密封包裝（封套類）透濕率測試方法的研究

魏群峰 陳志強(qiáng)

摘要：目的-研究密封包裝（封套類）透濕率測試的方法。方法-比較現(xiàn)有透濕率測試方法的優(yōu)劣性，探討適合密封包裝（封套類）的測試方法。結(jié)果-相較于傳統(tǒng)的透濕率測試方法，利用專業(yè)溫濕度自動記錄儀器，在試驗過程中實時監(jiān)測試樣內(nèi)部溫濕度變化，利用相對濕度差計算結(jié)果，確保試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。此外，利用干燥氮氣作為補充氣體，有效避免其他氣體對試驗參數(shù)的干擾。結(jié)論-利用溫濕度傳感器測試透濕率的方法測試簡單，易于實施，試驗數(shù)據(jù)可靠，可用于目前大部分密封包裝整體透濕率的測定。

關(guān)鍵詞：透濕率；密封包裝；傳統(tǒng)方法；溫濕度自動記錄儀器

中圖分類號：TS02 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1400 （2020） 05-0051-05

Study on The Method of Determining the Moisture Permeability of Sealed Packaging

WEI Qun-feng， CHEN Zhi-qiang（China Packaging Research Institute Co，.Ltd. Tianjin 300457， China）

Abstract： Objective-To study the method for the determination of moisture permeability of sealed packages （envelope type）. Methods-Compared the advantages and disadvantages of the existing methods for measuring moisture permeability， and discusses the testing methods suitable for sealed packaging （envelopment type）. Results-Compared with the traditional test method， by using professional automatic temperature and humidity recording instruments， the temperature and humidity inside the sample was monitored in real time during the test， and the relative humidity difference was used to ensure the accuracy of the test data. Besides， in order to avoid other gases interference to the test effectively， dry nitrogen was selected as the supplementary gas. Conclusion-The test method is simple， easy to implement， the test data is reliable， and the most sealed packages moisture permeability can be determined with this method.

Keywords： moisture permeability； sealed package； traditional methods； automatic temperature and humidity recording instrument

隨著包裝設(shè)計的發(fā)展，無論是軍品包裝還是民品包裝對密封包裝的要求也愈加嚴(yán)格。本文以封套類包裝為例，在和平時期，相當(dāng)數(shù)量的軍事裝備需要滿足長期儲存的要求，為達(dá)到除濕，除氧，防銹的防護(hù)效果，大多會采用高阻隔性的軟體封套作為包裝載體[1]。封套材料自身具有一定的透濕率，透濕率的大小直接關(guān)系到野戰(zhàn)裝備的封存效果，透濕率越大則證明封存效果越差[2]。因此透濕率可以作為驗證密封包裝防護(hù)效果的重要參數(shù)。

在實際的儲存過程中，貨物往往需要經(jīng)歷復(fù)雜的氣候環(huán)境，包括低溫、高濕、高溫高濕等。為了在較短時間內(nèi)得到包裝防潮阻隔性能的試驗數(shù)據(jù)，可以通過實驗室試驗測試透濕率的方法。

根據(jù)國標(biāo)《GB/T 16928-1997包裝材料試驗方法 透濕率》中規(guī)定，透濕率就是指試驗材料保持在恒定的溫度下，將其一面暴露在高相對濕度條件時，在規(guī)定時間內(nèi)透過單位面積試驗材料的水氣質(zhì)量，以g/（m2·24h）[3]表示。國標(biāo)《GB/T 6981-2003硬包裝容器透濕度試驗方法》規(guī)定透濕度就是在規(guī)定的濕熱試驗大氣條件和時間下，測試侵入內(nèi)部空氣保持干燥狀態(tài)的硬質(zhì)包裝容器內(nèi)的水蒸氣量。單位是g/m2·d[4]。

1 傳統(tǒng)密封包裝透濕率測試方法

針對傳統(tǒng)的透濕率測試方法，目前主要分為兩大類，一類是針對成片材料的測試方法，另一類是針對整體密封容器的測試方法。兩類方法所針對的測試載體雖有不同，但是其測試原理卻是相似的，下面就幾種標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的測試方法做簡要介紹。

