以小量程壓差法儀器測定保鮮膜氣體透過率的方法研究

劉山生，袁 威

（北京工商大學輕工業塑料加工應用塑料研究所，國家塑料制品質量監督檢驗中心（北京），北京100048）

0 前言

測定材料的氣體透過率有多種不同的方法，但以壓差法最為常用。以壓差法測定材料的氣體透過率時，不僅可以測定不同種類的單一氣體，也可以測定混合氣體。以特定氣體傳感器法測定時，只能測定單一特定氣體的透過率。因此，大多數檢測機構多采購壓差法儀器用于氣體透過率的測定。

以壓差法測定薄膜的氣體透過率時，受真空室體積和超低絕對壓力傳感器測量范圍的限制，其測量量程較小，大多數檢測機構采購的儀器，其量程范圍不大于104cm3／［m2·d·（0.1MPa）］。以日本 TOYOSEIKI BT-3型氣體透過率測定儀為例，其測量量程約為0.3～9000cm3／［（m2·d·（0.1MPa）］，而不同氣體對保鮮膜的透過率范圍約在104～105cm3／［（m2·d·（0.1MPa）］，大大超出了儀器的測定量程范圍，且氣體透過率Q與薄膜層數N 之間不是線性關系，不能以多層疊加測定結果直接乘以疊加層數來獲得單層薄膜的氣體透過率。

為解決如何以小量程儀器測定大氣體透過率的問題，筆者通過對多層保鮮膜疊加測定氣體透過率Q與疊加層數N的關系研究，獲得了氣體透過率Q與試樣層數N間的函數關系，可在儀器測定量程小于材料氣體透過率的情況下，能夠測得單層保鮮膜的氣體透過率，從而拓展了儀器的測量量程范圍。

1 實驗部分

1.1 主要原料

聚乙烯自粘保鮮膜，厚度0.009mm，市售；

O2、CO2、He，純度＞99.99%，市售。

1.2 主要設備及儀器

氣體透過性測定儀，BT-3，帶恒溫裝置，日本Toyoseiki公司。

1.3 測試方法與測試條件

按照GB／T 1038—2000塑料薄膜和片材氣體透過性測試方法壓差法測定薄膜的氣體透過率，測試條件（23±0.3）℃。

2 結果與討論

2.1 疊加層數與氣體透過率的關系

由于聚乙烯自粘保鮮膜氧氣（O2）透過率在104cm3／［（m2·d·（0.1MPa）］以上、二氧化碳透過率在105cm3／［（m2·d·（0.1MPa）］以上，而日本 TOYOSEIKIBT-3型氣體透過率測定儀的最大測量范圍約為9000cm3／［（m2·d·（0.1MPa）］。因此單層保鮮膜的氣體透過率超出了該儀器的測定范圍，為此我們采用多層疊加方式進行測定，得到試樣層數（N）和氣體透過率（Q）的結果見表1。

表1 氣體透過率測定結果Tab.1 Test result for gas transmission

從圖1可以看出，N與Q的關系近似負指數曲線，因此我們對N及Q同時取對數，見表2。

圖1 N與Q的關系Fig.1 Relationship between Nand Q

表2 N與Q的對數值Tab.2 Logarithm of Nand Q

以表2中lnQ對lnN作圖，見圖2。由圖2可見，lnQ與lnN 具有良好的線性關系。設Y＝lnQ，X＝lnN，可以分別求得其線性回歸方程Y＝bX＋a及相關系數r如式（1）～（3）。

由相關系數r可見，試樣層數的對數lnN與氣體透過率對數lnQ之間，具有高度的線性負相關關系。但按標準規定，應當檢測單層材料的氣體透過率，即N＝1時的氣體透過率。N＝1時，X＝0，Q的計算公式如式（4）所示，O2、CO2、He計算結果如式（5）、（6）、（7）。

2.2 測試結果偏差分析

為確定按線性回歸方程所獲得結果的標準差，我們可計算該回歸線的標準差Se如下：設Yt為回歸曲線求取值，Yc為實際測試值，對氧氣而言，殘差的平方和如表3所示。

圖2 N與Q的對數關系曲線Fig.2 Relationship of between logarithm of Nand logarithm of Q

表3 lnQO2殘差的平方Tab.3 The square of residual error of lnQO2

此回歸線的標準差Se如式（8）所示，則eSe＝1.072。

取包含因子k＝1，則任意點的Y＝Yt±Se，則透氣量Q＝eY的上、下偏差為：ΔU＝（eSe-1）×100＝（1.072-1）×100＝7.2%；ΔD＝（）×100%＝6.7%。同樣，可求得CO2、He回歸線的標準差及導出結果的偏差范圍。對于 CO2：Se ＝0.0538，ΔU＝（eSe-1）×100＝（1.055-1）×100＝5.5%；ΔD＝（）×1 00%＝5.2%；對于He：Se＝0.0486，ΔU＝（eSe-1）×100＝（1.050-1）×100＝5.0%；ΔD＝）×100%＝4.8%。由此可見，以本方法測定所獲得結果的最大偏差均小于10%。

3 結論

（1）氣體透過率Q的對數lnQ與保鮮膜層數N 的對數lnN為高度線性負相關，因此可通過兩次以上不同層數疊加試樣的測定結果，得到其線性回歸方程，從而求得單層保鮮膜的氣體透過率，推薦測定層數為20層、40層。

（2）對不同種類單一氣體而言，lnQ與lnN均呈現高度線性負相關，但其斜率不同；

（3）氣體透過率可直接以回歸線的截距計算獲得，即Q＝ea，此方法可擴展氣體透過率測試儀器的測量量程范圍；

（4）此方法獲得結果的最大偏差小于10%。

［1］國家質量技術監督局.GB／T 1038—2000塑料薄膜和片材氣體透過性測試方法 壓差法［S］.北京：中國標準出版社，2005.