红外传感器法和称重法对干燥剂包材水蒸气透过率的研究

何贤培，王朝晖，苏婉霞

（1. 佛山市顺德区特普高实业有限公司，广东 佛山 528318；2. 北京市产品质量监督检验院，北京 101399）

干燥剂的使用尤为广泛：衣服鞋帽、食品药品、电子产品、物流运输和航空航天[1-2]。吸湿率是干燥剂的关键指标[3]，考虑到干燥剂作为一个整体在产品里面使用，包装行业标准BB/T 0049-2008《包装用矿物干燥剂》和药包材标准YBB 00122005-2015《固体药用纸袋装硅胶干燥剂》中吸湿率的测试方法均没有明确规定除去包装袋测试，但由于包装膜的材质和工艺需求，吸湿率的检测结果经常出现带包装膜样品比除去包装膜样品测试结果偏低的情况。

干燥剂包装膜也称为干燥剂包装材料，是干燥剂原料的容器，在干燥剂的使用周期内起到阻隔干燥剂原料与产品的作用。虽然干燥剂的使用相当广泛，但是干燥剂行业在国内外属于小众化行业，研究文献较少，而专门对干燥剂包装膜的研究几乎处于空白阶段。一包完整的干燥剂除了有好的吸附材料以外，包装袋也是重要的组成部分。精密仪器设备或线路板IC芯片在运输过程中需要使用干燥剂，同时需要对干燥剂粉尘进行限制，这需要特殊的包装材料。氯化钙干燥剂吸水前后从固态变为液态，需要设计特殊的包装容器以免液体渗漏污染产品。干燥剂包装材料需要用透湿度大的材料进行包装，如用无纺布或棉布制作干燥剂包装袋。BB/T 0049-2021《包装用干燥剂》首次对干燥剂包装材料提出干燥剂包装袋需要符合防尘、防水、水蒸气透过率和耐破等相关要求。按材质分类，可分为无纺布包装膜、塑料薄膜包装膜、纸塑复合包装膜和其他包装膜。

无纺布包装膜是由塑料材料经过无纺或者熔喷整理和平压得到的无纺布做成的，主要的代表产品是美国杜邦公司生产的杜邦特卫强。杜邦特卫强是高密度聚乙烯材料(HDPE)经过闪蒸法压制而成的无纺布材料，具有强度高、防尘和水蒸气透过率高等特点。

塑料薄膜包装膜是由聚乙烯薄膜(PE)和聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜(PET)或者聚丙烯薄膜(PP)通过胶水复合再通过表面打孔而成的。塑料薄膜在工业和生活领域应用极为广泛，各种塑料袋和包装袋都是由塑料薄膜制成的，因此塑料薄膜在干燥剂包装膜的应用上也极为丰富。通过印刷上特定的文字可以起到警示的作用，特别是食品和药品干燥剂，由于产品与干燥剂直接接触，通过里印的方法可以有效避免油墨与产品接触，提高产品的安全性。但是由于塑料薄膜本身的水蒸气透过率非常低(＜5g/m2·24h)，需要对塑料薄膜进行物理打孔以便干燥剂吸收空气中的潮气。

随着单包干燥剂的重量减少，包装膜占整包干燥剂的重量百分比就越高，而包装膜一般为纸塑复合或无纺布类材料，具有透湿性和阻水性[4]，不具有吸湿性，会造成吸湿率测试结果偏低。新公布实施的包装行业标准BB/T 0049-2021《包装用干燥剂》中关于吸湿率的测试方法已明确拆去外包装进行测试，同时规定包装膜的水蒸气透过率要大于20 g/(m2·d)。应用于车灯的干燥剂，需要吸湿速度慢和吸湿速度快的两包干燥剂同时作用，快速吸收车灯组件内的水份，同时需要吸湿速度慢的干燥剂发挥长效的作用，这些都是通过控制干燥剂包装材料的水蒸气透过率而实现的。但在对干燥剂包装材料的研究过程中，材料水蒸气透过率的测试方法种类繁多，不同的测试方法测试结果偏差较大，需要通过数据稳定、重复性优异的方法衡量干燥剂包装膜水蒸气透过率。

水蒸气透过率的测试方法有红外检测器法[5]、电解传感器法[6]、湿度传感器法[7]和称重法（杯式法）[8-9]。称重法是通过试样的两侧（透湿杯内、外）形成一定的环境湿度差后实现水蒸气渗透，再称量透湿杯质量变化，通过计算得到样品的水蒸气透过率[11-12]，由于水蒸气透过材料的时间较慢，一般称重法测试时间在24h以上。而上述前三种传感器法利用水蒸气与传感器之间的物理或化学反应产生的电信号测试出相应样品的水蒸气透过率[13]，测试时间较短，但需要用经过杯式法标定的参考膜对测试仪器进行校准。传感器法测试上限一般只有100 g/(m2·d)，称重法的测试上限可达10000 g/(m2·d)。为研究传感器法和称重法对干燥剂包装膜水蒸气透过率测试结果的影响，本文采用红外法和称重法测试几种不同类干燥剂包装膜的水蒸气透过率。

