以小量程壓差法儀器測定保鮮膜氣體透過率的方法研究

劉山生，袁 威

（北京工商大學輕工業(yè)塑料加工應用塑料研究所，國家塑料制品質量監(jiān)督檢驗中心（北京），北京100048）

0 前言

測定材料的氣體透過率有多種不同的方法，但以壓差法最為常用。以壓差法測定材料的氣體透過率時，不僅可以測定不同種類的單一氣體，也可以測定混合氣體。以特定氣體傳感器法測定時，只能測定單一特定氣體的透過率。因此，大多數(shù)檢測機構多采購壓差法儀器用于氣體透過率的測定。

以壓差法測定薄膜的氣體透過率時，受真空室體積和超低絕對壓力傳感器測量范圍的限制，其測量量程較小，大多數(shù)檢測機構采購的儀器，其量程范圍不大于104cm3／［m2·d·（0.1MPa）］。以日本 TOYOSEIKI BT-3型氣體透過率測定儀為例，其測量量程約為0.3～9000cm3／［（m2·d·（0.1MPa）］，而不同氣體對保鮮膜的透過率范圍約在104～105cm3／［（m2·d·（0.1MPa）］，大大超出了儀器的測定量程范圍，且氣體透過率Q與薄膜層數(shù)N 之間不是線性關系，不能以多層疊加測定結果直接乘以疊加層數(shù)來獲得單層薄膜的氣體透過率。

為解決如何以小量程儀器測定大氣體透過率的問題，筆者通過對多層保鮮膜疊加測定氣體透過率Q與疊加層數(shù)N的關系研究，獲得了氣體透過率Q與試樣層數(shù)N間的函數(shù)關系，可在儀器測定量程小于材料氣體透過率的情況下，能夠測得單層保鮮膜的氣體透過率，從而拓展了儀器的測量量程范圍。

1 實驗部分

1.1 主要原料

聚乙烯自粘保鮮膜，厚度0.009mm，市售；

O2、CO2、He，純度＞99.99%，市售。

1.2 主要設備及儀器

氣體透過性測定儀，BT-3，帶恒溫裝置，日本Toyoseiki公司。

1.3 測試方法與測試條件

按照GB／T 1038—2000塑料薄膜和片材氣體透過性測試方法壓差法測定薄膜的氣體透過率，測試條件（23±0.3）℃。

2 結果與討論

2.1 疊加層數(shù)與氣體透過率的關系

由于聚乙烯自粘保鮮膜氧氣（O2）透過率在104cm3／［（m2·d·（0.1MPa）］以上、二氧化碳透過率在105cm3／［（m2·d·（0.1MPa）］以上，而日本 TOYOSEIKIBT-3型氣體透過率測定儀的最大測量范圍約為9000cm3／［（m2·d·（0.1MPa）］。因此單層保鮮膜的氣體透過率超出了該儀器的測定范圍，為此我們采用多層疊加方式進行測定，得到試樣層數(shù)（N）和氣體透過率（Q）的結果見表1。

表1 氣體透過率測定結果Tab.1 Test result for gas transmission

從圖1可以看出，N與Q的關系近似負指數(shù)曲線，因此我們對N及Q同時取對數(shù)，見表2。

圖1 N與Q的關系Fig.1 Relationship between Nand Q

表2 N與Q的對數(shù)值Tab.2 Logarithm of Nand Q

以表2中l(wèi)nQ對lnN作圖，見圖2。由圖2可見，lnQ與lnN 具有良好的線性關系。設Y＝lnQ，X＝lnN，可以分別求得其線性回歸方程Y＝bX＋a及相關系數(shù)r如式（1）～（3）。

由相關系數(shù)r可見，試樣層數(shù)的對數(shù)lnN與氣體透過率對數(shù)lnQ之間，具有高度的線性負相關關系。但按標準規(guī)定，應當檢測單層材料的氣體透過率，即N＝1時的氣體透過率。N＝1時，X＝0，Q的計算公式如式（4）所示，O2、CO2、He計算結果如式（5）、（6）、（7）。

2.2 測試結果偏差分析

為確定按線性回歸方程所獲得結果的標準差，我們可計算該回歸線的標準差Se如下：設Yt為回歸曲線求取值，Yc為實際測試值，對氧氣而言，殘差的平方和如表3所示。

圖2 N與Q的對數(shù)關系曲線Fig.2 Relationship of between logarithm of Nand logarithm of Q

表3 lnQO2殘差的平方Tab.3 The square of residual error of lnQO2

此回歸線的標準差Se如式（8）所示，則eSe＝1.072。

取包含因子k＝1，則任意點的Y＝Yt±Se，則透氣量Q＝eY的上、下偏差為：ΔU＝（eSe-1）×100＝（1.072-1）×100＝7.2%；ΔD＝（）×100%＝6.7%。同樣，可求得CO2、He回歸線的標準差及導出結果的偏差范圍。對于 CO2：Se ＝0.0538，ΔU＝（eSe-1）×100＝（1.055-1）×100＝5.5%；ΔD＝（）×1 00%＝5.2%；對于He：Se＝0.0486，ΔU＝（eSe-1）×100＝（1.050-1）×100＝5.0%；ΔD＝）×100%＝4.8%。由此可見，以本方法測定所獲得結果的最大偏差均小于10%。

3 結論

（1）氣體透過率Q的對數(shù)lnQ與保鮮膜層數(shù)N 的對數(shù)lnN為高度線性負相關，因此可通過兩次以上不同層數(shù)疊加試樣的測定結果，得到其線性回歸方程，從而求得單層保鮮膜的氣體透過率，推薦測定層數(shù)為20層、40層。

（2）對不同種類單一氣體而言，lnQ與lnN均呈現(xiàn)高度線性負相關，但其斜率不同；

（3）氣體透過率可直接以回歸線的截距計算獲得，即Q＝ea，此方法可擴展氣體透過率測試儀器的測量量程范圍；

（4）此方法獲得結果的最大偏差小于10%。

［1］國家質量技術監(jiān)督局.GB／T 1038—2000塑料薄膜和片材氣體透過性測試方法 壓差法［S］.北京：中國標準出版社，2005.