針對片材的標(biāo)準(zhǔn)：

《GB/T 16928-1997 包裝材料試驗方法 透濕率》

方法A：將試驗材料密封在裝有干燥劑的透濕杯口部，使水氣不能在試樣邊緣或通過試樣邊緣滲入。將封有試樣的透濕杯稱量后放入恒溫恒濕箱（設(shè)置規(guī)定的試驗條件）內(nèi)，選擇合適的時間間隔進(jìn)行連續(xù)稱量，將稱量的重量變化與時間的關(guān)系作成圖表。

方法B：將試驗材料制作成試樣袋，再將干燥劑放置在由制袋材料制成的干燥劑袋子中。把封合好的干燥劑袋裝入試樣袋，并將袋口封合后放入恒溫恒濕箱（設(shè)置規(guī)定的試驗條件）內(nèi)，經(jīng)過規(guī)定的平衡時間后，將袋子取出，在試樣短邊切去10mm窄條，將干燥劑袋取出，換入稱量過的新的干燥劑袋重新密封后，放入恒溫恒濕箱內(nèi)，記錄此時時間為開始時間，到達(dá)規(guī)定的暴露時間后，將干燥劑袋取出稱量。最后沿中心線測量試樣袋的內(nèi)部長度和寬度。

最終的計算結(jié)果可通過式（1）進(jìn)行計算。

針對整體包裝的標(biāo)準(zhǔn)：

《GB/T 6981-2003硬包裝容器透濕度試驗方法》

以可重復(fù)密封的硬質(zhì)包裝容器為例，將干燥劑裝入金屬網(wǎng)、纖維紙或細(xì)布袋內(nèi)，也可裝入其他不吸收水汽的貯器內(nèi)，將適量干燥劑網(wǎng)袋或干燥劑貯器（蓋取下后）放在試樣的中心處，然后密封試樣。隨后將試樣放置在試驗箱內(nèi)，預(yù)熱至40℃后進(jìn)行濕熱試驗，在適當(dāng)?shù)拈g隔時間定期取出稱量貯器進(jìn)行稱量，記錄增量隨時間的變化，至少記錄三個連續(xù)的測試點使之成為一條直線，此時直線的斜率即為穩(wěn)定增量速率期間的透濕度值。

《GB/T 6982-2003軟包裝容器透濕度試驗方法》[5]

與《GB/T 6981-2003硬包裝容器透濕度試驗方法》試驗要求類似。

《GJB 1444-92彈藥包裝通用規(guī)范》[6]

硬質(zhì)包裝容器透濕度的測定方法就是將裝有干燥劑的袋子放在對應(yīng)的稱量袋中（密封后）逐個稱量，將稱量后的干燥劑從稱量袋中取出，立即放入容器的中央或偏底部位置。將試樣密封后放入恒溫恒濕試驗箱內(nèi)，預(yù)熱至40℃后進(jìn)行吸濕試驗。48h后取出3個試樣（作空白試樣），冷卻至室溫后，將干燥劑袋取出放入對應(yīng)稱量袋（密封后）進(jìn)行逐個稱量。經(jīng)過30d的試驗后，將剩余的3個試樣取出，按照上述方法進(jìn)行逐個稱量。最后按照式（2）進(jìn)行計算。結(jié)果評定：以3個試樣的平均值來評定容器的透濕度。

式中：Rc—透濕度g/m2·30d

W1—試驗結(jié)束試驗樣品內(nèi)干燥劑含袋重量，g

W2—試驗樣品內(nèi)干燥劑含袋的初始重量，g

W3—48h后3個空白試樣內(nèi)干燥劑含袋重量的平均值，g

W4—3個空白試樣內(nèi)干燥劑含袋的初始重量平均值，g

A—容器的表面積，m2

T—48h后，剩余試驗樣品繼續(xù)試驗的時間，h。

《GB/T 31355-2014包裝件和容器水蒸氣透過性測試方法 紅外傳感器法》[7]

