高分子材料分析與檢測技術(shù)：透氣性和透濕性的測定

透氣性和透濕性的測定第四節(jié)透氣性和透濕性透氣性是聚合物重要的物理性能之一各種高分子材料的阻隔性能相差很大硅橡膠的透氣性較好，聚偏氯乙烯的阻隔性較好，氣體透過系數(shù)相差100萬倍。氣體和蒸汽的滲透一般要經(jīng)過溶解、擴散、蒸發(fā)三個過程。第一階段，氣體或蒸汽被聚合物表面層吸附（溶解），通常用溶解度S表示；第二階段，被吸收或溶解的氣體在聚合物內(nèi)部進行擴散，通常有擴散系數(shù)D表示；第三階段，穿過聚合物的氣體或蒸汽在另一側(cè)解吸出來。氣體透過聚合物的總能力通常用透氣系數(shù)表示，三者關(guān)系符合公式：P＝SD。一、透氣性及其測定塑料薄膜透氣系數(shù)或透氣量的測定，參照國標GB1038一88《塑料薄膜透氣性試驗方法》進行的。塑料薄膜和片材透水性的測定，參照國標GB1037一88《塑料薄膜和片材透水蒸氣性試驗方法》進行的。（一）定義（1）氣體透過量標準狀態(tài)下，單位透過面積、單位壓差內(nèi)在24h透過的氣體量，用Qg表示，單位為：m3/(m2·Pa·24h）。（2）透氣系數(shù)標準狀態(tài)下，在單位時間內(nèi)，單位壓差下，透過單位面積、單位厚度薄膜的透氣量。用Pg表示，單位為m3·m/（m2·Pa·s）。（二）測定原理熱力學原理：氣體通過薄膜的透過過程，是單分子擴散過程。透氣量或透氣系數(shù)的測定在一定溫度下，讓試樣兩側(cè)保持一定的氣體壓差，即在試樣的一側(cè)施加一定壓力的測試氣體，而另一側(cè)真空減壓，使試驗氣體在試樣中溶解及擴散，氣體透過試樣，測量試樣低壓側(cè)的氣體壓力變化，計算透氣系數(shù)。在透氣性試驗中，由于氣體透過，低壓側(cè)壓力緩慢上升，壓力與時間成直線變化時，透過穩(wěn)定后，△p／△t是穩(wěn)定的，根據(jù)斜率可計算出透過率和透氣系數(shù)。計算公式如下：Pg為透氣系數(shù)，m3·m/(m2·Pa·s)；Qq為透氣量，m3/(m2·Pa·24h);△p／△t為穩(wěn)定滲透時，單位時間內(nèi)低壓側(cè)氣體壓力變化的算術(shù)平均值，Pa/s;A為薄膜面積，m2;I為薄膜厚度，m;T為試驗溫度，K;V為低壓側(cè)體積，m3;p1一p2為試樣兩側(cè)壓差，Pa;T0,p0為標準狀態(tài)下的溫度（K）和壓力（Pa）。（5一15）（5一16）（三）測定方法及設備測量聚合物透氣性的方法有真空法、恒壓法、恒容法、還有近年來發(fā)展起來的MC3型氣體透過率測試儀等。1.真空法在低壓側(cè)抽真空，高壓側(cè)為100kPa的試驗氣體，通過測量低壓側(cè)的壓力、濃度的變化或流量的大小來測量流速。（1）測試步驟①測量試樣厚度試樣直徑為75mm,無皺褶、表面清潔，在無水氯化鈣干燥器中干燥24h，每組試樣三個。測量試樣厚度，至少測量五點，取算術(shù)平均值。將試樣裝置于透氣室中，并使試樣高壓側(cè)與低壓側(cè)能密封好。②開啟透氣儀真空泵使試樣高、低壓側(cè)均抽真空，當兩側(cè)均達到大約1.33Pa時，關(guān)閉高、低壓側(cè)真空活塞閥。③通氣將所測氣體通人高壓側(cè)，使高壓側(cè)達到所需壓力，關(guān)閉通氣口，氣體開始透過。④當氣體透過達到穩(wěn)定時，每隔一定時間記錄透氣室低壓側(cè)的壓力值，至少連續(xù)記錄三次，計算其平均值△p/△t。⑤依據(jù)式（5一15）、式（5一16）可計算出其透氣系數(shù)與透氣量。（2）試驗設備1—真空泵；2，3，5，15，16—真空活塞；4—麥氏真空計；6，9，12—高壓側(cè)真空活塞；7，10，13—低壓側(cè)真空活塞；8，11，14—透氣室；19，20，21—透氣室壓力計；17—U型壓力計；18—貯存瓶（3）試驗條件溫度為（25±2）℃或按產(chǎn)品標準規(guī)定；高壓側(cè)壓力為760mmHg或按產(chǎn)品標準規(guī)定，低壓側(cè)的壓力p＝1x10－2～1x10－3mmHg；氣體種類按使用要求選擇，并需干燥。2.MC3型氣體透過率測定儀測定儀原理基于試樣兩側(cè)形成壓差，壓力與時間成直線關(guān)系，將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡姎庑盘?，從而計算出氣體透過率的，計算公式如下。