1 实验

1.1 方法与原理

传感器法均先通过标定的参考膜进行校准，利用传感器的电信号测试出样品的水蒸气透过率，而且测试上限只有100 g/(m2·d)，而干燥剂包装材料一般的水蒸气透过率都在100 g/(m2·d)以上，所以本文研究依据GB/T 26253-2010规定的红外法进行测试，同时为了能满足设备测试的需要，把测试腔的测试面积从50 cm2缩小50倍至1 cm2，见图1。

图1 红外传感器法测试腔体示意图

GB 1037-1988只规定了增重法，但在实际测试中，增重法和减重法没有明显差异[14]，本文研究依据ASTM E96-2016标准中规定的增重法和减重法分别对样品进行测量。增重法为透湿杯内放置干燥剂，测试时水蒸气透过材料进入透湿杯，引起透湿杯重量增加；减重法为透湿杯内放置蒸馏水，测试时蒸馏水汽化透过材料释放到透湿杯外部，引起透湿杯重量减少，其原理见图2。

图2 称重法原理

1.2 试样及设备

选取几种常见的干燥剂包装膜为试验样品，见 表1。

表1 样品名称及材质

由于传统的称重法需要人工不断从恒温恒湿箱把透湿杯放到分析天平去称量，恒温恒湿箱的开关和样品的移除会影响样品的温湿度环境，人为称量也会造成误差。为排除人为操作和环境等引发的测试误差，采用由广州西塘电机科技有限公司生产的恒温恒湿试验腔内自动称量的W-B-31E水蒸气透过率测试仪进行试验。红外传感器法使用美国膜康公司生产的Model 3/34水蒸气透过率测试仪进行试验。

1.3 测试条件

考虑到干燥剂的吸湿率测试通用条件一般为相对湿度90%，另外参考ASTM E96-2016和GB/T 26253-2010，本研究选定的试验条件分别为温度23℃，相对湿度90%（条件1），温度38℃，相对湿度90%（条件2）。

2 结果与讨论

2.1 减重法与增重法

不同样品在两种条件下测试面积均为33cm2，杯式增重法和减重法的水蒸气透过率测试结果（每个结果为相应条件下3组平行测试数据的算术平均值）见表2。

从表2可以看出，不同干燥剂包装材料的水蒸气透过率能达两到三个数量级的差距。随着温度的升高，水蒸气透过率增大。相对湿度不变的情况下，随着温度的升高，空气中的绝对湿度增加[15]，包装膜材料两侧的蒸气压也增大，有利于水蒸气扩散，引起水蒸气透过率增大。另外，从增重法和减重法的差值可以看出，增重法的测试数据比减重法低，差值随着水蒸气透过率的增大而扩大。表明了对于干燥剂包装膜这种水蒸气透过率较大的材料，在使用增重法的时候，透湿杯内的干燥剂容易因为吸湿能力下降导致测试结果偏少。当使用增重法时，透湿杯内的干燥剂会因为吸收过多的水蒸气而导致吸湿能力下降，最终导致透湿杯内外的湿度差不能满足测试需求。而减重法由于透湿杯内是液态水，能在测试过程中一直保持透湿杯内外的湿度差，因此减重法更适合用于测试干燥剂包装膜的水蒸气透过率。

表2 不同样品增重法和减重法的水蒸气透过率测试结果对比

2.2 红外传感器法与称重法

不同样品在两种条件下的红外传感器法、称重法（这里用减重法作比较）的水蒸气透过率测试结果（每个结果为相应条件下3组平行测试数据的算术平均值）见表3。

表3 红外法和减重法的水蒸气透过率测试结果对比

从表3可看出，以上干燥剂包装膜样品红外传感器法两组数据结果有明显偏差，而且差值大于所测水蒸气透过率的10%，有两组结果甚至有超过一倍的偏差。相比之下，减重法的偏差均在±10%以内，具有良好的重复性。一般红外传感器法测试面积在30cm2以上，而无纺布纤维排列不规则、杂乱，致使包装膜材料不均匀度增加。不均匀的材料在样品制作的时候，由于采样面积缩小，引起了数据偏差的增大。同时，杜邦纸是单层材料，而杜特Ⅱ是多层复合材料，相对来说，多层复合材料的不均匀性比单层材料的不均匀性更大，因此其水蒸气透过率的偏差也较大。相对于减重法来说，同一个样品两组试验结果偏差均小于10%，说明使用称重法测试面积扩大，有利于数据的一致性和重复性。考虑到干燥剂吸湿率的测试温度一般为23℃～25℃，在评价干燥剂包装膜的水蒸气透过率时，更适合使用温度为23℃，相对湿度为90%作为测试条件。

3 结语

研究发现，干燥剂包装膜是一种不均匀且水蒸气透过率较大的包装材料。在评价此类型材料的水蒸气透过率时，勉强用传感器法缩小面积进行测试会引起很大的测试偏差。用增重法测试水蒸气透过率较大材料时容易引起测试数据偏低，减重法更适合应用于测试干燥剂的水蒸气透过率，建议在选用测试条件时从应用角度出发选择合适的测试条件。