透声橡胶的水密性能测试方法研究

苗志军 肖玉龙

（1 天津市橡胶工业研究所有限公司天津300384）

（2 大连船舶重工集团设计研究院辽宁大连116021）

0.前言

透声橡胶多用于各种声呐探测装置的换能器和声学基阵的导流罩和透声窗，主要起到透声、水密和降低噪声等功能，在声学性能上需满足以下两点性能要求：（1）橡胶的特性声阻抗值要与声波的传播介质水的特性声阻抗值相匹配；（2）声波通过橡胶时，橡胶本身对声波的损耗要小[1]。

随着声呐探测装置在水中使用周期的日益增长，对透声橡胶本身的水密性能（透水率）要求也越来越高。由于透声橡胶材料自身具有一定的吸水性和透水性，当声呐长期浸泡在水中时，水分子将缓慢渗透到橡胶材料中，直观表现为换能器绝缘电阻的下降。绝缘电阻下降到一定程度时，将严重影响声呐的性能，并导致其可靠性和寿命的降低。对于发射换能器而言，较为明显的表现为：电流过载，发射机将不能有效的对换能器施加电压，声源级下降，甚至将烧毁发射机[2]。

目前国内水声领域常用的透声橡胶按胶种不同可分为氯化丁基橡胶CIIR、氯丁橡胶CR、天然橡胶NR 和聚氨酯橡胶PUR 等，其水密性能优劣顺序为：CIIR＞CR、NR＞PUR[3]，具体测试结果由我单位技术人员在上世纪80 年代初测试完成，具体测试结果列于表1[4]。

表1 常见透声橡胶的透水系数

1.橡塑行业常见的透水系数相关的测试标准简介

橡胶行业中关于液体透过速率的测试标准为GB/T 12585-2001《硫化橡胶或热塑性橡胶橡胶片材和橡胶涂覆织物挥发性液体透过速率的测定（质量法）》，该标准的使用范围为仅限于大于0.1g/m2·h 的透过速率的测定[5]，而常见透声橡胶的透水系数远低于0.1g/m2·h，因此GB/T 12585-2001 不适合用来测试透声橡胶的透水系数。

在药品和食品行业中，水蒸气的渗透能够给包装内容物的质量带来显著影响，例如湿度过大使药品吸湿而发生潮解、分解、发霉、变形等，湿度太小又可以促使药品风化，这些都能够严重影响药品的品质。对于食品，水能促使微生物的繁殖，助长油脂的氧化分解，促使褐变反应和色素氧化，而且水分还能使有些食品受潮而发生结晶、干结硬化或结块，一些食品还能因吸水吸湿而失去脆性和香味等[6]。因此相关的包装商、材料供应商、产品制造商以及各检测机构，对透湿性检测标准、检测设备等进行了深入研究，透声橡胶的透水性能测试可参考药品和食品行业包装材料的水蒸气透过性能测试标准。

塑料包装行业常见的水蒸气透过性能检测标准有：

GB 1037-1988《塑料薄膜和片材透水蒸气性试验方法杯式法》，

GB/T 21529-2008《塑料薄膜和薄片水蒸气透过率的测定电解传感器法》，

GB/T 26253-2010《塑料薄膜和薄片水蒸气透过率的测定红外检测器法》；

对应的ISO 国际标准有：

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 标准有：

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。

由此可见，国内外关于水蒸气透过性能的测试标准，主要分为称重法和传感器法两大类。

2.称重法GB 1037-1988 标准的介绍和评价

前言表1 中列出的透声橡胶的透水系数就是参考标准GB 1037 测得的结果。因此下面对GB 1037-1988 的测试原理、步骤、缺点等详细介绍。

图1为GB 1037-1988标准中使用的透湿杯的组装图[7]。

图1 透湿杯的组装图

称重法的测试原理：在规定的温度条件下，在试样两侧保持一定的水蒸气压差，然后利用分析天平把透湿杯的重量变化称出来，再根据试样的面积、厚度、称量间隔时间以及试样两侧的湿度差计算出材料的透湿性能参数。由于其特征测试元件是透湿杯，所以又叫杯式法。

