三種橡膠透水性測(cè)試方法對(duì)比與分析

范珺（濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司）

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三種橡膠透水性測(cè)試方法對(duì)比與分析

范珺
（濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司）

摘要：當(dāng)橡膠材料作為密封和防護(hù)材料實(shí)際應(yīng)用時(shí)，其阻水性即對(duì)水蒸氣和液態(tài)水的阻隔性影響極大。目前，橡膠阻水性的測(cè)試多采用三種方法，囊括了水蒸氣的滲透測(cè)試和液態(tài)水的滲透測(cè)試，針對(duì)性強(qiáng)，覆蓋面廣，操作簡(jiǎn)單，對(duì)橡膠材料的性能控制和改進(jìn)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：橡膠、阻水性、稱重法。

橡膠是一種富有彈性的高分子化合物，在較小的外力作用下能產(chǎn)生較大的形變，外力撤銷后即恢復(fù)原狀，因而是密封、防護(hù)材料的最佳選擇之一。橡膠廣泛的應(yīng)用于食品、藥品、工業(yè)的各個(gè)方面，例如以墊片、墊圈的形式出現(xiàn)在食品或藥品包裝瓶蓋處或機(jī)械設(shè)備中以起到密封、減震、緩沖的作用，或以電線電纜絕緣外殼形式作為防護(hù)材料應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域等。

橡膠的阻水性能分析

不同的使用需要，橡膠的種類和制造工藝多有不同，但企業(yè)對(duì)橡膠材料物理性能的質(zhì)控項(xiàng)目卻是基本一致的，這點(diǎn)可以從我國(guó)現(xiàn)行的橡膠制品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中窺見一斑。以《HGT2944-2011食品容器橡膠墊片》、《YBB00222004-2015口服制劑用硅橡膠膠塞、墊片》、《GB75943-1987電線電纜橡皮絕緣和橡皮護(hù)套》三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)為例，物理性能指標(biāo)主要集中在拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率、扯斷永久變形、硬度、老化系數(shù)前后性能變化等機(jī)械性能方面［1-3］。上述機(jī)械性能的要求最終是為了獲得良好的密封防護(hù)效果，防止外界氧氣、水蒸氣的滲入對(duì)內(nèi)容物性質(zhì)產(chǎn)生影響。但筆者認(rèn)為，橡膠材料良好的密封防護(hù)作用，除了與上述機(jī)械性能有關(guān)外，還取決于橡膠材料自身的阻隔性能，即對(duì)氣體、水蒸氣的阻隔。內(nèi)外因素相互配合方能達(dá)到最佳的密封效果。

橡膠材料的阻水性，是針對(duì)特定滲透對(duì)象而言，通常包括水蒸氣和液態(tài)水，指的是橡膠材料對(duì)滲透對(duì)象從高濃度側(cè)滲透通過(guò)材料進(jìn)入低濃度側(cè)的阻隔性能。整個(gè)滲透過(guò)程可以分為吸附、溶解、擴(kuò)散、解析幾個(gè)部分，高濃度側(cè)的水分子吸附在材料表面，溶解進(jìn)入材料中在其內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散，繼而從低濃度側(cè)解析出來(lái)，整個(gè)過(guò)程如圖1。整個(gè)滲透過(guò)程進(jìn)行的快慢由兩個(gè)因素決定，一是水分子在橡膠材料里滲透溶解的快慢，由溶解度參數(shù)表示；二是水分子在橡膠基體內(nèi)移動(dòng)的快慢，由擴(kuò)散系數(shù)表示。不同種類、加工工藝、不同厚度的橡膠材料，其對(duì)水分子的溶解度系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)往往大有差異。因此，獲得準(zhǔn)確的橡膠材料對(duì)水分子的透過(guò)率是把握橡膠阻水性的最直接方法。

