于佳佳 陳欣 高翠玲 王恬

（1.濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司；2.山東省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院）

前 言

測(cè)試包裝材料氣體透過(guò)量的常用方法分為壓差法、等壓法兩種。其中，壓差法是應(yīng)用時(shí)間最長(zhǎng)的基礎(chǔ)方法[1]，該方法是利用薄膜兩側(cè)的壓力差（簡(jiǎn)稱“壓差”）實(shí)現(xiàn)氣體從薄膜的高壓側(cè)向低壓側(cè)滲透，并利用壓力傳感器監(jiān)測(cè)低壓側(cè)壓力隨時(shí)間的變化情況計(jì)算薄膜的氣體透過(guò)量；等壓法主要采用庫(kù)侖計(jì)法，試驗(yàn)過(guò)程中薄膜兩側(cè)為壓力相等的待測(cè)氣體氧氣與載氣氮?dú)?，氧氣在濃度差的作用下通過(guò)試樣滲透到氮?dú)鈧?cè)，并被氮?dú)鈹y帶至庫(kù)侖傳感器處進(jìn)行定量分析，從而得到試樣的氧氣透過(guò)量。根據(jù)上述測(cè)試原理，兩種方法的對(duì)比分析詳見表1。

表1 氣體透過(guò)量測(cè)試方法之間的比較

在氣體透過(guò)量的兩種測(cè)試方法中，壓差法監(jiān)測(cè)的是氣體壓力變化情況，可測(cè)試氣體不受傳感器的限制，可用于多種不同種類氣體的滲透性能測(cè)試，適用范圍極廣；非消耗型的壓力傳感器決定了該方法可用于高透氣性材料的測(cè)試，且設(shè)備使用壽命長(zhǎng)；另外，隨著壓力傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，壓差法設(shè)備的檢測(cè)精度已達(dá)到10-2cm3/(m2·24h·0.1MPa)。由此可見，壓差法是一種可同時(shí)兼顧高透過(guò)量與高阻隔性材料、可測(cè)試多種氣體滲透性能的試驗(yàn)方法。

然而，隨著材料種類的增多，尤其是含有鍍層、涂層類材料的研發(fā)及應(yīng)用，引發(fā)了對(duì)氣體透過(guò)量測(cè)試結(jié)果的擔(dān)憂，如試驗(yàn)過(guò)程中試樣兩側(cè)的壓力差是否會(huì)破壞材料整體或鍍（涂）層結(jié)構(gòu)，是否會(huì)引起材料形變（例如厚度、面積的變化）。本文采用壓差法測(cè)試儀器對(duì)幾種不同材質(zhì)與阻隔性的薄膜材料氧氣透過(guò)量進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試，驗(yàn)證壓差是否會(huì)影響材料的阻隔性測(cè)試。

1.試驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1 試驗(yàn)樣品

本文以厚度均勻且無(wú)質(zhì)量問(wèn)題的PET薄膜、VMPET薄膜、KPET薄膜、SiOx-PET薄膜為試驗(yàn)樣品，分別編號(hào)為1#、2#、3#、4#。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用VAC-V2壓差法氣體滲透儀（濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司研發(fā)生產(chǎn)）進(jìn)行氧氣透過(guò)量重復(fù)性測(cè)試。

2.試驗(yàn)方法

在GB/T 2918規(guī)定的測(cè)試條件下，分別測(cè)試四種樣品在常溫23℃下及PET薄膜樣品在較高溫度40℃下的氧氣透過(guò)量，每個(gè)樣品均重復(fù)測(cè)試5次。由于溫度對(duì)鍍層結(jié)構(gòu)的影響未可知，故而僅對(duì)普通的PET薄膜進(jìn)行較高溫度下的測(cè)試。試驗(yàn)過(guò)程依據(jù)GB/T 1038-2000《塑料薄膜和薄片氣體透過(guò)性試驗(yàn)方法 壓差法》[2]進(jìn)行。

2.1 裁樣

用專用取樣器從四種樣品表面各裁取3片直徑為97mm的試樣。每次測(cè)試取3片試樣的算術(shù)平均值。

2.2 裝樣

在設(shè)備的三個(gè)測(cè)試腔周邊均勻涂抹一層真空油脂，并在測(cè)試區(qū)域各放置一片直徑為65mm的濾紙，取其中一種樣品的3片試樣放置在設(shè)備的三個(gè)測(cè)試腔上，輕輕按壓試樣與測(cè)試腔周邊接觸位置，去除測(cè)試腔與試樣間的氣泡，然后擰緊上腔。

2.3 試驗(yàn)

在控制軟件上設(shè)置試樣名稱、試驗(yàn)?zāi)Ｊ?、試?yàn)溫度、濕度、抽真空時(shí)間等參數(shù)信息，打開真空泵，點(diǎn)擊試驗(yàn)開始選項(xiàng)，試驗(yàn)開始。待設(shè)備按照設(shè)定參數(shù)完成試驗(yàn)后，記錄設(shè)備顯示試驗(yàn)結(jié)果。

2.4 重復(fù)測(cè)試

每次試驗(yàn)結(jié)束后，將測(cè)試上腔打開數(shù)小時(shí)后再閉合擰緊，再重新打開真空泵，啟動(dòng)試驗(yàn)。

3.試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 重復(fù)性

四種樣品氧氣透過(guò)量重復(fù)測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 四種樣品氧氣透過(guò)量重復(fù)測(cè)試的試驗(yàn)結(jié)果