將待測試樣安裝在儀器的包裝件試驗支架上，用環(huán)氧樹脂將試樣與試驗支架連接處密封，將待測試樣安裝于恒溫恒濕（已知溫濕度）裝置中，向試樣內(nèi)充入干燥的載氣，用以吹凈試樣內(nèi)的空氣，按照規(guī)定的時間和步驟吹掃完畢后調(diào)節(jié)載氣流量到選定值（與所選參考膜校正時相同），保持流量穩(wěn)定。試驗開始后，電壓輸出值的變化在5%以內(nèi)時，試驗達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，記錄此時的電壓輸出值。利用式（3）來計算最終結(jié)果。

式中：

R—試樣的水蒸氣透過率，單位為克每天（g/d）；

ES—試樣測試穩(wěn)態(tài)時輸出電壓，單位為毫伏（mV）；

E0—試驗前零電壓，單位為毫伏（mV）；

ER—參考膜測試穩(wěn)態(tài)時的輸出電壓，單位為毫伏（mV）；

注：儀器的校正參數(shù)C與校正時使用的參考膜有關(guān)，新型的檢測設(shè)備可自動計算水蒸氣透過率。

以上傳統(tǒng)的試驗方法中，對于試驗的條件有著不同的規(guī)定，如表1所示：

傳統(tǒng)的測試方式多是通過比較干燥劑在試驗前后的重量變化而得到的。雖然操作簡單，但是在此過程中，都需要人為的操作，而這難免會引入測量的偏差。同樣，用來稱量的設(shè)備精度也會對試驗結(jié)果造成較大的影響。更重要的是，以上方法中在恒溫恒濕箱中的試驗時間過長，也會極大的影響試驗的效率。紅外傳感器測試方法雖然排除了干燥劑法的影響因素，但是其操作復(fù)雜，對試驗儀器要求很高。那么針對密封包裝，如何高效且準(zhǔn)確的獲得透濕率呢？針對實際使用的封套包裝密封效果，不應(yīng)使用材料透濕率單一的評價，因為還要考慮實際包裝過程的操作，封套包裝密封結(jié)構(gòu)對整體封套包裝密封效果的影響，故應(yīng)用溫濕度傳感器方法檢測封套包裝整體的密封性能與實際情況更接近，從完全模擬環(huán)境實際情況的角度，溫濕度傳感器方法準(zhǔn)確性更好。

2 新型密封包裝透濕率測試方法

由于封套類密封包裝首先在材質(zhì)上是復(fù)合材料，其次在結(jié)構(gòu)上它是由多種封套材料及配件構(gòu)成的。利用傳統(tǒng)方法測試的透濕率數(shù)據(jù)，在一定程度上是不可靠的。因此由楊萬均等提出了一種基于傳感技術(shù)的密封包裝容器透濕度測試方法[8]，其原理是利用高精度的溫濕度傳感器，測試一定溫度下包裝內(nèi)部相對濕度變化，再由公式計算出結(jié)果。研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)方法相比，新型方法的結(jié)果誤差僅為2%左右。是可以應(yīng)用于密封包裝容器的透濕率測試的。針對此種方法是否可以應(yīng)用于封套類的測試呢，下面我們就通過一組試驗來考察此種方法的實際操作性。

2.1試驗樣品及設(shè)備

試驗樣品為折疊式防護(hù)封套，拉鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，上下有頂襯，在不使用時樣品可處于折疊狀態(tài)，使用時需利用支撐管搭建框架結(jié)構(gòu)，并將其放入封套內(nèi)。試驗開始前，需將試樣展開成使用狀態(tài)。

本次試驗的溫濕度自動記錄儀采用的是由美國Onset公司生產(chǎn)的U12-011記錄儀。記錄儀尺寸：58mm×74mm×22mm，重量46g。溫度測量范圍-20.0℃～70.0℃，相對濕度測量范圍：5.0%RH～95.0%RH。