式中，T0、Po為理想狀態(tài)下的溫度、壓力；T、V為測定時的溫度、體積；dp/dt為氣體透過成定態(tài)的低壓側(cè)壓力斜率；A為透過面積；pd為在試樣上施加的壓力差。透過系數(shù)的計算如下。式中，R為氣體透過率；e為試樣厚度，μm。二、透濕性及其測定液體及其蒸氣對聚合物材料的透過性，一般采用測定透過物濃度變化的方法來測量透過性。試驗結(jié)果一般表示為透過速度，而不采用滲透系數(shù)。（一）定義（l）透濕量（水燕氣透過量）在薄膜兩側(cè)水蒸氣壓差和薄膜厚度一定、溫度一定、相對濕度一定的條件下，一平方米聚合物材料，24h內(nèi)所透過的水蒸氣量，用Qv來表示，單位為kg/（m2·24h）。（2）透濕系數(shù)（水蒸氣透過系數(shù)）在一定的溫度和相對濕度下，單位水蒸氣壓差，單位時間內(nèi)透過單位面積和單位厚度的水蒸氣量，用Pv來表示，單位為kg/（m2·m·Pa·s）。（二）測試原理水蒸氣對薄膜的透過跟氣體相似，水蒸氣分子先溶解于薄膜中，然后在薄膜中向低濃度處擴散，最后在薄膜的另一側(cè)蒸發(fā)。在規(guī)定溫度和相對濕度及試樣兩側(cè)保持一定蒸氣壓差條件下，測定透過試樣的水蒸氣量，計算出透濕量及透濕系數(shù)。式中，Qv為水蒸氣透過量，kg/（m2·24h);Pv為水蒸氣透過系數(shù)，kg·m/（m2·Pa·s）;t為質(zhì)量增量穩(wěn)定后的兩次間隔時間，h；△m為t時間內(nèi)的質(zhì)量增量，kg；△p為試樣兩側(cè)水蒸氣壓差，Pa;A為薄膜面積，m";I為薄膜厚度，m.（三）測試方法及設備測定液體及蒸汽對聚合物的透過性，有“杯”法、“盤”法、靜水壓法等。1．“杯”法的測試試驗步驟（l）制樣將薄膜切成與透濕杯相應大小的尺寸，并檢查有無缺欠，如針眼、皺折、劃傷、孔洞等。每一組至少取三個試樣，對于表面材質(zhì)不相同的樣品，在正反兩面各取一組試樣，對于透濕量低或精確度要求高的樣品，應取一個或兩個試樣進行空白試驗。（2）裝樣將已烘好的干燥劑裝入清潔的玻璃皿中，使干燥劑距試樣表面約3mm。將盛有干燥劑的玻璃皿放入透濕杯中，將杯子放在杯臺上，再將試樣放在杯子正中，加上杯環(huán)后，用導正環(huán)固定好試樣的位置，再加上壓蓋，小心地取出導正環(huán)，將熔融好的密封蠟澆灌在透濕杯的凹槽中，使玻璃皿中的干燥劑由薄膜密封在透濕杯中，密封蠟凝固后，不允許產(chǎn)生裂紋及氣泡。(3）待透濕杯達到室溫后，稱量其質(zhì)量。（4）將透濕杯放入已調(diào)好溫度與相對濕度的恒溫恒濕箱中，通常放置16h后，從箱中取出，放入處于（23±2）℃環(huán)境的干澡器中，放置約40min，稱其質(zhì)量。稱量后重新放入恒混恒濕箱中，以后每隔12h、14h、48h或96h取出，同樣處理后再稱量，稱量后，再放人恒溫恒濕箱中，如此待相鄰間隔兩次增量之差不大于5％時，可以認為穩(wěn)定透過，再重復一次，可以終止試驗。2．測試儀器和試劑干燥劑，無水氯化鈣，粒度為0.60～2.36mm，使用前在（200士2）℃干燥2h3．試驗條件（1）條件A溫度（38±0.6）℃，相對濕度（90±2)％。（2）條件B溫度（23±0.6）℃，相對濕度（90±2)％。（四）影響因素1．膜暴露面積的大小和厚度在恒定狀態(tài)下，氣體透過速率與膜暴露的面積成正比，與膜的厚度成反比。2．影響擴散常數(shù)和溶解度的因素包括壓力、溫度、薄膜材料的性質(zhì)及擴散氣體的性質(zhì)等。如氣體和蒸汽與膜無作用，則透過性與壓力無關(guān)；如與膜材料發(fā)生強烈相互作用，則透過常數(shù)與壓力有關(guān)。多數(shù)氣體的透過常數(shù)P是隨著溫度的升高而迅速增大的。3．成膜材料的性質(zhì)聚合物的品種不同，結(jié)構(gòu)不同，性質(zhì)也不同，因而對氣體的阻隔性也不同。擴散系數(shù)可以認為是聚合物疏松度的量度結(jié)構(gòu)緊密，分子的對稱性好，對氣體的擴散常常數(shù)比較小，在聚合物材料中加入顏料或填料，會使結(jié)構(gòu)緊密度降低，透氣性增加。結(jié)晶度增加，會使材料的緊密度增加，因而結(jié)晶度高的聚合物比結(jié)晶度低的聚合物對氣體的阻隔性要好。4．擴散氣體和蒸汽的性質(zhì)氣體在膜中的溶解度取決于兩者之間的相溶性。氣體與蒸汽的區(qū)別