非织造布的水蒸气透过性能测试方法研究*

李 铭，黄晓钢，陈美珍

(广州质量监督检测研究院，广东 广州 510000)

非织造布又称“无纺布”，是针刺、水刺等非织造技术在传统纺织行业的创新产业化应用形成的细分行业。相比于传统的纺织品，非织造布主要具有三大优势：一是材料来源广泛，大多数化学纤维都可被用于非织造布生产；二是生产工艺灵活，易于实现多功能化，应用范围广泛，可拓展性强；三是生产流程少，生产时间较短，因而成本较低[1]。由于非制造布孔隙率高，且具备良好的过滤性能、透气性能、耐高温与耐腐蚀性，其被广泛应用于医疗行业(如医用口罩、一次性防护服、创可贴等)、婴幼儿纸尿裤、湿巾以及建筑材料中。据中国产业用纺织品行业协会统计，2019年我国非织造布的产量为646.9万吨，2020年我国非织造布的产量更是达到878.8万吨，同比增长35.9%[2]。

随着国内乃至国际市场对非织造布需求的快速增加，非织造布的应用范围也在不断扩大，因此建立对此类产品的各项性能检测方法以及相关标准体系十分重要，这将有利于国家与企业对产品进行监督管理，从而保证产品质量的稳定性，促进我国非织造布行业进一步向高科技、高质量迈进。作为医用口罩、医用防护服等产品的主要原材料，非织造布的细菌过滤性能、颗粒过滤性能等备受关注，相关国家标准也已建立发布[3-4]。然而除此之外，非织造布的透湿性能也是一项十分重要的指标。例如，婴幼儿纸尿裤的透湿性决定了其产品品质是否优良，若纸尿裤的无纺布层透湿性较差，则易导致婴儿出现皮肤过敏、湿疹等问题。因此，加强对非织造布透湿性能的监控具有重要的意义。

目前国内针对非织造布等高透过性材料的水蒸气透过性试验方法暂未发布，因此本文拟总结现有的针对同类或相似产品的水蒸气透过性测试方法，将多种试验方法进行对比分析，探讨适合非织造布水蒸气透过率的测试方法，为进一步制定相关标准提供参考。

1 称重法

1.1 增重法

1988年我国参照采用美国试验与材料协会标准ASTM E 96-80 《Standard Test Methods for Water Vapor Transmission of Materials》[5]，修订了GB 1037-1988《塑料薄膜和片材透水蒸气性试验方法 杯式法》[6]，用于对塑料薄膜、片材以及人造革的水蒸气透过性进行测定。方法的测试原理为在透湿杯中加入一定量的无水氯化钙作为吸湿剂，用密封蜡密封后，在一定的温湿度条件下，保持试样两侧的水蒸气压差，而后间隔一定时间称量透湿杯的重量，直至达到平衡，即可得到材料的水蒸气透过量等参数。本方法应用广泛，除了可用于薄膜类材料的检测，用于织物透湿性检测的 GB/T 12704.1-2009 《纺织品 织物透湿性试验方法 第1部分：吸湿法》[7]，采用的检测原理也是增重法。

增重法最早进行应用，原理简单，但也存在以下问题，即其吸湿能力有限。GB 1037-1988与GB/T 12704.1-2009均规定实验完成时干燥剂的吸湿总增量不得超过10%，GB/T 12704.1-2009还限定了适用范围为透湿率小于29000 g/(m2·24 h)的织物。因为如果材料的水蒸气透过量过大或者试验时间过长，干燥剂颗粒吸湿后易粘连板结，上层的无水氯化钙会失效导致实验误差增大。因此此方法或可用于透湿率小于29000 g/(m2·24 h)的非织造布的透湿性测试，若待测材料的透湿率更高，则此方法不适用。

1.2 减重法

减重法与增重法原理相似，均属于称重法。其原理是在透湿杯中加入蒸馏水，在特定的环境下，保持一定的温度和试样两侧的水蒸气压差，通过称量透湿杯的质量变化来测定一定时间内蒸馏水通过试样蒸发到环境中的量。参考织物透湿性能的检测标准，GB/T 12704.2-2009 《纺织品 织物透湿性试验方法 第2部分：蒸发法》[8]的检测原理也与减重法相同，此方法没有对测试样品的透湿率进行限制。

相比于增重法，减重法受外界因素影响较小，因此实验的精确度较高。但如果用于测定非织造布等高透过类材料，测试时间过长会导致透湿杯内的水蒸气大量挥发到外部，使得其饱和蒸气压不断降低，增大偏差，进而影响试验的精度。因此若使用减重法测量高透湿类材料，或应尽量缩短测量的时间间隔，以减小饱和蒸气压变化带来的误差，保证实验结果的可靠性。

2 传感器法

2.1 红外检测器法

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》[9]中使用红外检测器法来测定薄膜和薄片的水蒸气透过率。红外检测器主要由测试腔和红外传感器构成，其测试原理为：保持样品两侧的湿度差，水蒸气从高湿度的腔体渗透到低湿度的腔体，并通过载气传输到达红外检测器。由于水分子对红外光进行定量吸收，可由红外光的衰减程度计算材料的水蒸气透过率[10]。

