气体透过率、透过量以及透过系数应用指南.pdf

气体透过率、透过量以及透过系数应用指南 摘要: 本文详细介绍了三项透气性参数（气体透过率、透过量以及透过系数）的定义、应用范围以及相互 之间的差异和换算关系，同时对于目前国际、国内标准中定义不清晰的情况给予说明。 关键词：透气性，透过率，透过量，透过系数 目前，国内、国际标准在一些透气性参数的定义上存在细微差异，致使参数概念及应用较为混乱。 这不但会影响数据传递，同时还能引起对材料评价的失误。本文着重分析透气性参数气体透过率、气体 透过量以及气体透过系数的定义，对它们之间的关系进行介绍，并指出实际应用中应当注意的问题。 1.透气性参数的标准定义 由于在等压法中存在载气（氮气）的逆向渗透，使得它与传统压差法存在着本质上的不同，是两 类不同的测试方法。测试方法的差异会对其应用范围以及参数定义带来影响（例如等压法基本上只用于 进行氧气检测，而压差法对于测试气体几乎没有限制） ，因此这里按照测试方法的种类分别对透气性参数 的定义进行介绍。 1.1 压差法 1.1.1 ASTM D1434-82 ASTM D1434-82 中，用于描述材料透气性能的参数有以下三个： 1. Gas Transmission Rate (GTR): The quantity of a given gas passing through a unit of the parallel surfaces of a plastic film in unit time under the conditions of test. The SI unit of GTR is 1 mol / (m2s). 译文：气体透过率（GTR） ：在试验环境下，在单位时间内、单位面积上透过塑料薄膜两平行平面的特定 气体总量。GTR 的 SI 单位为 mol / (m2s)。 2. Permeance (P): The ratio of the gas transmission rate to the difference in partial pressure of the gas on the two sides of the film. The SI unit of permeance is 1 mol / (m2sPa). 译文： （气体）透过量（P） ：气体透过率与薄膜两侧的测试气体分压差的比值。透过量的 SI 单位为 mol / (m2sPa)。 3. Permeability (P): The product of the permeance and the thickness of a film. The SI unit of P is 1 mol / (msPa). 译文： （气体）透过系数（P） ： （气体）透过量与薄膜厚度的乘积。P 的 SI 单位为 mol / (msPa)。 1.1.2 ISO 2556:2001 ISO 2556:2001 中，用于描述材料透气性能的参数只有一个： Gas transmission rate: The volume of gas which, under steady conditions, crosses unit area of the sample in unit time under unit pressure difference and at constant temperature. The rate is usually expressed in cm3 / m2datm. 译文：气体透过率：在一定的温度下，在单位时间内单位压力差下，稳定透过单位面积试样的气体体积。 单位为：cm3 / m2datm。 1.1.3 GB/T 1038-2000 GB/T 1038-2000 中，用于描述材料透气性能的参数有两个： 1. 气体透过量（Qg） ：在恒定温度和单位压力差下，在稳定透过时，单位时间内透过试样单位面积的气 体的体积。以标准温度和压力下的体积值表示，单位为：cm3 / m2dPa。 2. 气体透过系数（pg） ：在恒定温度和单位压力差下，在稳定透过时，单位时间内透过试样单位厚度、单 位面积的气体的体积。以标准温度和压力下的体积值表示，单位：cm3cm / cm2sPa。 注：GB/T 1038-2000 非等效采用 ISO 2556:1974塑料常压下薄膜和薄片气体透过率测定 测压计法 。 1.1.4 总结 分析标准定义及结果单位可以看出，在 GB/T 1038-2000、ASTM D1434-82、ISO 2556:2001 这些压差法标 准中对于气体透过系数的定义是一致的；而对气体透过量的表示却有些差异，GB/T 1038-2000“气体透过 量（Qg） ”= ASTM D1434“Permeance (P)”= ISO 2556“Gas transmission rate” ，单位都可转化为 cm3 / m224h0.1MPa 的形式。 1.2 等压法 1.2.1 ASTM D3985-05 ASTM D3985-05 中，用于描述材料透气性能的参数有以下三个： 1. Oxygen Transmission Rate (O2GTR): The quantity of oxygen gas passing through a unit area of the parallel surfaces of a plastic film per unit time under the conditions of test. The SI unit of transmission rate is the mol / (m2s). 译文：氧气透过率（O2GTR） ：在试验环境下，在单位时间内、单位面积上透过塑料薄膜两平行平面的氧 气总量。氧气透过率的 SI 单位为 mol / (m2s)。 