透聲橡膠的水密性能測(cè)試方法研究

苗志軍 肖玉龍

（1 天津市橡膠工業(yè)研究所有限公司天津300384）

（2 大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院遼寧大連116021）

0.前言

透聲橡膠多用于各種聲吶探測(cè)裝置的換能器和聲學(xué)基陣的導(dǎo)流罩和透聲窗，主要起到透聲、水密和降低噪聲等功能，在聲學(xué)性能上需滿足以下兩點(diǎn)性能要求：（1）橡膠的特性聲阻抗值要與聲波的傳播介質(zhì)水的特性聲阻抗值相匹配；（2）聲波通過(guò)橡膠時(shí)，橡膠本身對(duì)聲波的損耗要小[1]。

隨著聲吶探測(cè)裝置在水中使用周期的日益增長(zhǎng)，對(duì)透聲橡膠本身的水密性能（透水率）要求也越來(lái)越高。由于透聲橡膠材料自身具有一定的吸水性和透水性，當(dāng)聲吶長(zhǎng)期浸泡在水中時(shí)，水分子將緩慢滲透到橡膠材料中，直觀表現(xiàn)為換能器絕緣電阻的下降。絕緣電阻下降到一定程度時(shí)，將嚴(yán)重影響聲吶的性能，并導(dǎo)致其可靠性和壽命的降低。對(duì)于發(fā)射換能器而言，較為明顯的表現(xiàn)為：電流過(guò)載，發(fā)射機(jī)將不能有效的對(duì)換能器施加電壓，聲源級(jí)下降，甚至將燒毀發(fā)射機(jī)[2]。

目前國(guó)內(nèi)水聲領(lǐng)域常用的透聲橡膠按膠種不同可分為氯化丁基橡膠CIIR、氯丁橡膠CR、天然橡膠NR 和聚氨酯橡膠PUR 等，其水密性能優(yōu)劣順序?yàn)椋篊IIR＞CR、NR＞PUR[3]，具體測(cè)試結(jié)果由我單位技術(shù)人員在上世紀(jì)80 年代初測(cè)試完成，具體測(cè)試結(jié)果列于表1[4]。

表1 常見(jiàn)透聲橡膠的透水系數(shù)

1.橡塑行業(yè)常見(jiàn)的透水系數(shù)相關(guān)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

橡膠行業(yè)中關(guān)于液體透過(guò)速率的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 12585-2001《硫化橡膠或熱塑性橡膠橡膠片材和橡膠涂覆織物揮發(fā)性液體透過(guò)速率的測(cè)定（質(zhì)量法）》，該標(biāo)準(zhǔn)的使用范圍為僅限于大于0.1g/m2·h 的透過(guò)速率的測(cè)定[5]，而常見(jiàn)透聲橡膠的透水系數(shù)遠(yuǎn)低于0.1g/m2·h，因此GB/T 12585-2001 不適合用來(lái)測(cè)試透聲橡膠的透水系數(shù)。

在藥品和食品行業(yè)中，水蒸氣的滲透能夠給包裝內(nèi)容物的質(zhì)量帶來(lái)顯著影響，例如濕度過(guò)大使藥品吸濕而發(fā)生潮解、分解、發(fā)霉、變形等，濕度太小又可以促使藥品風(fēng)化，這些都能夠嚴(yán)重影響藥品的品質(zhì)。對(duì)于食品，水能促使微生物的繁殖，助長(zhǎng)油脂的氧化分解，促使褐變反應(yīng)和色素氧化，而且水分還能使有些食品受潮而發(fā)生結(jié)晶、干結(jié)硬化或結(jié)塊，一些食品還能因吸水吸濕而失去脆性和香味等[6]。因此相關(guān)的包裝商、材料供應(yīng)商、產(chǎn)品制造商以及各檢測(cè)機(jī)構(gòu)，對(duì)透濕性檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)設(shè)備等進(jìn)行了深入研究，透聲橡膠的透水性能測(cè)試可參考藥品和食品行業(yè)包裝材料的水蒸氣透過(guò)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

塑料包裝行業(yè)常見(jiàn)的水蒸氣透過(guò)性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)有：

