壓力差對薄膜材料氣體透過量測試結(jié)果的影響分析

于佳佳 陳欣 高翠玲 王恬

（1.濟南蘭光機電技術(shù)有限公司；2.山東省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院）

前 言

測試包裝材料氣體透過量的常用方法分為壓差法、等壓法兩種。其中，壓差法是應(yīng)用時間最長的基礎(chǔ)方法[1]，該方法是利用薄膜兩側(cè)的壓力差（簡稱“壓差”）實現(xiàn)氣體從薄膜的高壓側(cè)向低壓側(cè)滲透，并利用壓力傳感器監(jiān)測低壓側(cè)壓力隨時間的變化情況計算薄膜的氣體透過量；等壓法主要采用庫侖計法，試驗過程中薄膜兩側(cè)為壓力相等的待測氣體氧氣與載氣氮氣，氧氣在濃度差的作用下通過試樣滲透到氮氣側(cè)，并被氮氣攜帶至庫侖傳感器處進行定量分析，從而得到試樣的氧氣透過量。根據(jù)上述測試原理，兩種方法的對比分析詳見表1。

表1 氣體透過量測試方法之間的比較

在氣體透過量的兩種測試方法中，壓差法監(jiān)測的是氣體壓力變化情況，可測試氣體不受傳感器的限制，可用于多種不同種類氣體的滲透性能測試，適用范圍極廣；非消耗型的壓力傳感器決定了該方法可用于高透氣性材料的測試，且設(shè)備使用壽命長；另外，隨著壓力傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，壓差法設(shè)備的檢測精度已達到10-2cm3/(m2·24h·0.1MPa)。由此可見，壓差法是一種可同時兼顧高透過量與高阻隔性材料、可測試多種氣體滲透性能的試驗方法。

然而，隨著材料種類的增多，尤其是含有鍍層、涂層類材料的研發(fā)及應(yīng)用，引發(fā)了對氣體透過量測試結(jié)果的擔(dān)憂，如試驗過程中試樣兩側(cè)的壓力差是否會破壞材料整體或鍍（涂）層結(jié)構(gòu)，是否會引起材料形變（例如厚度、面積的變化）。本文采用壓差法測試儀器對幾種不同材質(zhì)與阻隔性的薄膜材料氧氣透過量進行重復(fù)性測試，驗證壓差是否會影響材料的阻隔性測試。

1.試驗材料與設(shè)備

1.1 試驗樣品

本文以厚度均勻且無質(zhì)量問題的PET薄膜、VMPET薄膜、KPET薄膜、SiOx-PET薄膜為試驗樣品，分別編號為1#、2#、3#、4#。

1.2 試驗設(shè)備

采用VAC-V2壓差法氣體滲透儀（濟南蘭光機電技術(shù)有限公司研發(fā)生產(chǎn)）進行氧氣透過量重復(fù)性測試。

2.試驗方法

在GB/T 2918規(guī)定的測試條件下，分別測試四種樣品在常溫23℃下及PET薄膜樣品在較高溫度40℃下的氧氣透過量，每個樣品均重復(fù)測試5次。由于溫度對鍍層結(jié)構(gòu)的影響未可知，故而僅對普通的PET薄膜進行較高溫度下的測試。試驗過程依據(jù)GB/T 1038-2000《塑料薄膜和薄片氣體透過性試驗方法 壓差法》[2]進行。

2.1 裁樣

用專用取樣器從四種樣品表面各裁取3片直徑為97mm的試樣。每次測試取3片試樣的算術(shù)平均值。

2.2 裝樣

在設(shè)備的三個測試腔周邊均勻涂抹一層真空油脂，并在測試區(qū)域各放置一片直徑為65mm的濾紙，取其中一種樣品的3片試樣放置在設(shè)備的三個測試腔上，輕輕按壓試樣與測試腔周邊接觸位置，去除測試腔與試樣間的氣泡，然后擰緊上腔。

2.3 試驗

在控制軟件上設(shè)置試樣名稱、試驗?zāi)Ｊ?、試驗溫度、濕度、抽真空時間等參數(shù)信息，打開真空泵，點擊試驗開始選項，試驗開始。待設(shè)備按照設(shè)定參數(shù)完成試驗后，記錄設(shè)備顯示試驗結(jié)果。

