高分子材料分析与检测技术：透气性和透湿性的测定

透气性和透湿性的测定第四节透气性和透湿性透气性是聚合物重要的物理性能之一各种高分子材料的阻隔性能相差很大硅橡胶的透气性较好，聚偏氯乙烯的阻隔性较好，气体透过系数相差100万倍。气体和蒸汽的渗透一般要经过溶解、扩散、蒸发三个过程。第一阶段，气体或蒸汽被聚合物表面层吸附（溶解），通常用溶解度S表示；第二阶段，被吸收或溶解的气体在聚合物内部进行扩散，通常有扩散系数D表示；第三阶段，穿过聚合物的气体或蒸汽在另一侧解吸出来。气体透过聚合物的总能力通常用透气系数表示，三者关系符合公式：P＝SD。一、透气性及其测定塑料薄膜透气系数或透气量的测定，参照国标GB1038一88《塑料薄膜透气性试验方法》进行的。塑料薄膜和片材透水性的测定，参照国标GB1037一88《塑料薄膜和片材透水蒸气性试验方法》进行的。（一）定义（1）气体透过量标准状态下，单位透过面积、单位压差内在24h透过的气体量，用Qg表示，单位为：m3/(m2·Pa·24h）。（2）透气系数标准状态下，在单位时间内，单位压差下，透过单位面积、单位厚度薄膜的透气量。用Pg表示，单位为m3·m/（m2·Pa·s）。（二）测定原理热力学原理：气体通过薄膜的透过过程，是单分子扩散过程。透气量或透气系数的测定在一定温度下，让试样两侧保持一定的气体压差，即在试样的一侧施加一定压力的测试气体，而另一侧真空减压，使试验气体在试样中溶解及扩散，气体透过试样，测量试样低压侧的气体压力变化，计算透气系数。在透气性试验中，由于气体透过，低压侧压力缓慢上升，压力与时间成直线变化时，透过稳定后，△p／△t是稳定的，根据斜率可计算出透过率和透气系数。计算公式如下：Pg为透气系数，m3·m/(m2·Pa·s)；Qq为透气量，m3/(m2·Pa·24h);△p／△t为稳定渗透时，单位时间内低压侧气体压力变化的算术平均值，Pa/s;A为薄膜面积，m2;I为薄膜厚度，m;T为试验温度，K;V为低压侧体积，m3;p1一p2为试样两侧压差，Pa;T0,p0为标准状态下的温度（K）和压力（Pa）。（5一15）（5一16）（三）测定方法及设备测量聚合物透气性的方法有真空法、恒压法、恒容法、还有近年来发展起来的MC3型气体透过率测试仪等。1.真空法在低压侧抽真空，高压侧为100kPa的试验气体，通过测量低压侧的压力、浓度的变化或流量的大小来测量流速。（1）测试步骤①测量试样厚度试样直径为75mm,无皱褶、表面清洁，在无水氯化钙干燥器中干燥24h，每组试样三个。测量试样厚度，至少测量五点，取算术平均值。将试样装置于透气室中，并使试样高压侧与低压侧能密封好。②开启透气仪真空泵使试样高、低压侧均抽真空，当两侧均达到大约1.33Pa时，关闭高、低压侧真空活塞阀。③通气将所测气体通人高压侧，使高压侧达到所需压力，关闭通气口，气体开始透过。④当气体透过达到稳定时，每隔一定时间记录透气室低压侧的压力值，至少连续记录三次，计算其平均值△p/△t。⑤依据式（5一15）、式（5一16）可计算出其透气系数与透气量。（2）试验设备1—真空泵；2，3，5，15，16—真空活塞；4—麦氏真空计；6，9，12—高压侧真空活塞；7，10，13—低压侧真空活塞；8，11，14—透气室；19，20，21—透气室压力计；17—U型压力计；18—贮存瓶（3）试验条件温度为（25±2）℃或按产品标准规定；高压侧压力为760mmHg或按产品标准规定，低压侧的压力p＝1x10－2～1x10－3mmHg；气体种类按使用要求选择，并需干燥。2.MC3型气体透过率测定仪测定仪原理基于试样两侧形成压差，压力与时间成直线关系，将其转变为电气信号，从而计算出气体透过率的，计算公式如下。