GB 1037-1988《塑料薄膜和片材透水蒸氣性試驗(yàn)方法杯式法》，

GB/T 21529-2008《塑料薄膜和薄片水蒸氣透過(guò)率的測(cè)定電解傳感器法》，

GB/T 26253-2010《塑料薄膜和薄片水蒸氣透過(guò)率的測(cè)定紅外檢測(cè)器法》；

對(duì)應(yīng)的ISO 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)有：

ISO 15106-2：2003 ，《 Plastics film and sheeting--Determination of water vapor transmission rate--Part 2：Infrared detection sensor method》，

ISO 15106-3：2003 ，《 Plastics film and sheeting--Determination of water vapor transmission rate--Part 3：Electrolytic detection sensor method》；

以及ASTM 標(biāo)準(zhǔn)有：

ASTM E 96 《Standard test methods for water vapor transmission of materials》，

ASTM F 372 《Standard test method for water vapor transmission rate of flexible barrier materials using an infrared detection technique》等。

由此可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于水蒸氣透過(guò)性能的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，主要分為稱重法和傳感器法兩大類。

2.稱重法GB 1037-1988 標(biāo)準(zhǔn)的介紹和評(píng)價(jià)

前言表1 中列出的透聲橡膠的透水系數(shù)就是參考標(biāo)準(zhǔn)GB 1037 測(cè)得的結(jié)果。因此下面對(duì)GB 1037-1988 的測(cè)試原理、步驟、缺點(diǎn)等詳細(xì)介紹。

圖1為GB 1037-1988標(biāo)準(zhǔn)中使用的透濕杯的組裝圖[7]。

圖1 透濕杯的組裝圖

稱重法的測(cè)試原理：在規(guī)定的溫度條件下，在試樣兩側(cè)保持一定的水蒸氣壓差，然后利用分析天平把透濕杯的重量變化稱出來(lái)，再根據(jù)試樣的面積、厚度、稱量間隔時(shí)間以及試樣兩側(cè)的濕度差計(jì)算出材料的透濕性能參數(shù)。由于其特征測(cè)試元件是透濕杯，所以又叫杯式法。

GB 1037-88 中規(guī)定的試驗(yàn)步驟如下：

（1）將干燥劑放入清潔的杯皿中，其加入量應(yīng)使干燥劑距試樣表面約3mm 為宜。

（2）將盛有干燥劑的杯皿放入杯子中，然后將杯子放到杯臺(tái)上，試樣放在杯子正中，加上杯環(huán)后，用導(dǎo)正環(huán)固定好試樣的位置，再加上壓蓋。

（3）小心地取入導(dǎo)正杯，將熔融的密封蠟澆灌在杯子的凹槽中。密封蠟?zāi)毯蟛辉试S產(chǎn)生裂紋及氣泡。

（4）待密封蠟?zāi)毯?，取下壓蓋和杯臺(tái)，并清除粘在透濕杯邊及底部的密封蠟。

（5）稱量封好的透濕杯。

（6）將透濕杯放入已調(diào)好濕度、濕度的恒溫恒濕箱中，16h 后從箱中取出來(lái)，注入23±2℃環(huán)境下的干燥器中，平衡30min 后進(jìn)行稱重（以后每次稱重前均應(yīng)進(jìn)行上述平衡步驟）。

（7）稱重后將透濕杯重新放入恒溫恒濕箱內(nèi)，以后每?jī)纱畏Q重的間隔時(shí)間為24、48 或96h。

（8）重復(fù)步驟（7），直接前后兩次質(zhì)量增量相差不大于5%時(shí)，方可結(jié)束試驗(yàn)。

在實(shí)際的測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試結(jié)果受測(cè)試過(guò)程中環(huán)境變化、操作人員經(jīng)驗(yàn)和操作方法以及干燥劑、密封蠟等因素影響大，精度相對(duì)較低[8]。

