紅外傳感器法和稱重法對干燥劑包材水蒸氣透過率的研究

何賢培，王朝暉，蘇婉霞

（1. 佛山市順德區特普高實業有限公司，廣東 佛山 528318；2. 北京市產品質量監督檢驗院，北京 101399）

干燥劑的使用尤為廣泛：衣服鞋帽、食品藥品、電子產品、物流運輸和航空航天[1-2]。吸濕率是干燥劑的關鍵指標[3]，考慮到干燥劑作為一個整體在產品里面使用，包裝行業標準BB/T 0049-2008《包裝用礦物干燥劑》和藥包材標準YBB 00122005-2015《固體藥用紙袋裝硅膠干燥劑》中吸濕率的測試方法均沒有明確規定除去包裝袋測試，但由于包裝膜的材質和工藝需求，吸濕率的檢測結果經常出現帶包裝膜樣品比除去包裝膜樣品測試結果偏低的情況。

干燥劑包裝膜也稱為干燥劑包裝材料，是干燥劑原料的容器，在干燥劑的使用周期內起到阻隔干燥劑原料與產品的作用。雖然干燥劑的使用相當廣泛，但是干燥劑行業在國內外屬于小眾化行業，研究文獻較少，而專門對干燥劑包裝膜的研究幾乎處于空白階段。一包完整的干燥劑除了有好的吸附材料以外，包裝袋也是重要的組成部分。精密儀器設備或線路板IC芯片在運輸過程中需要使用干燥劑，同時需要對干燥劑粉塵進行限制，這需要特殊的包裝材料。氯化鈣干燥劑吸水前后從固態變為液態，需要設計特殊的包裝容器以免液體滲漏污染產品。干燥劑包裝材料需要用透濕度大的材料進行包裝，如用無紡布或棉布制作干燥劑包裝袋。BB/T 0049-2021《包裝用干燥劑》首次對干燥劑包裝材料提出干燥劑包裝袋需要符合防塵、防水、水蒸氣透過率和耐破等相關要求。按材質分類，可分為無紡布包裝膜、塑料薄膜包裝膜、紙塑復合包裝膜和其他包裝膜。

無紡布包裝膜是由塑料材料經過無紡或者熔噴整理和平壓得到的無紡布做成的，主要的代表產品是美國杜邦公司生產的杜邦特衛強。杜邦特衛強是高密度聚乙烯材料(HDPE)經過閃蒸法壓制而成的無紡布材料，具有強度高、防塵和水蒸氣透過率高等特點。

塑料薄膜包裝膜是由聚乙烯薄膜(PE)和聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜(PET)或者聚丙烯薄膜(PP)通過膠水復合再通過表面打孔而成的。塑料薄膜在工業和生活領域應用極為廣泛，各種塑料袋和包裝袋都是由塑料薄膜制成的，因此塑料薄膜在干燥劑包裝膜的應用上也極為豐富。通過印刷上特定的文字可以起到警示的作用，特別是食品和藥品干燥劑，由于產品與干燥劑直接接觸，通過里印的方法可以有效避免油墨與產品接觸，提高產品的安全性。但是由于塑料薄膜本身的水蒸氣透過率非常低(＜5g/m2·24h)，需要對塑料薄膜進行物理打孔以便干燥劑吸收空氣中的潮氣。

隨著單包干燥劑的重量減少，包裝膜占整包干燥劑的重量百分比就越高，而包裝膜一般為紙塑復合或無紡布類材料，具有透濕性和阻水性[4]，不具有吸濕性，會造成吸濕率測試結果偏低。新公布實施的包裝行業標準BB/T 0049-2021《包裝用干燥劑》中關于吸濕率的測試方法已明確拆去外包裝進行測試，同時規定包裝膜的水蒸氣透過率要大于20 g/(m2·d)。應用于車燈的干燥劑，需要吸濕速度慢和吸濕速度快的兩包干燥劑同時作用，快速吸收車燈組件內的水份，同時需要吸濕速度慢的干燥劑發揮長效的作用，這些都是通過控制干燥劑包裝材料的水蒸氣透過率而實現的。但在對干燥劑包裝材料的研究過程中，材料水蒸氣透過率的測試方法種類繁多，不同的測試方法測試結果偏差較大，需要通過數據穩定、重復性優異的方法衡量干燥劑包裝膜水蒸氣透過率。

水蒸氣透過率的測試方法有紅外檢測器法[5]、電解傳感器法[6]、濕度傳感器法[7]和稱重法（杯式法）[8-9]。稱重法是通過試樣的兩側（透濕杯內、外）形成一定的環境濕度差后實現水蒸氣滲透，再稱量透濕杯質量變化，通過計算得到樣品的水蒸氣透過率[11-12]，由于水蒸氣透過材料的時間較慢，一般稱重法測試時間在24h以上。而上述前三種傳感器法利用水蒸氣與傳感器之間的物理或化學反應產生的電信號測試出相應樣品的水蒸氣透過率[13]，測試時間較短，但需要用經過杯式法標定的參考膜對測試儀器進行校準。傳感器法測試上限一般只有100 g/(m2·d)，稱重法的測試上限可達10000 g/(m2·d)。為研究傳感器法和稱重法對干燥劑包裝膜水蒸氣透過率測試結果的影響，本文采用紅外法和稱重法測試幾種不同類干燥劑包裝膜的水蒸氣透過率。

