品的包裝，是近幾年塑料包裝業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)，也是充氣包裝、真空包裝、無(wú)菌包裝等新型包裝發(fā)展的基礎。

   　 材料的透氣性測試方法主要有壓差法和等壓法兩類(lèi)，其中使用范圍最廣泛的是壓差法（可以參閱2005年10月10日及17日的蘭光實(shí)驗室論壇文章《透氣性測試方法及設備》）。壓差法是純粹的物理檢測方法，測試原理清晰明了，與后面將要提到的透氣度測試設備原理一致，是透氣性測試中的根本方法。壓差法又分為真空壓差法和正壓差法兩類(lèi)，按照檢測標準需要采用分辨率非常高的真空規或表壓傳感器，檢測過(guò)程中微小的壓力變化都需要被精確的采集下來(lái)。

透氣性測試具有如下特點(diǎn)：

    　首先，對于真空壓差法透氣性測試設備，測試腔真空度是最重要的一項指標。ASTM D 1434-82（2003）要求真空壓差法的低壓側在26Pa以下，ISO 2556:2001及GB/T 1038-2000均要求低壓側壓力不大于27 Pa，透氣性測試儀需要配備抽真空能力很高的真空泵。由于真空度的高低與試樣的狀態(tài)直接相關(guān)，因此，能否達到標準要求的真空度會(huì )對試驗數據產(chǎn)生一定的影響。

    　其次，真空規（Vacuum Gauge）精度直接影響測試結果精度，而且精度的選擇會(huì )對真空規的量程有一定限制。由于氣體對這類(lèi)材料的滲透性低，因此在測試過(guò)程中測試下腔的壓力變化率也很小，所以真空規的量程無(wú)需太大。表1中列出了5種高阻隔性材料的透氧性檢測的實(shí)測數據，在這組試驗中，至試驗結束時(shí)的最大壓力變化量都不大于20Pa。

表1. 透氧數據實(shí)測表

材料
 溫度

℃
 濕度

%RH
 厚度

μm
 試驗持續時(shí)間h
 試驗結束壓力Pa
 透氣量

ml/m2·24h·0.1MPa
 
A
 24.2
 63.8
 90
 22.0
 2.47
 0.05
 
B
 24.3
 53.6
 100
 7.5
 8.22
 1.04
 
C
 24.1
 58.6
 100
 6.4
 15.07
 2.01
 
D
 21.4
 42.3
 250
 2.1
 9.32
 3.467
 
E
 23.1
 27.1
 60
 2.7
 12.60
 5.44
 

　　第三，溫度的變化能直接影響試樣的阻隔性。材料的滲透系數、溶解度系數以及擴散系數受溫度變化的影響遵守Arrhenius方程。

　　目前，用于這類(lèi)氣體滲透性較低的材料的專(zhuān)業(yè)透氣性測試設備發(fā)展很快，Labthink VAC-V1氣體滲透儀就可以完全滿(mǎn)足國標以及ISO標準，功能十分強大。

2、透氣度測試

    　對于塑料泡沫、皮革、紡織品、紙板、紙張、多孔陶瓷等透氣性較大的材料，用于一些特定領(lǐng)域時(shí)需要量化氣體對于這些材料的滲透性，例如卷煙紙的透氣性選擇是否恰當能直接影響煙支的外觀(guān)、卷煙的吃味和煙氣成分的含量，而對紡織品透氣性的控制是直接影響衣物穿著(zhù)舒適度的關(guān)鍵因素。對于這類(lèi)材料氣體滲透性的檢測我們稱(chēng)為透氣度測試，試驗需要采用專(zhuān)業(yè)的透氣度測試儀。

    　這類(lèi)材料的透氣度測試方法大體可以分為定流量測壓差和定壓差測流量?jì)深?lèi)（詳細內容請參閱《汽車(chē)工藝與材料》2005年9月和10月的《車(chē)用非金屬材料的透氣度檢測》）。定流量測壓差法主要用于聚氨酯泡沫塑料以及軟質(zhì)或半硬質(zhì)多孔彈性材料的測試；定壓差測流量法主要應用于紡織品、無(wú)紡布、皮革、土工布等；紙、皮革等材料的透氣度檢測需測試在一定壓差下透過(guò)試樣一定體積空氣的時(shí)間，這可歸為定壓差測流量一類(lèi)，再通過(guò)測得的流量進(jìn)行計算就可以了。

　　透氣度測試相比之前介紹的透氣性測試具有如下特點(diǎn)：

　　首先，測試對象不同。透氣性測試主要用于檢測薄膜，而透氣度測試主要檢測多孔材料、無(wú)紡布等。

　　其次，透氣性測試可以檢測氧氣、氮氣、二氧化碳、空氣等氣體對材料的滲透性，而透氣度測試主要檢測空氣對材料的滲透性。

　　第三，試驗時(shí)間長(cháng)短差異較大，透氣性測試時(shí)間長(cháng)，透氣度測試時(shí)間要短的多，這主要是因為兩種測試材料透氣性的差別非常大。

　　第四，由于透氣度測試主要檢測透氣性高的材料，因此設備無(wú)需使用高靈敏度的真空規或壓力傳感器，對真空泵的抽真空能力要求也比較低，但要求壓力傳感器具有很寬的量程，以滿(mǎn)足不同透氣量檢測的需要。

　　第五，透氣度測試設備的關(guān)鍵元器件不僅有壓力傳感器和真空泵，流量計的精度和量程也非常重要。

　　第六，不同的材料，由于檢測標準以及方法的差異，試驗數據的單位差別很大：如紡織品的最終測試結果是透氣率（mm/s），而皮革的最終測試結果卻是透氣量（ml/cm2·h）。配合專(zhuān)用操作軟件，同一款透氣度測試儀可以完成以上各種試驗數據的轉換。

    　目前透氣度測試設備的發(fā)展很不均衡，例如現在市場(chǎng)上用于紡織物、紙張等材料的透氣度測試儀品種很多，而用于聚氨酯泡沫塑料及多孔彈性材料透氣度的檢測設備卻很少見(jiàn)。今年Labthink蘭光研發(fā)的TQD-G1透氣度測試儀是一款同時(shí)具備定流量測壓差和定壓差測流量?jì)煞N模式的檢測設備，配合專(zhuān)業(yè)軟件，基本上能滿(mǎn)足多數非金屬材料的透氣度測試需要，而且Labthink蘭光可以根據客戶(hù)的檢測需要量身定做指定測試范圍和精度的透氣度測試儀，實(shí)用性更優(yōu)。

3、總結

    　同是檢測氣體對材料的滲透性，材料性能的差異引起了檢測設備的明顯變化，根據檢測需要選擇相應的設備是獲得實(shí)用的測試范圍及精度的最佳方法。雖然對于軟包裝材料、卷煙紙、紡織物等材料，市場(chǎng)上都已有專(zhuān)門(mén)的檢測設備出售，但是對于聚氨酯泡沫塑料、多孔彈性體等，TQD-G1透氣度測試儀的推出無(wú)疑是對材料透氣性控制的有利推動(dòng)。