本次試驗的試驗箱選用的是由重慶銀河試驗儀器有限公司生產(chǎn)的步入式溫箱?？蓪崿F(xiàn)溫度，濕度的精準(zhǔn)控制。溫度范圍：-60.0℃～85.0℃。相對濕度范圍：20.0%RH～98.0%RH。

2.2試驗過程

利用分析軟件將溫濕度自動記錄儀設(shè)定為每10min記錄一次。記錄儀成功開啟后，將記錄儀用線繩固定懸于試樣內(nèi)，位置選擇在試樣的物理中心。

在試驗箱中再放置一部記錄儀，位置盡量靠近試樣，以便比較試樣內(nèi)外側(cè)溫濕度變化。

將試樣密封后，利用抽氣泵連接試樣上的通氣孔，盡可能的將試樣內(nèi)的空氣抽出，隨后向其內(nèi)部充入干燥的氮氣至試樣處于平衡狀態(tài)。使試樣與外部形成明顯的濕度差。重復(fù)上述步驟3次。

將處理好的試樣放置于試驗條件為溫度38.0℃，相對濕度90.0%RH的試驗箱內(nèi)，試驗時間為7d。為了剔除由于溫度引起的相對濕度梯度誤差，要選擇試樣內(nèi)外溫度達(dá)到平衡時的時間作為透濕率試驗的開始時間[8]。

試驗結(jié)束后，讀取溫濕度自動記錄儀中的數(shù)據(jù)。得到當(dāng)試驗開始時試樣內(nèi)的相對濕度為8.8%RH，及試驗結(jié)束時試樣內(nèi)的相對濕度為28.6%RH。利用以下計算公式進(jìn)行運算。

2.3 結(jié)果計算

不同溫度下空氣中飽和水分含量可根據(jù)有關(guān)文件獲得。透濕率可用式（4）進(jìn)行計算：

式中：

Qr—透濕率（g/m2d）

dv—不同溫度下空氣中飽和水分含量（g/m3）

V—試樣容積（m3）

RH前—試驗開始時試樣內(nèi)的相對濕度

RH后—試驗結(jié)束時試樣內(nèi)的相對濕度

t—溫濕度試驗時間（d）

S—試樣暴露的表面積（m2）

在38℃時的飽和水分含量為46g/m3，試樣容積為3.05m3，試樣暴露的表面積為10.53m2。由公式（4）可以得出，本次測試的透濕率為0.38g/m2d。

3 結(jié)語

隨著科技的進(jìn)步，傳統(tǒng)的透濕率測試方法因其結(jié)果偏差較大，操作復(fù)雜等原因勢必會做出改進(jìn)。通過試驗驗證，證明利用溫濕度自動記錄儀測量并計算透濕率的方法，可以很好的適用于封套類包裝。其特點是：一方面保證了試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，有效克服了傳統(tǒng)方法的技術(shù)局限[8]，另一方面使用了常規(guī)的試驗儀器，降低了試驗難度，易于實施。由此可見，該方法可以滿足大部分體積較大且材料復(fù)雜的密封包裝的透濕率測定，為測試密封包裝的防潮阻隔性能提供了重要參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張春和，郭建杰，張眾杰.后勤裝備整裝封套封存技術(shù)與防護(hù)效果評價[J].包裝工程，2017，38（19）164-167.

[2] 段志強(qiáng)，易建政，宣兆龍.野戰(zhàn)彈藥封套材料的透濕率指標(biāo)論證[J].包裝工程，2004，25（1）：55-56.

[3] GB/T 16928-1997 包裝材料試驗方法 透濕率[S].

[4] GB/T 6981-2003 硬包裝容器透濕度試驗方法[S].

[5] GB/T 6982-2003 軟包裝容器透濕度試驗方法[S].

[6] GJB 1444-92 彈藥包裝通用規(guī)范[S].

[7] GB/T 31355-2014 包裝件和容器水蒸氣透過性測試方法 紅外傳感器法[S].

[8] 楊萬均，魏小琴，肖敏等.基于傳感技術(shù)的密封包裝容器透濕度測試方法研究[J].包裝工程，2011，32（11）：45-47，75.