圖1　橡膠水分子滲透示意圖

橡膠的阻水性能測(cè)試方法介紹

在實(shí)際應(yīng)用中，水分子對(duì)橡膠材料的滲透影響是非常大的。當(dāng)橡膠作為電線電纜絕緣材料的包覆制品時(shí)，要具有較強(qiáng)的抗?jié)B水性和較低的水蒸氣滲透性，否則水分子將嚴(yán)重?fù)p壞其電氣性能；用于包裝容器的密封材料時(shí)，更對(duì)水蒸氣的滲透率有著嚴(yán)苛的要求，以避免水分過(guò)多引起內(nèi)容物變質(zhì)。在目前的橡膠材料標(biāo)準(zhǔn)體系中，尚無(wú)明確的橡膠阻水性測(cè)試方法規(guī)定，采用最多的主要有三種方法：《GB/T 1037 塑料材料和片材透水蒸氣性試驗(yàn)方法 杯式法》、《ASTM E96 Standard Test Methods for Water Vapor Transmission of Materials》（譯：材料的水蒸氣滲透性標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法）、以及《ISO 1420-2001 Rubber-or plastics-coated fabrics - Determination of resistance to penetration》（譯：橡膠或塑料涂覆織物.耐水滲透性測(cè)定）。前二者側(cè)重于材料的水蒸氣滲透，而后者更集中在材料在一定水壓下的滲透性的研究上，三者在測(cè)試方法上既有相似性又存在差異，需根據(jù)實(shí)際測(cè)試需要差別選擇。

方法一： GB/T 1037-88

該試驗(yàn)方法基于“在規(guī)定溫度、相對(duì)濕度條件下，試樣兩側(cè)保持一定的水蒸氣壓差，測(cè)量透過(guò)試樣的水蒸氣量，計(jì)算水蒸氣透過(guò)量和透過(guò)系數(shù)”的原理，通過(guò)稱重裝有干燥劑的透濕杯增加的質(zhì)量來(lái)計(jì)算材料的透水蒸氣性，因而得名“增重法”，又稱“干燥劑法”。具體方法為：將干燥劑放入清潔的透濕杯皿中至據(jù)試樣表面約3mm為宜。將杯皿放入透濕杯中，再置入杯臺(tái)上，將試樣放在杯子正中，加上杯環(huán)和壓蓋，蠟封。將封好的透濕杯進(jìn)行稱量，放入23±0.6℃，相對(duì)濕度90±2％的恒溫恒濕箱內(nèi)，16h后取出稱量。再將透濕杯重新放入恒溫恒濕箱內(nèi)，間隔24h，48h和96h再次稱重，直至相鄰兩次質(zhì)量增量相差不大于5％時(shí)，結(jié)束試驗(yàn)。需要注意的是，每次稱量時(shí)，透濕杯的先后順序一致，稱后輕微震動(dòng)杯體使其中干燥劑混合均勻，干燥劑的吸濕總量不能超過(guò)10％，否則影響測(cè)試結(jié)果。

這一標(biāo)準(zhǔn)修訂于1988年，重點(diǎn)突出了各個(gè)透視性能參數(shù)的定義以及測(cè)試原理，但在實(shí)際操作中蠟封的方法操作難度大，密封效果不甚理想。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的相對(duì)濕度過(guò)于單一，不利于非標(biāo)條件的透濕測(cè)試。

方法二：ASTM E96-2012

ASTM E96制定于1953年，至今歷史最久的透濕性測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)。該方法相對(duì)與于第一種，最大的不同在于其同時(shí)包括了增重法和減重法兩種測(cè)試方法。減重法（即水蒸氣法）將增重法試驗(yàn)過(guò)程中高低濕側(cè)相互置換，在透濕杯皿中放入蒸餾水，使試樣朝向杯內(nèi)的一側(cè)保持高濕，另一側(cè)保持干燥，通過(guò)稱重透濕杯減少的質(zhì)量來(lái)測(cè)定水蒸氣透過(guò)試樣材料的透過(guò)率，如圖2。ASTM E96標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)定這兩種測(cè)試方法皆為基本試驗(yàn)方法，試驗(yàn)結(jié)果存在差異是必然的，沒有可比性，在實(shí)際測(cè)試時(shí)應(yīng)該按照材料的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境選擇采用哪一種方法。