2.4 重復(fù)測試

每次試驗結(jié)束后，將測試上腔打開數(shù)小時后再閉合擰緊，再重新打開真空泵，啟動試驗。

3.試驗結(jié)果與討論

3.1 重復(fù)性

四種樣品氧氣透過量重復(fù)測試結(jié)果見表2。

表2 四種樣品氧氣透過量重復(fù)測試的試驗結(jié)果

若壓力差對材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響而使其氣體透過量的測試結(jié)果出現(xiàn)偏差，那么隨著試驗次數(shù)的增多，各次試驗所測得氣體透過量的重復(fù)性較差。而實際情況可從表2中每種樣品的試驗結(jié)果看出，四種樣品5次重復(fù)性試驗的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在2%～4%范圍內(nèi)，且在40℃的較高試驗溫度下，PET樣品試驗結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差并未高于常溫23℃下的測試結(jié)果，即四種樣品連續(xù)測試5次所得氧氣透過量的平行性與重復(fù)性較好，離散性小，在較高溫度下PET樣品的測試結(jié)果無明顯差異。這說明常溫下壓力差并未對四種樣品的阻隔性能產(chǎn)生影響，在較高溫度下試樣發(fā)生軟化時，試樣兩側(cè)的壓力差亦未影響PET試樣的阻隔性。

3.2 波動性

若壓力差影響材料結(jié)構(gòu)，材料的氣體透過量則隨壓力差對其作用時間的延長而出現(xiàn)一定的規(guī)律性波動。從表2中數(shù)據(jù)可以看出，隨著測試次數(shù)的增多，樣品各次測試結(jié)果間并未出現(xiàn)明顯增加或減小的趨勢。為了更直觀的顯示四種樣品氧氣透過量隨測試次數(shù)的波動情況，繪制氧氣透過量隨試驗次數(shù)變化圖（如圖1所示）。從圖中可進一步看出，兩種試驗條件下，四種樣品5次連續(xù)重復(fù)性試驗所測得氧氣透過量均呈現(xiàn)出微小波動且波動并無規(guī)律可循。由此可見，隨著樣品在試驗壓差條件下放置時間的延長，四種樣品對氧氣的阻隔性能并未出現(xiàn)明顯的規(guī)律性變化，進一步說明基于壓差法原理的試驗并未對本次所研究的常溫與較高溫度下的普通PET薄膜、PET鍍鋁薄膜、K涂層PET薄膜及PET鍍氧化鋁薄膜四種樣品的結(jié)構(gòu)及阻隔性產(chǎn)生影響。

圖1 每種樣品氧氣透過量隨測試次數(shù)的變化情況

3.3 阻隔性趨勢比較

縱觀表2中的試驗數(shù)據(jù)，23℃下，四種樣品的氧氣透過量由大到小依次為1#、3#、2#、4#，1#樣品在40℃下的氧氣透過量明顯高于23℃的氧氣透過量。

四種樣品阻氧性能的高低趨勢主要與樣品結(jié)構(gòu)有關(guān)，與1#普通PET材料相比，2#、3#樣品因PET薄膜表面蒸鍍或涂布阻隔性更高的鋁層、PVDC材料而顯著提高阻隔性能，4#為近年來廣泛研究的高阻隔鍍氧化物透明薄膜，氧化物層的存在使其阻隔性可與含鋁箔類材料媲美[3]；不同溫度下樣品阻隔性的差異則與溫度升高增加了薄膜中可供氣體分子滲透的自由體積并提高了分子運動能力等因素有關(guān)[4]。故而，這種因材料結(jié)構(gòu)及試驗條件改變所引起的阻隔性變化趨勢也在基于壓差法原理的重復(fù)性測試過程中未被影響，且試驗結(jié)束后四種樣品的試樣測試區(qū)域均未出現(xiàn)明顯彎曲變形或者鍍層被破壞的現(xiàn)象，進一步說明了壓力差對含有鍍層或涂層的材料未有明顯影響。

結(jié) 論

本文利用壓差法原理在相同的抽真空時間下測試了 23℃時 PET、VMPET、KPET、SiOx-PET四種樣品及40℃時PET樣品的氧氣透過量。

連續(xù)重復(fù)測試5次所得的阻氧性能由高至低均依次為 SiOx-PET＞VMPET＞KPET＞PET 且 PET（23℃）＞PET(40℃)，這種阻隔性趨勢與樣品氧氣透過量的理論推導(dǎo)相符；同時，每個樣品5次測試結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均較低，離散性小，且各次測試值之間的微小波動也并非遵循規(guī)律性。因此，在基于壓差法原理的試驗過程中，在不同溫度下，薄膜兩側(cè)的0.1MPa壓差并不會影響本次所研究的薄膜材料結(jié)構(gòu)及其阻隔性能，進一步說明壓差法適用于穩(wěn)定材質(zhì)的薄膜材料及相應(yīng)的含有鍍層、涂層薄膜材料的氣體透過量測試。