薄膜厚度對氧氣透過量的影響研究

摘要：薄膜的厚度是影響氧氣透過量的重要因素。本文分別測試了厚度為10 μm、12 μm、15 μm、25 μm的同種材質的薄膜材料的氧氣透過量，對比了該材質薄膜的氧氣透過量隨相應厚度變化情況，并介紹了試驗原理、相關壓差氣體滲透儀的參數及適用范圍、試驗過程等內容，為材料氧氣透過量的研究及測試提供參考。

關鍵詞：厚度、氧氣透過量、壓差法、壓差法氣體滲透儀、薄膜材料、阻氧性能

1、意義

　　對于材質結構相同的包裝材料而言，材料的厚度是影響其阻隔性能的重要因素。材料的厚度增加，延長了氣體在包裝材料中的滲透路徑，使得氣體從試樣的一側滲透到另一側的時間增加，從而降低了滲透過材料的氣體量，提高了材料對氣體的阻隔性能。然而，材料厚度增加勢必會提高包裝成本，且環保性降低，因此，在選用包裝時如何協調控制包裝成本、保證包裝環保性及阻隔性三者的關系，則需要研究材料厚度與其阻隔性能的關系。本文針對性測試了相同材質材料、不同厚度薄膜對應的氧氣透過量，并繪制厚度與氧氣透過量關系趨勢圖，以評價厚度對材料阻氧性的影響。

2、試驗樣品

　　本次試驗以某種單層膜材料為試驗樣品，分別測試厚度為10μm、12μm、15μm、25μm樣品的氧氣透過量。

3、試驗依據

　　目前，軟塑包裝材料氧氣透過量的測試方法包括壓差法、等壓法(庫侖計法)，本次試驗采用壓差法對樣品進行測試，試驗過程依據方法標準GB/T 1038-2000《塑料薄膜和薄片氣體透過性試驗方法 壓差法》進行。

4、試驗設備

　　本文采用VAC-V2壓差法氣體滲透儀測試樣品的氧氣透過量，該設備由濟南蘭光機電技術有限公司自主研發生產。

4.1 試驗原理

　　壓差法原理即根據壓力傳感器所測得氣體壓力的變化情況得到材料的氣體滲透性能相關參數，也是通過壓力差使氣體在試樣兩側發生滲透。將試樣裝夾在設備的測試腔中，使設備的上、下腔分開，上腔中充填測試氣體，下腔通過抽真空形成低壓環境，上腔的氣體通過試樣滲透到下腔中，下腔中的氣體壓力因此而發生變化。通過下腔中的壓力傳感器對下腔氣體壓力隨滲透時間的增加情況的實時監測，即可計算得到試樣的氣體透過量、氣體滲透系數、擴散系數及溶解度系數等氣體滲透參數。

圖1  VAC-V2壓差法氣體滲透儀

4.2 適用范圍

　　(1) 本設備專業用于多種薄膜、片材試樣在各種溫度下的氣體透過率、滲透系數、溶解度系數、擴散系數的測試。薄膜類包括各種塑料薄膜、紙塑復合膜、共擠膜、鍍鋁膜、鋁箔、鋁箔復合膜等膜狀材料。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) 本設備還可擴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) 本設備適用于多種氣體的透過率測試，如氧氣、二氧化碳、氮氣、氦氣、空氣等。

　　(4) 本設備可滿足多項國家和標準，如ISO 15105-1、ISO 2556、GB/T 1038、ASTM D1434、JIS K7126-1、YBB00082003等。

4.3設備參數

　　測試范圍0.05 ~ 50,000 cm³/(m²·24h·0.1MPa)，真空分辨率可達到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、RH，控濕精度為±1%RH，可滿足客戶不同試驗條件下的檢測需求；有三個*獨立的試驗腔，可同時測試三種相同或不同的試樣；可進行任意溫度下的數據擬合，輕松獲得測試條件下的試驗結果；經過改制，本設備還可支持有毒氣體、易燃易爆氣體的測試；提供標準膜進行快速校準，保證檢測數據的準確性和通用性；支持Lystem^TM實驗室數據共享系統，統一管理試驗結果和檢測報告。

5、試驗過程

　　(1) 從厚度為10 μm的樣品表面裁取3片直徑為97 mm的試樣，在設備的三個測試腔周邊均勻涂抹真空油脂，并各放置一片支撐用濾紙，然后將3片試樣分別裝夾在3個測試腔中，擰緊測試腔蓋。

　　(2) 設備連接氧氣氣源。在控制軟件中設置試樣名稱、試樣厚度、試驗溫度、濕度及試驗模式等參數信息，點擊試驗選項，打開真空泵，啟動試驗。設備按照設定的參數對試樣的氧氣滲透性能進行測試，并在試驗結束后顯示試驗結果。

　　(3) 按照(1)、(2)中的步驟依次測試厚度為12 μm、15 μm、25 μm樣品的氧氣透過量。

6、試驗結果

　　取每種樣品3片試樣測試結果的算術平均值為該樣品的氧氣透過量。本次所測得厚度為10 μm、12 μm、15 μm、25 μm樣品的氧氣透過量分別為84.608 cm³/(m²·24h·0.1MPa)、67.069 cm³/(m²·24h·0.1MPa)、56.483 cm³/(m²·24h·0.1MPa)、29.164 cm³/(m²·24h·0.1MPa)。根據樣品厚度及對應的氧氣透過量作圖，如圖2所示。

7、結論

　　本次試驗利用壓差法設備VAC-V2壓差法氣體滲透儀對4種厚度不同的相同材質薄膜樣品的氧氣透過量進行了測試，設備易于操作，試驗效率高，試驗結果的精度高，重復性好，可以真實的反映出樣品對氧氣的阻隔性能。從圖2中可以看出，隨著厚度的增加，樣品的氧氣透過量降低，說明樣品對氧氣的阻隔性能隨樣品厚度的增加而提高；另外，隨著厚度的增加，樣品氧氣透過量的變化趨勢變緩，即在樣品厚度較薄時，厚度增加，樣品的阻氧性能提高明顯，但隨著厚度的繼續增加，厚度的變化對提高樣品阻氧性能的影響變小。濟南蘭光機電技術有限公司是一家專業從事包裝檢測設備研發生產與包裝檢測服務的高新(分隔符)技術企業，成立30年來積累了大量寶貴而豐富的研發生產經驗及試驗經驗，在先進傳感器技術及設計理念的指引下，厚積薄發，推出了全新一代的C系列阻隔性檢測設備，該系列檢測設備采用自主傳感器技術，在測試精度、效率與自動化方面進行了革命性升級，實現了包裝阻隔性設備的震撼蛻變。了解相關設備信息，可登陸濟南蘭光公司站查看具體信息或致電咨詢。愈了解，愈信任！Labthink蘭光期待與行業中的企事業單位增進技術溝通與合作。