透气性测试方法及设备

包装材料阻隔性能的优劣是决定其使用领域及内容物质量的主要因素之一。渗透通过包装材料的氧气、二氧化碳等气体会显著影响产品的品质，因此在进行产品的包装设计时需要结合产品预计的保质期选择阻隔性能适当的材料。透气性检测设备是近几年包装材料制造商以及使用商主要选购的高端检测设备之一。

1、透气性测试的发展 透气性测试，也称作气体阻隔性测试或是气体透过性测试，主要是考察薄膜、薄片对常见无机气体的阻隔性能，是材料主要的阻隔性能指标之一。通常检测的是材料的透氧性，由于气调包装的广泛使用也需对包装材料的二氧化碳、氮气透过性能进行检测。 透气性测试方法可分为压差法（Differential-pressure method）与等压法（Equal-pressure method）。广泛使用的是压差法，可分为真空压差法和正压差法（体积法）。随着微量氧探测技术的发展，微量氧传感器逐 步应用在材料的透氧性测试领域中，即透气性测试中的传感器法，利用不同的气体传感器可以检测不同气体对材料的渗透性能，目前对氧气和二氧化碳的传感器法检测工艺已经成熟。另外还可以利用气象色谱法检测材料的透气性。传感器法和气象色谱法都可以归为透气性测试的等压法。 2、压差法

图 1. 真空法测试原理图

真空法是压差法中最具代表性的一种测试方法。它的测试原理（见图 1）是利用试样将渗透腔隔成两个独立的空间，先将试样两侧都抽成真空，然后向其中一侧（A 高压侧）充入 0.1MPa（绝压）的测试气体，而另一侧（B 低压侧）则保持真空状态，试样两侧形成 0.1MPa 的测试气体压差。测试气体渗透通过薄膜进入低压侧并引起低压侧压力的变化，用高精度真空规测量低压侧压力的变化量就可以利用公式计算得到测试气体的气体透过量（GTR）。相关标准有 ISO 2556、ISO 15105-1、ASTM D 1434（M法）、GB 1038、JIS K 7126（A法）等。ISO 15105-1 提供的气体透过量（GTR）计算公式如下：

式中： V C ——低压侧的体积； T ——试验温度（热力学温度）； pu ——高压侧的气体压强； A ——有效渗透面积； dp/dt ——当渗透状态稳定后，在低压侧单位时间内压强的变化量； R ——气体常数。 真空法是采用负压差方法来实现试样两侧 0.1MPa 的压差，当然也可以通过正压差的方法来实现，最常用的正压差法是体积法。由于体积法无需对渗透腔抽真空，也不用进行真空度的保持，所以降低了设备制造及试验的难度。相关的测试标准有 ASTM D 1434（V 法）等。 压差法对测试气体的通用性非常好。由于膜技术理论的支持，真空法在透气性测试中一直作为基础方法使用，科研检测机构多采用这种方法。随着真空规检测技术的进步、以及高真空技术在设备设计上的应用，大大提高了设备的检测精度以及测试数 据的重复性。它的突出优点是能够通过一次测试得出材料的渗透系数、扩散系数、溶解度系数3项阻隔性指标。 在选购真空压差法透气性测试设备时，需要注意以下参数指标：测试腔能达到的真空度、真空规的精度及量程、“空白试验”数据及测试数据重复性，以及设备是否具备自控温功能。测试腔真空度不但体现了所采用真空泵的抽真空能力，还体现了测试腔体以及相关管路的密封性能，如果机械结构中存在泄漏点，则试验结果将会受到严重的干扰，无法体现材料的真实阻隔性。如果只有某一次试验达不到要求的真空度，极有可能是由于试样装夹密封不当所引起的。标准要求真空规的精度应不低于6Pa，目前比较优秀的真空规的分辨率是其满量程的0.1％，由于测试元件的分辨率都要优于它的测试精度，因此真空规的量程一般要小于6kPa。“空白试验”数据以及测试数据的重复性是衡量设备经受各种因素影响的综合指标，试验环境的温湿度控制情况对测试结果也有影响，尤其是温度对阻隔性测试的影响最为显著，可以参阅2005年1月17日及2月21日兰光实验室论坛文章。选购正压差法设备时，由于这种方法无须抽真空，因而只需要关注压力传感器的精度和量程、“空白试验”数据以及测试数据的重复性等指标就可以了。