GB 1037-88 中规定的试验步骤如下：

（1）将干燥剂放入清洁的杯皿中，其加入量应使干燥剂距试样表面约3mm 为宜。

（2）将盛有干燥剂的杯皿放入杯子中，然后将杯子放到杯台上，试样放在杯子正中，加上杯环后，用导正环固定好试样的位置，再加上压盖。

（3）小心地取入导正杯，将熔融的密封蜡浇灌在杯子的凹槽中。密封蜡凝固后不允许产生裂纹及气泡。

（4）待密封蜡凝固后，取下压盖和杯台，并清除粘在透湿杯边及底部的密封蜡。

（5）称量封好的透湿杯。

（6）将透湿杯放入已调好湿度、湿度的恒温恒湿箱中，16h 后从箱中取出来，注入23±2℃环境下的干燥器中，平衡30min 后进行称重（以后每次称重前均应进行上述平衡步骤）。

（7）称重后将透湿杯重新放入恒温恒湿箱内，以后每两次称重的间隔时间为24、48 或96h。

（8）重复步骤（7），直接前后两次质量增量相差不大于5%时，方可结束试验。

在实际的测试过程中，测试结果受测试过程中环境变化、操作人员经验和操作方法以及干燥剂、密封蜡等因素影响大，精度相对较低[8]。

以GB 1037 中试验条件A 为例，在温度为38℃、相对湿度90%的试验环境中，试样承受的从外到内的渗透压理论值为90%，假如称量环境为23℃、60%RH，则称量时试样承受的渗透压变为60%RH，破坏了试样原来的渗透率平衡和扩散平衡；另外在试验过程中透湿杯外部会附有水珠，在测量杯重时需要把透湿杯放置在干燥器中，把杯外的水珠干燥平衡后30min 才可以进行称重，而这个阶段可能会使杯内已吸取的水蒸汽往外渗出，造成结果不准确。

对吸湿量较大的试样，由于操作者的个人习惯，如称量动作不够迅速、振动干燥剂不够充分等，会使得实验过程中试样两侧难以长时间地保持稳定的水蒸气压差，影响结果的准确性。

虽然GB 1037 规定了干燥剂吸湿总量不得超过10%，但增量达7～9%时，其透湿杯内部的湿度也必然发生变化，这使得实验过程当中试样两侧是不可能保持稳定的水蒸气压差，影响结果的准确性。

透湿杯采用密封蜡密封可靠性差，密封蜡的组成及其质量对试验结果有较大影响；同时，密封时对试样边缘的处理，尤其是对较厚的试样，倘若处理不好，就会成为试样误差的一个来源。

综上所述，GB 1037-1988《塑料薄膜和片材透水蒸气性试验方法杯式法》不适合水蒸气透过率较小的材料，建议水蒸气透过率在2 g/(m2·24h)以上的材料使用此方法测试[9]。

3.传感器法测试标准的介绍和评价

电解分析法和红外检测器法均隶属于传感器法，其测试仪器结构示意图见图2 和图3。

图2 电解传感器法水蒸气透过率测试仪器结构示意图

电解传感器法测试原理：将试样装夹到渗透腔内后，试样将渗透腔分为干腔和湿腔（湿度可调）。在干腔中有干燥的载气流通过，从湿腔透过试样的水蒸气由载气携带到电解池内，电解为氢气和氧气，根据电解电流计算单位时间内透过单位面积试样的水蒸气量[10]。

图3 红外透湿仪示意图

红外检测器法测试原理：当样品置于测试腔时，样品将测试腔隔为两腔。样品一边为低湿腔，另一边为高湿腔，里面充满水蒸气其温度已知。由于存在一定的湿度差，水蒸气从高湿腔通过样品渗透到低湿腔，由载气传送到红外检测器产生一定量的电信号，当试验达到稳定状态后，通过输出的电信号计算出样品的水蒸气透过率[11]。

红外传感器法测试水蒸气透过量的下限可以达到0.005 g/m2·24h，电解传感器法的测试下限可以达到0.00005 g/m2·24h，适用范围更广[12]。

4.展望

在水声领域对透声橡胶的水密性日益关注的新形势下，我单位作为透声橡胶的传统研制单位，即将对T-802（NR/CR 并用）、T-803（CR）、T-804（CR）、T-806（CIIR）和JA2S（PUR）等传统透声橡胶的透水系数依据测试精确度更高的传感器方法进行重新测试，以期提供精确的透水系数测试结果，供水声领域相关设计人员参考，敬请期待。