摘要:擴(kuò)散系數(shù)是研究氣體在材料中滲透行為的重要參數(shù)。本文以壓差法氣體滲透儀為試驗(yàn)設(shè)備,采用時(shí)間滯后法分析了氧氣在PET薄膜樣品中的擴(kuò)散系數(shù),并通過對試驗(yàn)原理、設(shè)備參數(shù)及適用范圍、試驗(yàn)過程等內(nèi)容的介紹,為研究氣體在薄膜中的擴(kuò)散系數(shù)提供參考。
關(guān)鍵詞:氣體擴(kuò)散系數(shù)、壓差法氣體滲透儀、氧氣擴(kuò)散系數(shù)、PET薄膜、時(shí)間滯后法、氣體透過量、氧氣透過量、氧氣透過系數(shù)
1、意義
按照現(xiàn)有理論,氣體在薄膜材料中的滲透微觀過程表現(xiàn)為溶解吸附-擴(kuò)散-溶解脫附,其中氣體在材料中的擴(kuò)散是決定其滲透行為的重要參數(shù)指標(biāo),通常用擴(kuò)散系數(shù)表征材料擴(kuò)散能力。影響擴(kuò)散系數(shù)的因素包括溫度、氣體分子直徑及其與薄膜分子的相互作用、薄膜材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等,通過對氣體在薄膜中擴(kuò)散系數(shù)的研究及測試,有利于分析氣體在薄膜中的滲透行為及影響因素,為改善材料的阻隔性并提高對不同氣體的分離能力提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支持。
2、試驗(yàn)樣品
本文以氧氣為測試氣體,PET薄膜為試驗(yàn)樣品,測試氧氣在PET薄膜中的擴(kuò)散系數(shù)。
3、試驗(yàn)方法
氣體在薄膜材料中的擴(kuò)散系數(shù)測試方法包括半時(shí)間法、預(yù)計(jì)法與時(shí)間滯后法等,半時(shí)間法需通過抽真空或其他方法去除薄膜材料中的測試氣體,再將薄膜兩側(cè)的氣體調(diào)整為等壓的測試氣體與載氣,待達(dá)到滲透平衡后計(jì)算測試氣體的擴(kuò)散系數(shù),目前這種方法僅可測試氧氣的擴(kuò)散系數(shù),通常采用等壓法氧氣透過量檢測設(shè)備進(jìn)行測試;預(yù)計(jì)法是通過復(fù)雜的計(jì)算預(yù)測氣體的擴(kuò)散系數(shù);時(shí)間滯后法是使薄膜一側(cè)處于高真空、另一側(cè)為一定壓力試驗(yàn)氣體的情況下,測試氣體在薄膜兩側(cè)達(dá)到滲透平衡時(shí)的滯后時(shí)間,計(jì)算氣體擴(kuò)散系數(shù)。為了保證測試精度,并提高不同氣體擴(kuò)散系數(shù)的對比性,本文采用時(shí)間滯后法進(jìn)行研究試驗(yàn)。操作過程依據(jù)GB/T 1038-2000《塑料薄膜和薄片氣體透過性試驗(yàn)方法 壓差法》。
4、試驗(yàn)設(shè)備
本次試驗(yàn)采用VAC-V2壓差法氣體滲透儀為檢測設(shè)備,該設(shè)備由濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)。
4.1 試驗(yàn)原理
裝夾在測試腔中的試樣將測試腔分成上、下兩腔,下腔通過抽真空形成高真空環(huán)境,上腔中充入一定壓力的試驗(yàn)氣體。試驗(yàn)氣體會(huì)從上腔通過試樣滲透到下腔中,并通過壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控下腔中的壓力變化,繪制下腔壓力與時(shí)間的關(guān)系曲線,待達(dá)到滲透平衡時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)反向延長下腔壓力-時(shí)間曲線,并與時(shí)間軸相交于時(shí)間點(diǎn)t0,該時(shí)間即為滯后時(shí)間,試驗(yàn)氣體的擴(kuò)散系數(shù)D即為薄膜試樣厚度d的平方與6倍于滯后時(shí)間的比值。
D=d2/6t0
圖1 時(shí)間滯后法t0的取值
4.2 適用范圍
(1) 本設(shè)備專業(yè)用于多種薄膜、片材試樣在各種溫度下的擴(kuò)散系數(shù)、氣體透過率、滲透系數(shù)、溶解度系數(shù)的測試。薄膜類包括各種塑料薄膜、紙塑復(fù)合膜、共擠膜、鍍鋁膜、鋁箔、鋁箔復(fù)合膜等膜狀材料;片材類包括各種工程塑料、橡膠、建材等片狀材料,如PP片材、PVC片材、PVDC片材。
