压力差对薄膜材料气体透过量测试结果的影响分析

于佳佳 陈欣 高翠玲 王恬

（1.济南兰光机电技术有限公司；2.山东省产品质量监督检验研究院）

前 言

测试包装材料气体透过量的常用方法分为压差法、等压法两种。其中，压差法是应用时间最长的基础方法[1]，该方法是利用薄膜两侧的压力差（简称“压差”）实现气体从薄膜的高压侧向低压侧渗透，并利用压力传感器监测低压侧压力随时间的变化情况计算薄膜的气体透过量；等压法主要采用库仑计法，试验过程中薄膜两侧为压力相等的待测气体氧气与载气氮气，氧气在浓度差的作用下通过试样渗透到氮气侧，并被氮气携带至库仑传感器处进行定量分析，从而得到试样的氧气透过量。根据上述测试原理，两种方法的对比分析详见表1。

表1 气体透过量测试方法之间的比较

在气体透过量的两种测试方法中，压差法监测的是气体压力变化情况，可测试气体不受传感器的限制，可用于多种不同种类气体的渗透性能测试，适用范围极广；非消耗型的压力传感器决定了该方法可用于高透气性材料的测试，且设备使用寿命长；另外，随着压力传感器技术的不断发展，压差法设备的检测精度已达到10-2cm3/(m2·24h·0.1MPa)。由此可见，压差法是一种可同时兼顾高透过量与高阻隔性材料、可测试多种气体渗透性能的试验方法。

然而，随着材料种类的增多，尤其是含有镀层、涂层类材料的研发及应用，引发了对气体透过量测试结果的担忧，如试验过程中试样两侧的压力差是否会破坏材料整体或镀（涂）层结构，是否会引起材料形变（例如厚度、面积的变化）。本文采用压差法测试仪器对几种不同材质与阻隔性的薄膜材料氧气透过量进行重复性测试，验证压差是否会影响材料的阻隔性测试。

1.试验材料与设备

1.1 试验样品

本文以厚度均匀且无质量问题的PET薄膜、VMPET薄膜、KPET薄膜、SiOx-PET薄膜为试验样品，分别编号为1#、2#、3#、4#。

1.2 试验设备

采用VAC-V2压差法气体渗透仪（济南兰光机电技术有限公司研发生产）进行氧气透过量重复性测试。

2.试验方法

在GB/T 2918规定的测试条件下，分别测试四种样品在常温23℃下及PET薄膜样品在较高温度40℃下的氧气透过量，每个样品均重复测试5次。由于温度对镀层结构的影响未可知，故而仅对普通的PET薄膜进行较高温度下的测试。试验过程依据GB/T 1038-2000《塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法 压差法》[2]进行。

2.1 裁样

用专用取样器从四种样品表面各裁取3片直径为97mm的试样。每次测试取3片试样的算术平均值。

2.2 装样

在设备的三个测试腔周边均匀涂抹一层真空油脂，并在测试区域各放置一片直径为65mm的滤纸，取其中一种样品的3片试样放置在设备的三个测试腔上，轻轻按压试样与测试腔周边接触位置，去除测试腔与试样间的气泡，然后拧紧上腔。

2.3 试验

在控制软件上设置试样名称、试验模式、试验温度、湿度、抽真空时间等参数信息，打开真空泵，点击试验开始选项，试验开始。待设备按照设定参数完成试验后，记录设备显示试验结果。

2.4 重复测试

每次试验结束后，将测试上腔打开数小时后再闭合拧紧，再重新打开真空泵，启动试验。

3.试验结果与讨论

3.1 重复性

四种样品氧气透过量重复测试结果见表2。

表2 四种样品氧气透过量重复测试的试验结果

若压力差对材料结构产生影响而使其气体透过量的测试结果出现偏差，那么随着试验次数的增多，各次试验所测得气体透过量的重复性较差。而实际情况可从表2中每种样品的试验结果看出，四种样品5次重复性试验的相对标准偏差在2%～4%范围内，且在40℃的较高试验温度下，PET样品试验结果的相对标准偏差并未高于常温23℃下的测试结果，即四种样品连续测试5次所得氧气透过量的平行性与重复性较好，离散性小，在较高温度下PET样品的测试结果无明显差异。这说明常温下压力差并未对四种样品的阻隔性能产生影响，在较高温度下试样发生软化时，试样两侧的压力差亦未影响PET试样的阻隔性。

3.2 波动性

若压力差影响材料结构，材料的气体透过量则随压力差对其作用时间的延长而出现一定的规律性波动。从表2中数据可以看出，随着测试次数的增多，样品各次测试结果间并未出现明显增加或减小的趋势。为了更直观的显示四种样品氧气透过量随测试次数的波动情况，绘制氧气透过量随试验次数变化图（如图1所示）。从图中可进一步看出，两种试验条件下，四种样品5次连续重复性试验所测得氧气透过量均呈现出微小波动且波动并无规律可循。由此可见，随着样品在试验压差条件下放置时间的延长，四种样品对氧气的阻隔性能并未出现明显的规律性变化，进一步说明基于压差法原理的试验并未对本次所研究的常温与较高温度下的普通PET薄膜、PET镀铝薄膜、K涂层PET薄膜及PET镀氧化铝薄膜四种样品的结构及阻隔性产生影响。

图1 每种样品氧气透过量随测试次数的变化情况

3.3 阻隔性趋势比较

纵观表2中的试验数据，23℃下，四种样品的氧气透过量由大到小依次为1#、3#、2#、4#，1#样品在40℃下的氧气透过量明显高于23℃的氧气透过量。

四种样品阻氧性能的高低趋势主要与样品结构有关，与1#普通PET材料相比，2#、3#样品因PET薄膜表面蒸镀或涂布阻隔性更高的铝层、PVDC材料而显著提高阻隔性能，4#为近年来广泛研究的高阻隔镀氧化物透明薄膜，氧化物层的存在使其阻隔性可与含铝箔类材料媲美[3]；不同温度下样品阻隔性的差异则与温度升高增加了薄膜中可供气体分子渗透的自由体积并提高了分子运动能力等因素有关[4]。故而，这种因材料结构及试验条件改变所引起的阻隔性变化趋势也在基于压差法原理的重复性测试过程中未被影响，且试验结束后四种样品的试样测试区域均未出现明显弯曲变形或者镀层被破坏的现象，进一步说明了压力差对含有镀层或涂层的材料未有明显影响。

结 论

本文利用压差法原理在相同的抽真空时间下测试了 23℃时 PET、VMPET、KPET、SiOx-PET四种样品及40℃时PET样品的氧气透过量。

连续重复测试5次所得的阻氧性能由高至低均依次为 SiOx-PET＞VMPET＞KPET＞PET 且 PET（23℃）＞PET(40℃)，这种阻隔性趋势与样品氧气透过量的理论推导相符；同时，每个样品5次测试结果的相对标准偏差均较低，离散性小，且各次测试值之间的微小波动也并非遵循规律性。因此，在基于压差法原理的试验过程中，在不同温度下，薄膜两侧的0.1MPa压差并不会影响本次所研究的薄膜材料结构及其阻隔性能，进一步说明压差法适用于稳定材质的薄膜材料及相应的含有镀层、涂层薄膜材料的气体透过量测试。