若壓力差對(duì)材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響而使其氣體透過(guò)量的測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)偏差，那么隨著試驗(yàn)次數(shù)的增多，各次試驗(yàn)所測(cè)得氣體透過(guò)量的重復(fù)性較差。而實(shí)際情況可從表2中每種樣品的試驗(yàn)結(jié)果看出，四種樣品5次重復(fù)性試驗(yàn)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在2%～4%范圍內(nèi)，且在40℃的較高試驗(yàn)溫度下，PET樣品試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差并未高于常溫23℃下的測(cè)試結(jié)果，即四種樣品連續(xù)測(cè)試5次所得氧氣透過(guò)量的平行性與重復(fù)性較好，離散性小，在較高溫度下PET樣品的測(cè)試結(jié)果無(wú)明顯差異。這說(shuō)明常溫下壓力差并未對(duì)四種樣品的阻隔性能產(chǎn)生影響，在較高溫度下試樣發(fā)生軟化時(shí)，試樣兩側(cè)的壓力差亦未影響PET試樣的阻隔性。

3.2 波動(dòng)性

若壓力差影響材料結(jié)構(gòu)，材料的氣體透過(guò)量則隨壓力差對(duì)其作用時(shí)間的延長(zhǎng)而出現(xiàn)一定的規(guī)律性波動(dòng)。從表2中數(shù)據(jù)可以看出，隨著測(cè)試次數(shù)的增多，樣品各次測(cè)試結(jié)果間并未出現(xiàn)明顯增加或減小的趨勢(shì)。為了更直觀的顯示四種樣品氧氣透過(guò)量隨測(cè)試次數(shù)的波動(dòng)情況，繪制氧氣透過(guò)量隨試驗(yàn)次數(shù)變化圖（如圖1所示）。從圖中可進(jìn)一步看出，兩種試驗(yàn)條件下，四種樣品5次連續(xù)重復(fù)性試驗(yàn)所測(cè)得氧氣透過(guò)量均呈現(xiàn)出微小波動(dòng)且波動(dòng)并無(wú)規(guī)律可循。由此可見，隨著樣品在試驗(yàn)壓差條件下放置時(shí)間的延長(zhǎng)，四種樣品對(duì)氧氣的阻隔性能并未出現(xiàn)明顯的規(guī)律性變化，進(jìn)一步說(shuō)明基于壓差法原理的試驗(yàn)并未對(duì)本次所研究的常溫與較高溫度下的普通PET薄膜、PET鍍鋁薄膜、K涂層PET薄膜及PET鍍氧化鋁薄膜四種樣品的結(jié)構(gòu)及阻隔性產(chǎn)生影響。

圖1 每種樣品氧氣透過(guò)量隨測(cè)試次數(shù)的變化情況

3.3 阻隔性趨勢(shì)比較

縱觀表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，23℃下，四種樣品的氧氣透過(guò)量由大到小依次為1#、3#、2#、4#，1#樣品在40℃下的氧氣透過(guò)量明顯高于23℃的氧氣透過(guò)量。

四種樣品阻氧性能的高低趨勢(shì)主要與樣品結(jié)構(gòu)有關(guān)，與1#普通PET材料相比，2#、3#樣品因PET薄膜表面蒸鍍或涂布阻隔性更高的鋁層、PVDC材料而顯著提高阻隔性能，4#為近年來(lái)廣泛研究的高阻隔鍍氧化物透明薄膜，氧化物層的存在使其阻隔性可與含鋁箔類材料媲美[3]；不同溫度下樣品阻隔性的差異則與溫度升高增加了薄膜中可供氣體分子滲透的自由體積并提高了分子運(yùn)動(dòng)能力等因素有關(guān)[4]。故而，這種因材料結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)條件改變所引起的阻隔性變化趨勢(shì)也在基于壓差法原理的重復(fù)性測(cè)試過(guò)程中未被影響，且試驗(yàn)結(jié)束后四種樣品的試樣測(cè)試區(qū)域均未出現(xiàn)明顯彎曲變形或者鍍層被破壞的現(xiàn)象，進(jìn)一步說(shuō)明了壓力差對(duì)含有鍍層或涂層的材料未有明顯影響。

結(jié) 論

本文利用壓差法原理在相同的抽真空時(shí)間下測(cè)試了 23℃時(shí) PET、VMPET、KPET、SiOx-PET四種樣品及40℃時(shí)PET樣品的氧氣透過(guò)量。

連續(xù)重復(fù)測(cè)試5次所得的阻氧性能由高至低均依次為 SiOx-PET＞VMPET＞KPET＞PET 且 PET（23℃）＞PET(40℃)，這種阻隔性趨勢(shì)與樣品氧氣透過(guò)量的理論推導(dǎo)相符；同時(shí)，每個(gè)樣品5次測(cè)試結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均較低，離散性小，且各次測(cè)試值之間的微小波動(dòng)也并非遵循規(guī)律性。因此，在基于壓差法原理的試驗(yàn)過(guò)程中，在不同溫度下，薄膜兩側(cè)的0.1MPa壓差并不會(huì)影響本次所研究的薄膜材料結(jié)構(gòu)及其阻隔性能，進(jìn)一步說(shuō)明壓差法適用于穩(wěn)定材質(zhì)的薄膜材料及相應(yīng)的含有鍍層、涂層薄膜材料的氣體透過(guò)量測(cè)試。