以GB 1037 中試驗(yàn)條件A 為例，在溫度為38℃、相對(duì)濕度90%的試驗(yàn)環(huán)境中，試樣承受的從外到內(nèi)的滲透壓理論值為90%，假如稱量環(huán)境為23℃、60%RH，則稱量時(shí)試樣承受的滲透壓變?yōu)?0%RH，破壞了試樣原來(lái)的滲透率平衡和擴(kuò)散平衡；另外在試驗(yàn)過(guò)程中透濕杯外部會(huì)附有水珠，在測(cè)量杯重時(shí)需要把透濕杯放置在干燥器中，把杯外的水珠干燥平衡后30min 才可以進(jìn)行稱重，而這個(gè)階段可能會(huì)使杯內(nèi)已吸取的水蒸汽往外滲出，造成結(jié)果不準(zhǔn)確。

對(duì)吸濕量較大的試樣，由于操作者的個(gè)人習(xí)慣，如稱量動(dòng)作不夠迅速、振動(dòng)干燥劑不夠充分等，會(huì)使得實(shí)驗(yàn)過(guò)程中試樣兩側(cè)難以長(zhǎng)時(shí)間地保持穩(wěn)定的水蒸氣壓差，影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。

雖然GB 1037 規(guī)定了干燥劑吸濕總量不得超過(guò)10%，但增量達(dá)7～9%時(shí)，其透濕杯內(nèi)部的濕度也必然發(fā)生變化，這使得實(shí)驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中試樣兩側(cè)是不可能保持穩(wěn)定的水蒸氣壓差，影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。

透濕杯采用密封蠟密封可靠性差，密封蠟的組成及其質(zhì)量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有較大影響；同時(shí)，密封時(shí)對(duì)試樣邊緣的處理，尤其是對(duì)較厚的試樣，倘若處理不好，就會(huì)成為試樣誤差的一個(gè)來(lái)源。

綜上所述，GB 1037-1988《塑料薄膜和片材透水蒸氣性試驗(yàn)方法杯式法》不適合水蒸氣透過(guò)率較小的材料，建議水蒸氣透過(guò)率在2 g/(m2·24h)以上的材料使用此方法測(cè)試[9]。

3.傳感器法測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的介紹和評(píng)價(jià)

電解分析法和紅外檢測(cè)器法均隸屬于傳感器法，其測(cè)試儀器結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2 和圖3。

圖2 電解傳感器法水蒸氣透過(guò)率測(cè)試儀器結(jié)構(gòu)示意圖

電解傳感器法測(cè)試原理：將試樣裝夾到滲透腔內(nèi)后，試樣將滲透腔分為干腔和濕腔（濕度可調(diào)）。在干腔中有干燥的載氣流通過(guò)，從濕腔透過(guò)試樣的水蒸氣由載氣攜帶到電解池內(nèi)，電解為氫氣和氧氣，根據(jù)電解電流計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)透過(guò)單位面積試樣的水蒸氣量[10]。

圖3 紅外透濕儀示意圖

紅外檢測(cè)器法測(cè)試原理：當(dāng)樣品置于測(cè)試腔時(shí)，樣品將測(cè)試腔隔為兩腔。樣品一邊為低濕腔，另一邊為高濕腔，里面充滿水蒸氣其溫度已知。由于存在一定的濕度差，水蒸氣從高濕腔通過(guò)樣品滲透到低濕腔，由載氣傳送到紅外檢測(cè)器產(chǎn)生一定量的電信號(hào)，當(dāng)試驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，通過(guò)輸出的電信號(hào)計(jì)算出樣品的水蒸氣透過(guò)率[11]。

紅外傳感器法測(cè)試水蒸氣透過(guò)量的下限可以達(dá)到0.005 g/m2·24h，電解傳感器法的測(cè)試下限可以達(dá)到0.00005 g/m2·24h，適用范圍更廣[12]。

4.展望

在水聲領(lǐng)域?qū)ν嘎曄鹉z的水密性日益關(guān)注的新形勢(shì)下，我單位作為透聲橡膠的傳統(tǒng)研制單位，即將對(duì)T-802（NR/CR 并用）、T-803（CR）、T-804（CR）、T-806（CIIR）和JA2S（PUR）等傳統(tǒng)透聲橡膠的透水系數(shù)依據(jù)測(cè)試精確度更高的傳感器方法進(jìn)行重新測(cè)試，以期提供精確的透水系數(shù)測(cè)試結(jié)果，供水聲領(lǐng)域相關(guān)設(shè)計(jì)人員參考，敬請(qǐng)期待。