2. Oxygen Permeance (PO2): The ratio of the O2GTR to the difference between the partial pressure of O2 on the two sides of the film. The SI unit of permeance is the mol / (m2sPa). 译文：氧气透过量（PO2） ：氧气透过率与薄膜两侧的氧气分压差的比值。氧气透过量的 SI 单位为 mol / (m2sPa)。 3. Oxygen Permeability Coefficient (PO2): The product of the permeance and the thickness of film. The SI unit of oxygen permeability is the mol / (msPa). 译文： 氧气透过系数 （P O2） ： 氧气透过量与薄膜厚度的乘积。 氧气透过系数的 SI 单位为 mol / (m s Pa)。 1.2.2 ISO 15105-2:2003 ISO 15105-2:2003 中，用于描述材料透气性能的参数有以下两个： 1. Gas-transmission rate (GTR): Volume of gas passing through a plastic material, per unit area and unit time, under unit partial-pressure difference between the two sides of the material. O2GTR is the oxygen-transmission rate, expressed in moles per square metre second pascal mol / (m2sPa). O2GTR is generally expressed in cubic centimetres per square metre 24h cm3 / (m224h). 译文：气体透过率（GTR） ：单位时间内单位压力差下稳定透过单位面积薄膜材料的气体体积。O2GTR 是氧气透过率，单位是 mol/ (m2sPa)。O2GTR 通常使用的单位是：cm3 / (m224h)。 2. Gas permeability (P): Volume of gas passing through a plastic material of unit thickness, per unit area and unit time, under unit partial-pressure difference between the two sides of the material. P is expressed in mole metres per square metre second pascal molm / m2sPa. 译文：气体透过系数（P） ：单位时间内单位压力差下稳定透过单位面积上单位厚度的试样的气体体积。P 的单位为：molm / m2sPa。 1.2.3 GB/T 19789-2005 GB/T 19789-2005 中，用于描述材料透气性能的参数有三个： 1. 氧气透过率（O2GTR） ：在试验条件下，在单位时间内透过单位面积试样的氧气数量。常使用的氧气 透过率单位是 cm3 / (m224h)。 2. 氧气透过量（PO2） ：氧气透过率与试样两侧氧气分压之差的比值。常用的氧气透过量单位是 cm3 / (m224h0.1MPa)。 3. 氧气透过常数 （ ） ： 氧气透过量与试样厚度之积。 常用的氧气透过常数单位是 cm3 / (m 24h 0.1MPa)。 注：GB/T 19789-2005 修改采用 ASTM D 3985-1995塑料薄膜和薄片氧气透过性试验方法库仑计检 测法 。 1.2.4 总结 通过对标准定义以及结果单位的分析可以看出，对于等压法，GB/T 19789-2005、ASTM D3985-05、ISO 15105-2:2003 各标准中的氧气透过系数定义及单位是一致的， 只是 GB/T 19789-2005 中将其翻译为氧气透 过常数；而对气体透过量的表示存在差异，GB/T 19789-2005“氧气透过量（PO2） ”= ASTM D3985-05 “Oxygen Permeance (PO2)”= 15105-2:2003 “Gas-transmission rate (GTR)” 。需要注意的是 ISO 15105-2:2003 标准不只是用于氧气渗透性能的检测， 因此并没有将透气性参数的概念限制在氧气测试的范 围内。 2. 透气性参数的实际应用 气体透过率是单位时间透过单位面积试样的气体的体积，它由材料本身的阻隔性能和材料两边测试气体 分压差两个因素决定。气体透过率与测试环境和试样个体有关，气体透过量只与测试试样自身有关而与 环境无关，至于气体透过系数则仅与试样的材质有关，是材料本身的性质。 通常，我们只关注包装材料的气体透过量（单位：cm3 / m224h0.1MPa）和气体透过系数。除去由于 标准定义差异带来的影响外，严格来讲气体透过率是很少用到的，这与气体透过率受测试气体分压差而 变化有很大关系，不利于数据比对。此外，对于气体透过系数的使用还存在误区，气体透过系数并非对 所有材料都有意义，它仅对于均匀的单层材料有意义，而且应用前必须已经通过检测多种厚度的材料证 明其数据的一致性，但是对于多层复合材料，检测其气体透过系数是没有意义的。该系数主要为进行复 合材料的结构设计提供便利。 3. 总结 对于透气性参数的名称定义以及数据单位不一致的问题应该引起有关方面的重视。对于使用者而言，可 以借助比较结果单位是否一致的方法来确定在不同标准中提及的参数意义是否相同，而不能仅关注参数 名称，以免用于数据比对时出现混乱，给业界的沟通交流造成障碍。 仪器制作参考仪器制作参考 目的目的 在一定的温度和湿度下，使试样两侧保持一定的气体压差，通过测量试样低压侧气体压力的变 化，从而计