塑料包材透气性能测试研究——压差对透气性能的影响 (苏远 湖南工业大学)

　　包装材料的阻隔性能，在食品包装和药品包装中起着十分重要的作用。阻隔性能包括透气性能和透湿性能，测试方法多种多样。对于材料透气性能的检测，压差法是使用时间最久、使用范围最广的一种测试方法。但是，对压差法的测试数据存在一些质疑，其中之一是^[1]：在测试过程中，由于材料的两侧存在着压差，这会破坏某些较为脆弱的材料的结构，产生小的裂纹、针孔等缺陷；还会使材料产生形变，厚度变薄，透气面积增大，从而影响实验结果。特别是当等压法在美国开始使用后，人们对这些因素的担忧更加严重。究竟压差法中压差的存在对材料透气性能有无影响？由此测得的透气量等数据，是否可靠？这个问题一直没有具体的数据来说明。因此，我们就此问题进行了大量的试验，以期得到明确清晰的结论。

　　一  基本原理

　　按照质量迁移理论^[2]，气体分子之所以能透过塑料薄膜，是在气体分子被薄膜材料吸附并溶入材　　料后受到高分子材料内的化学势能驱动，因而能在高分子材料内部移动，最后气体分子从另一边释放出来（称“解吸附”）。化学势能由化学活性决定，而化学活性比例于气体浓度。渗透气体分子的浓度Ci又可以表示为这类分子的分压强pi：即：         

 

　　pi = kCi  （1）

 

　　上式中，k是个常数。也就是说，透过薄膜的气体通量将取决于其两边的分压强。如果在时间t内，透过面积A上的测试气体总量为Q, 有渗透系数P为：

　　P = (2)

 

 

       式中，p₁、p₂是薄膜两边被测气体的分压强，分压差为△p = p₁－p_2， l是薄膜的厚度。可以看出，渗透系数P为单位时间内，在单位分压差的作用下，单位厚度的材料，在其单位面积上透过的测试气体总量Q。

 

　　这样，要确定塑料薄膜的透气性能，就要知道薄膜两测的分压差。因此，最早也是最成熟的测定塑料薄膜透气性能方式就是压差法。测试标准有GB/T 1038、ASTM D1434、ISO 2556、ISO 15105-1、JIS K 7126（A法）等。这些标准都是在被测样品的两边维持一个大气压的压差（0.10133MPa），测试在此压差下塑料薄膜或片材的透气性能。

 

　　通常，表示材料透气性能主要有三个参数。除了渗透系数P外，还有两个参数：

　　1 透过率TR（Transmission Rate）：单位时间内在单位面积上透过样品的测试气体总量Q；表示为：Q/(A t)

　　2 透气量R（Permeance）：单位时间内，在单位分压差的作用下，在单位面积上透过样品的测试气体总量Q；表示为：Q/(A t△p)

　　三个量之间满足如下关系：

 

　　R=TR/△p， P=R×l    （3）

 

　　从理论上分析，R和P都不会随材料两侧压差的变化而变化，那么实际情况如何呢？我们安排了下面的实验对这个问题进行验证。

二 实验安排

　　实验仪器采用中国山东济南兰光机电技术有限公司生产的VAC-V1压差法气体渗透仪，这是基于压差法的透气性测试仪。常规测试范围在0.1～100000 cm³/m²·24h·0.1MPa，最高可以扩展到600000 cm³/m²·24h·0.1MPa，真空分辨率达0.1Pa，测试腔真空度可保证在20Pa以下。可在室温到50℃范围内进行控温，温控精度为±0.2℃。该设备可测得材料的透气量R、渗气系数P、扩散系数D、溶解度系数S。标准试验方法在低压侧采用多孔纸支撑试样，可以很好地消除压力差对试样的影响，使得试样尽管经受压力依然可以保证不出现明显的形变。

 

　　使用设备组成：Labthink VAC-V1压差法气体渗透仪，数据计算处理系统，真空泵（最低真空0.1Pa），纯度为99.9%的氧气。实验设备如图1所示。

 

图1 VAC-V1气体渗透测试仪

　　根据第一节的基本原理，透过率TR是单位时间透过单位面积的气体的量（重量或体积量）。这个量应该由两个因素决定：
　　1）材料本身的透气性能；
　　2）材料两边气体的浓度差。
　　如果材料本身的透气性能不变，那么，材料两边气体的浓度差越大，越有利于气体从高浓度向低浓度扩散。也就是TR会随着材料两边气体的浓度差增加而增加。从（1）式中可知，TR也就会随材料两边分压差的增加而增加。这也正是我们实验证明的一个结果。但是如果我们只关心材料本身的透气性能，就需要去掉这个材料外部的因素，即除去这个分压差，这也就有了（3）式中的透气量R。实验数据也证明了R（从而P）与分压差无关。这好比一个电路当中，如果一个固定电阻两端的电压差越大，流过这个固定电阻的电流就会越大。但不论这个电流多大，只要不会烧毁固定电阻，电阻的阻值都是不会变的。