红外检测器法使用的传感器为非消耗型，具有良好的稳定性与较强的抗干扰能力，可实现全自动操作，适用范围较广，具有明显的优势。但当待测试试样厚度较大时，传感器法的测试精度会大幅降低。同时，由于红外传感器有一定的检测量程，如果待测样的透湿率较大，可能会超出传感器的量程。目前市面上的红外传感器检测量程最大可达0.002～1000 g/(m2·24 h)，大部分可检测透过量在100 g/(m2·24 h)以上的材料。而非织造布的水蒸气透过量一般会更高，因此，若想通过红外检测器法测定透湿率较大的样品，则需要采取一些列的措施，如加大载气流量，或通过使用遮挡板减少试样面积等方法来实现[11]。

2.2 电解传感器法

除了红外检测器法，用于塑料薄膜等材料透湿性测试传感器法的还有电解传感器法。相关国家标准为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》[12]。电解传感器法的原理如下：将试样装夹到渗透腔内后，试样两侧存在湿度差。水蒸气从高湿度腔体透过试样后，被低湿度腔体中干燥的载气带到电解池，随后被电极表面的五氧化二磷吸收。通过向电极施加一定的电压，可将吸收的水电解为氢气和氧气，根据电解电流的数值，可得到试样的水蒸气透过量。

相较于非损耗型的红外检测器，电解传感器会随着使用时间的增长不断损耗。当样品阻隔性较低，透过的水蒸气量较大时，电极上的五氧化二磷会因吸水过多而失效，导致电解性能衰减。因此对电信号响应快速、灵敏度高的电解传感器法适用于阻隔性较好的样品，对于非织造布等高透过材料的透湿性测试是不适合的[13]。

2.3 相对湿度传感器法

除了上述比较成熟的几种水蒸气透过量测试方法，新型的透湿性测试方法也逐渐得到开发。2007年，黄建华[14]开发了一种用于织物透湿性测试的新型方法。其工作原理为，在织物上方覆盖一层PTFE保护膜，薄膜上方为一定量的蒸馏水，用以制造饱和水蒸气氛围。水蒸气透过织物后，会被保护膜下方流入的干燥氮气带到检测器，通过检测氮气气流的相对湿度可以得到试样的水蒸气透过量。与其他方法相比，此方法具有重复性好、分辨率高、测试速度快等优势。相似地，杨万均等[15]也提出可利用湿度传感器对包装容器的水蒸气透过性进行测试。工作原理为在一定温度下测试密闭容器中相对湿度的变化，从而得到包装容器的水蒸气透过量。相应水蒸气透过量计算公式如下：

其中，HR1、HR2分别为透湿前、后包装容器内部的相对湿度，RS为一定温度下空气的饱和湿度，V为包装容器的容积，A为包装容器的表面积，T为测试时间。

上述两种方法虽应用于不同材料的透湿性测试，但其原理是相似的，均可归属于相对湿度传感器法，即通过湿度传感器测试待测材料低湿侧相对湿度的变化得到材料的水蒸气透过量。美国材料实验协会(ASTM)也于2016年发布了ASTM D 6701-16《Standard test method for determining water vapor transmission rates through nonwoven and plastic barriers》[16]。此标准方法适用范围为水蒸气透过量为500～100000 g/m2·day的非织造布以及相关复合材料，所采用的测试仪器与黄建华[14]所设计的装置相似，基本构造如图1所示。如图所示，仪器主要由流量阀、压环、保护膜、湿度传感器等构成。仪器利用湿度传感器对流经下腔室的载气的相对湿度进行测试，首先在一定相对湿度下测试保护膜与空气间隙的水蒸气透过量，后放置待测试样，测试透过保护膜、空气间隙与待测试样的水蒸气透过量，据此计算出待测试样的水蒸气透过量。

图1 相对湿度传感器法测试装置示意图Fig.1 Schematic diagram of relative humidity sensor testing device

相比于其他的透湿性测试方法，相对湿度传感器法所使用的传感器有以下几个优势：一为量程大，其相对湿度测量量程可达0～100%，适用于测试水蒸气透过量大的材料；二为测试精度高，水蒸气透过量低至500 g/(m2·24 h)的材料也可用此方法进行测试；三为测试时间短，一般测试时间为2～10分钟。然而需要注意的是，利用此系统进行测试时，一般应先测试透湿量较低的材料，再测试透湿量较高的材料，以确保仪器与样品处于相对平衡的状态。表1为多种透湿性测试方法对高透过材料的测试能力总结分析。

表1 多种透湿性测试方法对高透过材料的测试能力对比总结Table 1 Comparison and summary of various testing methods formaterials with high water vapor transmission rate

3 结 语

本文通过总结现有的针对薄膜、片材或者织物等材料的水蒸气透过性测试方法的优势及局限性，探讨适合非织造布水蒸气透过率的测试方法。结果表明，称重法、红外检测器法与电解传感器法等方法均不完全适合测试非织造布等高透过材料的水蒸气透过性能，主要局限性为测试量程较小或者稳定性较差等。而相较之下，相对湿度传感器法不仅精度高，且量程广，可用于非织造布的水蒸气透过性能测试。