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常规气体渗透性能分析

   来源:济南兰光机电技术有限公司    作者:济南兰光    浏览:1143    
核心提示:摘要: 利用特定比例通过氧气透过量估算该材料的其它气体透过量目前有着一定的应用基础,然而这种方法所得数据与实际数据的差异程度

摘要: 利用特定比例通过氧气透过量估算该材料的其它气体透过量目前有着一定的应用基础,然而这种方法所得数据与实际数据的差异程度以及这种差异出现的原因也一直受到关注,本文将对非氧常规气体的渗透性检测方法进行介绍,并从理论分析以及实际测试两方面对于估算的准确性和合理性进行了论述。

关键词:透气量,比例,估算,二氧化碳,氦气

 

  包装形式多种多样,但是导致产品变质失效的不仅是氧气和水蒸气。随着MAP包装以及CAP包装的普及,过去关注度不高的气体(包括一些惰性气体)对包装材料的渗透性能逐渐得到重视。尽管对于氧气和水蒸气阻隔性的检测比较普及,但是如何实现氮气、二氧化碳、空气等常见气体对包装材料透过性的检测呢?实际使用的数据获得方法是否准确呢?本文将对这些问题进行深入的探讨。
 
1.数据获得的常规方法
 
  对于非氧常规气体透过量的检测来讲,数据获得方法一直是备受关注的重点。一种方法是直接通过设备检测获得,目前只有压差法透气性测试设备能够检测材料对多种气体(He、N2、Air、O2、CO2等)的阻隔性能,如果使用者能保证控制好气源并做好尾气处理(尤其是对于易燃、易爆、有毒的气体)的话该测试原理的设备也可用于检测一些特种气体的透过性能。相对于氧气测试,更换测试气体基本不会增加测试成本,而且试验过程与氧气测试一致。而等压法设备无法成为通用型气体阻隔性测试方法是由其检测原理决定的。另一种方法是通过估算获得,以前可检非氧常规气体的设备较少,为了获取这些气体的透过量有时会利用特定比例通过氧气透过量进行估算,估算比例多来自技术文献中的数据(由于参考的技术文献往往不同,因此估算比例本身就不是一个确定的值),往往不考虑试样材质和测试环境因素的变化。然而,实际上由以上两种方法所得到的数据一致性并不好。毋庸置疑,直接测得的数据是真实有效的,那么在进行估算时究竟是由于何种原因而导致计算的数据出现显著的偏差呢?能否进行修正呢?下面我将从理论分析与试验验证两方面进行讨论。
 
2.理论分析
 
  影响聚合物薄膜或薄片气体渗透性的因素大体上可分为聚合物结构、渗透气体特性和环境3个方面。在本次的研究中主要研究由于渗透气体特性带来的影响,包括气体分子的大小、形状、极性及凝聚的难易程度等,对于环境因素和聚合物结构只做适当的考虑。
 
  分子的大小及形状会影响气体在材料内的扩散性。分子的大小可以通过气体分子的动力学直径来表示,分子的动力学直径越小,在聚合物中扩散越容易,扩散系数越大。不过对于具有可比分子量的不同形状的扩散气体来讲,长条形分子的扩散能力和渗透能力最强。
 
  分子的极性和凝聚难易主要影响气体在材料表面的溶解性,由于不同的高分子材料其极性也不完全一致,因此溶解度系数的变化成为影响多种气体在不同材料间渗透的主要原因。如果聚合物中没有可与透过气体发生作用的官能团时,临界温度是控制溶解度的主要因素,临界温度较高者往往在聚合物中具有较大的溶解度。当然,气体在聚合物中的溶解度通常也遵循“相似相溶”的规律,如果高分子中存在对于特定气体溶解度大的化学结构因素,则可大大增加聚合物对这种气体的选择透过性。也是由于溶解度因素的影响,所以当比较同一聚合物的几种气体透过量时可能出现分子直径大、气体渗透系数也大的现象。
 
  由以上分析可以看出,不同的测试气体对于同一种材料的渗透过程不会表现出完全一致的特性的,更何况不同材料的结构也存在差异,所以利用比例估算数据本身就不科学。
 
3.试验验证
 
  为了获得估算数据与实测数据间的准确差距特地设计了下面一个试验课题。Labthink阻隔性实验室选用Labthink VAC-V1压差法气体渗透仪检测PC、PET、PVDC、铝箔等材料的气体透过量,测试气体有He、N2、Air、O2、CO2 5种,同时设定了室温、35℃、40℃、45℃几个测试温度点,部分试验数据列于表1中。
表1. 多种气体阻隔性实测数据表
试样/测试气体
25℃
35℃
40℃
45℃
PC
125um
He
4041.778(26)
4722.450
5065.491
 
N2
90.60(23)
117.364
129.092
143.146
Air
175.350(24)
207.587
224.720
238.599
O2
440.535(23)
571.675
608.858
659.346
CO2
2000.655(26)
2266.981
2490.635
 
PET
20um
He
2237.628(26)
2667.478
2928.106
 
N2
8.244(25.5)
11.436
14.172
15.548
Air
18.002(25)
20.651
26.451
30.725
O2
46.423(24)
72.155
81.338
91.414
CO2
289.357(24)
360.004
401.886
452.359
PVDC
30um
He
671.682(27)
875.907
995.698
 
N2
2.665(25)
4.832
5.859
7.895
Air
5.046(24)
10.173
12.907
17.707
O2
 
  
  
  
 
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