式中，T0、Po为理想状态下的温度、压力；T、V为测定时的温度、体积；dp/dt为气体透过成定态的低压侧压力斜率；A为透过面积；pd为在试样上施加的压力差。透过系数的计算如下。式中，R为气体透过率；e为试样厚度，μm。二、透湿性及其测定液体及其蒸气对聚合物材料的透过性，一般采用测定透过物浓度变化的方法来测量透过性。试验结果一般表示为透过速度，而不采用渗透系数。（一）定义（l）透湿量（水燕气透过量）在薄膜两侧水蒸气压差和薄膜厚度一定、温度一定、相对湿度一定的条件下，一平方米聚合物材料，24h内所透过的水蒸气量，用Qv来表示，单位为kg/（m2·24h）。（2）透湿系数（水蒸气透过系数）在一定的温度和相对湿度下，单位水蒸气压差，单位时间内透过单位面积和单位厚度的水蒸气量，用Pv来表示，单位为kg/（m2·m·Pa·s）。（二）测试原理水蒸气对薄膜的透过跟气体相似，水蒸气分子先溶解于薄膜中，然后在薄膜中向低浓度处扩散，最后在薄膜的另一侧蒸发。在规定温度和相对湿度及试样两侧保持一定蒸气压差条件下，测定透过试样的水蒸气量，计算出透湿量及透湿系数。式中，Qv为水蒸气透过量，kg/（m2·24h);Pv为水蒸气透过系数，kg·m/（m2·Pa·s）;t为质量增量稳定后的两次间隔时间，h；△m为t时间内的质量增量，kg；△p为试样两侧水蒸气压差，Pa;A为薄膜面积，m";I为薄膜厚度，m.（三）测试方法及设备测定液体及蒸汽对聚合物的透过性，有“杯”法、“盘”法、静水压法等。1．“杯”法的测试试验步骤（l）制样将薄膜切成与透湿杯相应大小的尺寸，并检查有无缺欠，如针眼、皱折、划伤、孔洞等。每一组至少取三个试样，对于表面材质不相同的样品，在正反两面各取一组试样，对于透湿量低或精确度要求高的样品，应取一个或两个试样进行空白试验。（2）装样将已烘好的干燥剂装入清洁的玻璃皿中，使干燥剂距试样表面约3mm。将盛有干燥剂的玻璃皿放入透湿杯中，将杯子放在杯台上，再将试样放在杯子正中，加上杯环后，用导正环固定好试样的位置，再加上压盖，小心地取出导正环，将熔融好的密封蜡浇灌在透湿杯的凹槽中，使玻璃皿中的干燥剂由薄膜密封在透湿杯中，密封蜡凝固后，不允许产生裂纹及气泡。(3）待透湿杯达到室温后，称量其质量。（4）将透湿杯放入已调好温度与相对湿度的恒温恒湿箱中，通常放置16h后，从箱中取出，放入处于（23±2）℃环境的干澡器中，放置约40min，称其质量。称量后重新放入恒混恒湿箱中，以后每隔12h、14h、48h或96h取出，同样处理后再称量，称量后，再放人恒温恒湿箱中，如此待相邻间隔两次增量之差不大于5％时，可以认为稳定透过，再重复一次，可以终止试验。2．测试仪器和试剂干燥剂，无水氯化钙，粒度为0.60～2.36mm，使用前在（200士2）℃干燥2h3．试验条件（1）条件A温度（38±0.6）℃，相对湿度（90±2)％。（2）条件B温度（23±0.6）℃，相对湿度（90±2)％。（四）影响因素1．膜暴露面积的大小和厚度在恒定状态下，气体透过速率与膜暴露的面积成正比，与膜的厚度成反比。2．影响扩散常数和溶解度的因素包括压力、温度、薄膜材料的性质及扩散气体的性质等。如气体和蒸汽与膜无作用，则透过性与压力无关；如与膜材料发生强烈相互作用，则透过常数与压力有关。多数气体的透过常数P是随着温度的升高而迅速增大的。3．成膜材料的性质聚合物的品种不同，结构不同，性质也不同，因而对气体的阻隔性也不同。扩散系数可以认为是聚合物疏松度的量度结构紧密，分子的对称性好，对气体的扩散常常数比较小，在聚合物材料中加入颜料或填料，会使结构紧密度降低，透气性增加。结晶度增加，会使材料的紧密度增加，因而结晶度高的聚合物比结晶度低的聚合物对气体的阻隔性要好。4．扩散气体和蒸汽的性质气体在膜中的溶解度取决于两者之间的相溶性。气体与蒸汽的区别