薄膜厚度对氧气透过量的影响研究

摘要：薄膜的厚度是影响氧气透过量的重要因素。本文分别测试了厚度为10 μm、12 μm、15 μm、25 μm的同种材质的薄膜材料的氧气透过量，对比了该材质薄膜的氧气透过量随相应厚度变化情况，并介绍了试验原理、相关压差气体渗透仪的参数及适用范围、试验过程等内容，为材料氧气透过量的研究及测试提供参考。

关键词：厚度、氧气透过量、压差法、压差法气体渗透仪、薄膜材料、阻氧性能

1、意义

　　对于材质结构相同的包装材料而言，材料的厚度是影响其阻隔性能的重要因素。材料的厚度增加，延长了气体在包装材料中的渗透路径，使得气体从试样的一侧渗透到另一侧的时间增加，从而降低了渗透过材料的气体量，提高了材料对气体的阻隔性能。然而，材料厚度增加势必会提高包装成本，且环保性降低，因此，在选用包装时如何协调控制包装成本、保证包装环保性及阻隔性三者的关系，则需要研究材料厚度与其阻隔性能的关系。本文针对性测试了相同材质材料、不同厚度薄膜对应的氧气透过量，并绘制厚度与氧气透过量关系趋势图，以评价厚度对材料阻氧性的影响。

2、试验样品

　　本次试验以某种单层膜材料为试验样品，分别测试厚度为10μm、12μm、15μm、25μm样品的氧气透过量。

3、试验依据

　　目前，软塑包装材料氧气透过量的测试方法包括压差法、等压法(库仑计法)，本次试验采用压差法对样品进行测试，试验过程依据方法标准GB/T 1038-2000《塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法 压差法》进行。

4、试验设备

　　本文采用VAC-V2压差法气体渗透仪测试样品的氧气透过量，该设备由济南兰光机电技术有限公司自主研发生产。

4.1 试验原理

　　压差法原理即根据压力传感器所测得气体压力的变化情况得到材料的气体渗透性能相关参数，也是通过压力差使气体在试样两侧发生渗透。将试样装夹在设备的测试腔中，使设备的上、下腔分开，上腔中充填测试气体，下腔通过抽真空形成低压环境，上腔的气体通过试样渗透到下腔中，下腔中的气体压力因此而发生变化。通过下腔中的压力传感器对下腔气体压力随渗透时间的增加情况的实时监测，即可计算得到试样的气体透过量、气体渗透系数、扩散系数及溶解度系数等气体渗透参数。

图1  VAC-V2压差法气体渗透仪

4.2 适用范围

　　(1) 本设备专业用于多种薄膜、片材试样在各种温度下的气体透过率、渗透系数、溶解度系数、扩散系数的测试。薄膜类包括各种塑料薄膜、纸塑复合膜、共挤膜、镀铝膜、铝箔、铝箔复合膜等膜状材料。片材类包括各种工程塑料、橡胶、建材等片状材料，如PP片材、PVC片材、PVDC片材。

　　(2) 本设备还可扩展到航空航天用材料、纸及纸板、漆膜、玻纤布、玻纤纸、化妆品软管片材、各种橡胶片材等材料的透气性测试。

　　(3) 本设备适用于多种气体的透过率测试，如氧气、二氧化碳、氮气、氦气、空气等。

　　(4) 本设备可满足多项国家和国际标准，如ISO 15105-1、ISO 2556、GB/T 1038、ASTM D1434、JIS K7126-1、YBB00082003等。

4.3设备参数

　　测试范围0.05 ~ 50,000 cm³/(m²·24h·0.1MPa)，真空分辨率可达到0.1 Pa；控温范围为5℃ ~ 95℃，控温精度为±0.1℃；控湿范围为0%RH、2%RH~98.5%RH、100%RH，控湿精度为±1%RH，可满足客户不同试验条件下的检测需求；有三个完全独立的试验腔，可同时测试三种相同或不同的试样；可进行任意温度下的数据拟合，轻松获得极端测试条件下的试验结果；经过改制，本设备还可支持有毒(分隔符)气体、易燃易爆气体的测试；提供标准膜进行快速校准，保证检测数据的准确性和通用性；支持Lystem^TM实验室数据共享系统，统一管理试验结果和检测报告。

5、试验过程

　　(1) 从厚度为10 μm的样品表面裁取3片直径为97 mm的试样，在设备的三个测试腔周边均匀涂抹真空油脂，并各放置一片支撑用滤纸，然后将3片试样分别装夹在3个测试腔中，拧紧测试腔盖。

　　(2) 设备连接氧气气源。在控制软件中设置试样名称、试样厚度、试验温度、湿度及试验模式等参数信息，点击试验选项，打开真空泵，启动试验。设备按照设定的参数对试样的氧气渗透性能进行测试，并在试验结束后显示试验结果。

　　(3) 按照(1)、(2)中的步骤依次测试厚度为12 μm、15 μm、25 μm样品的氧气透过量。

6、试验结果

　　取每种样品3片试样测试结果的算术平均值为该样品的氧气透过量。本次所测得厚度为10 μm、12 μm、15 μm、25 μm样品的氧气透过量分别为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)。根据样品厚度及对应的氧气透过量作图，如图2所示。

7、结论

　　本次试验利用压差法设备VAC-V2压差法气体渗透仪对4种厚度不同的相同材质薄膜样品的氧气透过量进行了测试，设备易于操作，试验效率高，试验结果的精度高，重复性好，可以真实的反映出样品对氧气的阻隔性能。从图2中可以看出，随着厚度的增加，样品的氧气透过量降低，说明样品对氧气的阻隔性能随样品厚度的增加而提高；另外，随着厚度的增加，样品氧气透过量的变化趋势变缓，即在样品厚度较薄时，厚度增加，样品的阻氧性能提高明显，但随着厚度的继续增加，厚度的变化对提高样品阻氧性能的影响变小。