材料的透氣性測試與透氣度測試

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作阻隔性材料，被作為功能材料大量應(yīng)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講的，它們的氣體透過率非常大，種類繁多，用途也十分廣泛。

1、透氣性測試

  　 我們常說的透氣性測試是指對于具有一定氣體阻隔性的材料進行特定氣體滲透性的檢測。這類材料多是高分子聚合物或是由高聚物制成的多層復(fù)合材料，廣泛應(yīng)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，也是充氣包裝、真空包裝、無菌包裝等新型包裝發(fā)展的基礎(chǔ)。

   　 材料的透氣性測試方法主要有壓差法和等壓法兩類，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日的蘭光實驗室論壇文章《透氣性測試方法及設(shè)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(shè)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，按照檢測標準需要采用分辨率非常高的真空規(guī)或表壓傳感器，檢測過程中微小的壓力變化都需要被精確的采集下來。

透氣性測試具有如下特點：

    　首先，對于真空壓差法透氣性測試設(shè)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(cè)在26Pa以下，ISO 2556:2001及GB/T 1038-2000均要求低壓側(cè)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對試驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的影響。

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

表1. 透氧數(shù)據(jù)實測表

材料
 溫度

℃
 濕度

%RH
 厚度

μm
 試驗持續(xù)時間h
 試驗結(jié)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(shù)、溶解度系數(shù)以及擴散系數(shù)受溫度變化的影響遵守Arrhenius方程。

　　目前，用于這類氣體滲透性較低的材料的專業(yè)透氣性測試設(shè)備發(fā)展很快，Labthink VAC-V1氣體滲透儀就可以完全滿足國標以及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、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舒適度的關(guān)鍵因素。對于這類材料氣體滲透性的檢測我們稱為透氣度測試，試驗需要采用專業(yè)的透氣度測試儀。

    　這類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兩類（詳細內(nèi)容請參閱《汽車工藝與材料》2005年9月和10月的《車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(yīng)用于紡織品、無紡布、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試樣一定體積空氣的時間，這可歸為定壓差測流量一類，再通過測得的流量進行計算就可以了。

　　透氣度測試相比之前介紹的透氣性測試具有如下特點：

　　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，試驗時間長短差異較大，透氣性測試時間長，透氣度測試時間要短的多，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(shè)備無需使用高靈敏度的真空規(guī)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，以滿足不同透氣量檢測的需要。

　　第五，透氣度測試設(shè)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(shù)據(jù)的單位差別很大：如紡織品的最終測試結(jié)果是透氣率（mm/s），而皮革的最終測試結(jié)果卻是透氣量（ml/cm2·h）。配合專用操作軟件，同一款透氣度測試儀可以完成以上各種試驗數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

    　目前透氣度測試設(shè)備的發(fā)展很不均衡，例如現(xiàn)在市場上用于紡織物、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(shè)備卻很少見。今年Labthink蘭光研發(fā)的TQD-G1透氣度測試儀是一款同時具備定流量測壓差和定壓差測流量兩種模式的檢測設(shè)備，配合專業(yè)軟件，基本上能滿足多數(shù)非金屬材料的透氣度測試需要，而且Labthink蘭光可以根據(jù)客戶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，實用性更優(yōu)。

3、總結(jié)

    　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(shè)備的明顯變化，根據(jù)檢測需要選擇相應(yīng)的設(shè)備是獲得實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，市場上都已有專門的檢測設(shè)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疑是對材料透氣性控制的有利推動。