(2) 本設(shè)備還可擴(kuò)展到航空航天用材料、紙及紙板、漆膜、玻纖布、玻纖紙、化妝品軟管片材、各種橡膠片材等材料的透氣性測試。
(3) 本設(shè)備適用于多種氣體的透過率測試,如氧氣、二氧化碳、氮?dú)?、氦氣、空氣等?/span>
(4) 本設(shè)備滿足多項(xiàng)國家和國際標(biāo)準(zhǔn),如GB/T 1038、ISO 15105-1、ISO 2556、ASTM D1434、JIS K7126-1、YBB00082003。
4.3 設(shè)備參數(shù)
測試范圍為0.05 ~ 50,000 cm3/(m2·24h·0.1MPa),真空分辨率可達(dá)到0.1 Pa;控溫范圍為5℃ ~ 95℃,控溫精度為±0.1℃;控濕范圍為0%RH、2%RH ~ 98.5%RH、100%RH,控濕精度為±1%RH,可滿足試樣不同試驗(yàn)條件下的檢測需求;有三個(gè)完(分隔)全獨(dú)立的試驗(yàn)腔,可同時(shí)測試三種相同或不同的試樣;可進(jìn)行任意溫度下的數(shù)據(jù)擬合,輕松獲得極(分隔)端測試條件下的試驗(yàn)結(jié)果;經(jīng)過改制,本設(shè)備還可支持有毒氣體、易燃易爆氣體的測試;提供標(biāo)準(zhǔn)膜進(jìn)行快速校準(zhǔn),保證檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和通用性;支持LystemTM實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)共享系統(tǒng),統(tǒng)一管理試驗(yàn)結(jié)果和檢測報(bào)告。
5、試驗(yàn)過程
(1) 用取樣器從PET薄膜樣品表面裁取3片直徑97 mm的試樣并依次測試其厚度。
(2) 在設(shè)備3個(gè)測試腔的周邊均勻涂抹一層真空油脂,注意真空油脂不能污染測試區(qū)域,然后在測試區(qū)域放置直徑為65 mm的濾紙,分別將3片試樣裝夾到3個(gè)測試腔上。
(3) 在控制軟件上設(shè)置試樣名稱、厚度、試驗(yàn)溫度、濕度、抽真空時(shí)間等參數(shù)信息,點(diǎn)擊開始試驗(yàn)選項(xiàng),打開真空泵。設(shè)備按照設(shè)定的參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)。
(4) 試驗(yàn)結(jié)束后,設(shè)備自動(dòng)計(jì)算并顯示所測試氣體在試樣中的擴(kuò)散系數(shù)、氣體透過量、氣體透過系數(shù)。
6、試驗(yàn)結(jié)果
氧氣在本次所測試的PET薄膜樣品中的擴(kuò)散系數(shù)為3.2 × 10-9 cm2/s。
7、結(jié)論
隨著薄膜材料應(yīng)用領(lǐng)域及范圍的擴(kuò)大,對氣體在薄膜材料中擴(kuò)散系數(shù)的研究及測試已成為改善薄膜性能的重要依據(jù)。本文采用時(shí)間滯后法測試了氧氣在PET薄膜樣品中的擴(kuò)散系數(shù),該方法達(dá)到滲透平衡的時(shí)間短,測試精度高,試驗(yàn)過程簡單,設(shè)備易于操作、智能化程度高。除氧氣的擴(kuò)散系數(shù)外,該方法還可用于氮?dú)?、空氣、二氧化碳、氦氣、六氟化硫等多種不同氣體擴(kuò)散系數(shù)及滲透行為的比較分析。濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司是一家專業(yè)從事包裝檢測設(shè)備研發(fā)生產(chǎn)與包裝檢測服務(wù)的技術(shù)企業(yè),現(xiàn)有設(shè)備已在食品、藥品、包裝與印刷、日化用品、汽車、電子、第三方檢測機(jī)構(gòu)、科研院所及高校等行業(yè)與領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,了解設(shè)備信息,可登陸濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司網(wǎng)站查看或致電咨詢。愈了解,愈信任!Labthink蘭光期待與行業(yè)中的企事業(yè)單位增進(jìn)技術(shù)溝通與合作。
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