圖2　減重法水蒸氣透過(guò)率測(cè)試

筆者搜集了4種同厚度的橡膠片材，命名為1#硅膠、2#乙丙橡膠、3#丁基橡膠、4#氯丁橡膠。借助濟(jì)南蘭光包裝安全檢測(cè)中心的W3/0120水蒸氣透過(guò)性測(cè)試儀，在相同的溫度、濕度條件下，采用ASTM E96的減重法分別對(duì)上述試樣進(jìn)行水蒸氣透過(guò)量檢測(cè)，結(jié)果如表1。

表1　4種橡膠材料的水蒸氣透過(guò)率

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，1#硅膠的水蒸氣阻隔性最差，2#乙丙橡膠和3#丁基橡膠最優(yōu)，其水蒸氣透過(guò)率是硅膠的1.86％和1.24％。4#氯丁橡膠的阻濕性處于中間階段。以此為參考，對(duì)水蒸氣比較敏感的產(chǎn)品建議采用2#或3#橡膠材料進(jìn)行密封或防護(hù)，而硅膠可以應(yīng)用于對(duì)橡膠產(chǎn)品阻水性能要求不高的產(chǎn)品上。

方法三：ISO 1420-2001

此項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)提供給了一種在固定時(shí)間周期內(nèi)對(duì)橡膠材料施加靜水壓時(shí)，橡膠材料抗?jié)B水性的測(cè)試方法，較方法一和二更偏重于液態(tài)水的阻隔性測(cè)試。試驗(yàn)儀器由一個(gè)帶試樣夾持裝置的敞口容器和壓力計(jì)組成。敞口容器上部試樣的測(cè)試面積為100cm2，底部設(shè)計(jì)一個(gè)進(jìn)水口，容器上方有一個(gè)孔徑周長(zhǎng)不大于3cm，由直徑為0.1cm～0.12cm的金屬絲制成，用于防止試樣變形的金屬網(wǎng)。打開進(jìn)水閥，注入水流直至溢出為止，將試樣測(cè)試面朝下夾持在容器上，裝上金屬網(wǎng)。再次打開進(jìn)水閥使容器中的壓力在1min±10s內(nèi)加壓至規(guī)定壓力值（此值應(yīng)≤30kPa），調(diào)節(jié)進(jìn)水閥保持此壓力2min±10s。觀察試樣暴露在空氣中的部分是否有滲水點(diǎn)。按此試驗(yàn)五個(gè)試樣，若均未出現(xiàn)水滲透點(diǎn)，即試樣材料通過(guò)測(cè)試。除此之外，也可照此法測(cè)定橡膠材料的最終靜水壓值，以一定的速率持續(xù)增壓，直到試樣出現(xiàn)水滲透點(diǎn)為止，記錄此時(shí)的靜水壓值，最終取五個(gè)試樣的平均值。

綜上所述，當(dāng)橡膠材料作為密封和防護(hù)材料實(shí)際應(yīng)用時(shí)，其阻水性的高低對(duì)水蒸氣和液態(tài)水的滲透影響有著極其重要的作用。目前，橡膠阻水性的測(cè)試多采用上述三種方法，囊括了水蒸氣的滲透測(cè)試和液態(tài)水的滲透測(cè)試，針對(duì)性強(qiáng)，覆蓋面廣，操作簡(jiǎn)單，對(duì)橡膠材料的性能控制和改進(jìn)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

［1］HGT 2944-2011，食品容器橡膠墊片［S］.

［2］YBB00222004-2015，口服制劑用硅橡膠膠塞、墊片［S］.

［3］GB 7594 3-1987，電線電纜橡皮絕緣和橡皮護(hù)套［S］.

Comparison on Three Methods of Waterproofness Test of Rubber

Labthink Instruments Co.， Ltd. Fan Jun

Abstract：When the rubber is used as sealing and shielding material， the waterproofness i.e. barrier property against water vapor and liquid water is critical to its performance. Currently there are mainly three test methods for waterproofness test including permeation tests of water vapor and liquid water. It is easy to operate with those test methods， which are widely used in performance control and improvement of the rubber materials.

Keywords：Rubber， Waterproofness， Gravimetric Method