1 實驗

1.1 方法與原理

傳感器法均先通過標定的參考膜進行校準，利用傳感器的電信號測試出樣品的水蒸氣透過率，而且測試上限只有100 g/(m2·d)，而干燥劑包裝材料一般的水蒸氣透過率都在100 g/(m2·d)以上，所以本文研究依據GB/T 26253-2010規定的紅外法進行測試，同時為了能滿足設備測試的需要，把測試腔的測試面積從50 cm2縮小50倍至1 cm2，見圖1。

圖1 紅外傳感器法測試腔體示意圖

GB 1037-1988只規定了增重法，但在實際測試中，增重法和減重法沒有明顯差異[14]，本文研究依據ASTM E96-2016標準中規定的增重法和減重法分別對樣品進行測量。增重法為透濕杯內放置干燥劑，測試時水蒸氣透過材料進入透濕杯，引起透濕杯重量增加；減重法為透濕杯內放置蒸餾水，測試時蒸餾水汽化透過材料釋放到透濕杯外部，引起透濕杯重量減少，其原理見圖2。

圖2 稱重法原理

1.2 試樣及設備

選取幾種常見的干燥劑包裝膜為試驗樣品，見 表1。

表1 樣品名稱及材質

由于傳統的稱重法需要人工不斷從恒溫恒濕箱把透濕杯放到分析天平去稱量，恒溫恒濕箱的開關和樣品的移除會影響樣品的溫濕度環境，人為稱量也會造成誤差。為排除人為操作和環境等引發的測試誤差，采用由廣州西塘電機科技有限公司生產的恒溫恒濕試驗腔內自動稱量的W-B-31E水蒸氣透過率測試儀進行試驗。紅外傳感器法使用美國膜康公司生產的Model 3/34水蒸氣透過率測試儀進行試驗。

1.3 測試條件

考慮到干燥劑的吸濕率測試通用條件一般為相對濕度90%，另外參考ASTM E96-2016和GB/T 26253-2010，本研究選定的試驗條件分別為溫度23℃，相對濕度90%（條件1），溫度38℃，相對濕度90%（條件2）。

2 結果與討論

2.1 減重法與增重法

不同樣品在兩種條件下測試面積均為33cm2，杯式增重法和減重法的水蒸氣透過率測試結果（每個結果為相應條件下3組平行測試數據的算術平均值）見表2。

從表2可以看出，不同干燥劑包裝材料的水蒸氣透過率能達兩到三個數量級的差距。隨著溫度的升高，水蒸氣透過率增大。相對濕度不變的情況下，隨著溫度的升高，空氣中的絕對濕度增加[15]，包裝膜材料兩側的蒸氣壓也增大，有利于水蒸氣擴散，引起水蒸氣透過率增大。另外，從增重法和減重法的差值可以看出，增重法的測試數據比減重法低，差值隨著水蒸氣透過率的增大而擴大。表明了對于干燥劑包裝膜這種水蒸氣透過率較大的材料，在使用增重法的時候，透濕杯內的干燥劑容易因為吸濕能力下降導致測試結果偏少。當使用增重法時，透濕杯內的干燥劑會因為吸收過多的水蒸氣而導致吸濕能力下降，最終導致透濕杯內外的濕度差不能滿足測試需求。而減重法由于透濕杯內是液態水，能在測試過程中一直保持透濕杯內外的濕度差，因此減重法更適合用于測試干燥劑包裝膜的水蒸氣透過率。

表2 不同樣品增重法和減重法的水蒸氣透過率測試結果對比

2.2 紅外傳感器法與稱重法

不同樣品在兩種條件下的紅外傳感器法、稱重法（這里用減重法作比較）的水蒸氣透過率測試結果（每個結果為相應條件下3組平行測試數據的算術平均值）見表3。

表3 紅外法和減重法的水蒸氣透過率測試結果對比

從表3可看出，以上干燥劑包裝膜樣品紅外傳感器法兩組數據結果有明顯偏差，而且差值大于所測水蒸氣透過率的10%，有兩組結果甚至有超過一倍的偏差。相比之下，減重法的偏差均在±10%以內，具有良好的重復性。一般紅外傳感器法測試面積在30cm2以上，而無紡布纖維排列不規則、雜亂，致使包裝膜材料不均勻度增加。不均勻的材料在樣品制作的時候，由于采樣面積縮小，引起了數據偏差的增大。同時，杜邦紙是單層材料，而杜特Ⅱ是多層復合材料，相對來說，多層復合材料的不均勻性比單層材料的不均勻性更大，因此其水蒸氣透過率的偏差也較大。相對于減重法來說，同一個樣品兩組試驗結果偏差均小于10%，說明使用稱重法測試面積擴大，有利于數據的一致性和重復性。考慮到干燥劑吸濕率的測試溫度一般為23℃～25℃，在評價干燥劑包裝膜的水蒸氣透過率時，更適合使用溫度為23℃，相對濕度為90%作為測試條件。

3 結語

研究發現，干燥劑包裝膜是一種不均勻且水蒸氣透過率較大的包裝材料。在評價此類型材料的水蒸氣透過率時，勉強用傳感器法縮小面積進行測試會引起很大的測試偏差。用增重法測試水蒸氣透過率較大材料時容易引起測試數據偏低，減重法更適合應用于測試干燥劑的水蒸氣透過率，建議在選用測試條件時從應用角度出發選擇合適的測試條件。