摘要: 本文從測(cè)試原理上論證了由于氮?dú)饽嫦驖B透的存在使得壓差法與等壓法存在本質(zhì)的區(qū)別。
關(guān)鍵詞：壓差法,等壓法,互擴(kuò)散,自擴(kuò)散,逆向滲透
壓差法和等壓法是薄膜透氣性測(cè)試通常使用的兩大類方法。通過(guò)詳細(xì)的研究表明，壓差法和等壓法存在著本質(zhì)上的不同，是兩類*不同的透氣性測(cè)試方法。
1．試驗(yàn)原理分析
1.1 壓差法
真空法是壓差法中代表性的一種測(cè)試方法，也是氣體滲透定義的方法。其測(cè)試原理（如圖1所示）是利用試樣將滲透腔隔成兩個(gè)獨(dú)立的空間，先將試樣兩側(cè)都抽成真空，然后向其中一側(cè)充入0.1MPa（絕壓）的測(cè)試氣體，而另一側(cè)則保持真空狀態(tài)。這樣在試樣兩側(cè)就形成了0.1MPa的測(cè)試氣體壓差，測(cè)試氣體滲透通過(guò)薄膜進(jìn)入低壓側(cè)并引起低壓側(cè)壓力的變化。通過(guò)使用高精度測(cè)壓計(jì)測(cè)量低壓側(cè)的壓力變化量就可以利用公式計(jì)算得到氣體透過(guò)量。
圖1. 壓差法試驗(yàn)原理圖
壓差法具有對(duì)測(cè)試氣體沒(méi)有選擇性、測(cè)試成本低、試驗(yàn)成功率高等顯著的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)，然而zui為突出的當(dāng)數(shù)在其測(cè)試環(huán)境中氣體“純凈”。因?yàn)樵谡婵辗ǖ脑囼?yàn)過(guò)程中會(huì)先對(duì)整個(gè)測(cè)試腔抽真空至27Pa以下，再對(duì)測(cè)試上腔充入純凈的測(cè)試氣體，這樣在整個(gè)試驗(yàn)環(huán)境中的雜質(zhì)氣體（非試驗(yàn)氣體）就可以忽略了，因此雜質(zhì)氣體可能給試驗(yàn)帶來(lái)的影響就能排除了。
1.2 等壓法
目前應(yīng)用于透氣性檢測(cè)的等壓法主要是傳感器法（氣象色譜法的實(shí)際應(yīng)用很少），它主要用于氧氣透過(guò)性檢測(cè)，測(cè)試原理如圖2所示：利用試樣將滲透腔隔成兩個(gè)獨(dú)立的氣流系統(tǒng)，一側(cè)為流動(dòng)的測(cè)試氣體（可以是純氧氣或是含氧氣的混合氣體），另一側(cè)為流動(dòng)的干燥載氣（氮?dú)猓?。試樣兩邊的壓力相等，但氧氣分壓不同。在氧氣的分壓差作用下，氧氣透過(guò)薄膜并被氮?dú)饬魉椭羵鞲衅髦?，由傳感器測(cè)量出氮?dú)饬髦袛y帶的氧氣量，從而計(jì)算出材料的氧氣透過(guò)率。
圖2. 等壓法試驗(yàn)原理圖
等壓法的突出優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行容器透氧性檢測(cè)，但在測(cè)試氣體的通用性上不如壓差法廣泛。由于在等壓法測(cè)試原理中對(duì)載氣的需要使得在該方法中存在兩種數(shù)量相當(dāng)?shù)臍怏w，當(dāng)試樣兩側(cè)有0.1MPa氧氣分壓差存在的同時(shí)也有0.1MPa氮?dú)夥謮翰畲嬖?，不過(guò)它們的梯度方向正好相反，因此在等壓法中當(dāng)氧氣滲透通過(guò)薄膜的同時(shí)氮?dú)膺M(jìn)行著逆向的滲透。
2．等壓法氮?dú)饽嫦驖B透的影響
2.1 擴(kuò)散原理
物質(zhì)的宏觀擴(kuò)散是物質(zhì)微觀碰撞致使部分物質(zhì)出現(xiàn)遷移的宏觀現(xiàn)象。由于分子濃度的不同，濃度高的分子（分子數(shù)目多）在相同的碰撞中轉(zhuǎn)移到濃度低部位的總數(shù)目多，于是就產(chǎn)生了擴(kuò)散現(xiàn)象。當(dāng)擴(kuò)散物質(zhì)只有一種時(shí)，分子間的碰撞會(huì)使得物質(zhì)發(fā)生擴(kuò)散，這種擴(kuò)散稱為自擴(kuò)散；但是如果擴(kuò)散物質(zhì)不只一種，那么分子間碰撞的結(jié)果一定是使得每一種物質(zhì)都發(fā)生擴(kuò)散，這種擴(kuò)散稱為互擴(kuò)散，因?yàn)榕鲎策^(guò)程本身并不對(duì)不同物質(zhì)的分子進(jìn)行區(qū)分，當(dāng)然由于參與碰撞的物質(zhì)多了，多少會(huì)給每種擴(kuò)散物質(zhì)的擴(kuò)散速度帶來(lái)影響，所以互擴(kuò)散系數(shù)與自擴(kuò)散系數(shù)是存在差距的。
2.2 透氣性測(cè)試方法的擴(kuò)散模型
根據(jù)之前的介紹可以看出對(duì)于真空法（壓差法）來(lái)講，在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，擴(kuò)散是單向單質(zhì)的，因此是自擴(kuò)散，利用Fick定律就可以對(duì)整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行描述；而對(duì)于等壓法，擴(kuò)散物質(zhì)有2種，擴(kuò)散方向相反，因此是互擴(kuò)散。等壓法中互擴(kuò)散的形成是由于從測(cè)試下腔向測(cè)試上腔存在氮?dú)獾哪嫦驖B透造成的，相應(yīng)地在進(jìn)行材料的阻隔性評(píng)定時(shí)這種逆向滲透帶來(lái)的影響也應(yīng)該計(jì)算在內(nèi)。
圖3. 壓差法與等壓法擴(kuò)散模型示意圖
2.3 等壓法氮?dú)饽嫦驖B透的影響
如果在等壓法中采用的測(cè)試氣體是混合氣體，則整個(gè)擴(kuò)散模型將更加復(fù)雜，要量化每種擴(kuò)散物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)將更加困難，因此我們這里假設(shè)等壓法的測(cè)試模型中只有兩種氣體，即測(cè)試氣體采用純氧氣，載氣采用高純氮?dú)猓山U(kuò)散模型如圖4：
圖4. 兩種擴(kuò)散流的模型示意圖
假設(shè)圖中1代表氧氣，2代表氮?dú)?，則這2種氣體的擴(kuò)散描述如下：
D12gradc2和D21gradc1即由于耦合效應(yīng)而產(chǎn)生的耦合流。
由Onsager的互易關(guān)系可得：
D12＝D21
D11D22≥D122
這個(gè)關(guān)系就是我們常說(shuō)的“讓快的慢下來(lái)，讓慢的變快”，其中D12＝D21＜0?？梢?jiàn)無(wú)論濃度梯度如何，由于耦合流所帶來(lái)的影響都是不能忽略的。目前，學(xué)術(shù)界對(duì)于互擴(kuò)散的研究還是停留在特定擴(kuò)散物質(zhì)組合以及特定擴(kuò)散環(huán)境的階段，不同的擴(kuò)散物質(zhì)組合以及不同的擴(kuò)散介質(zhì)都會(huì)影響擴(kuò)散物質(zhì)的互擴(kuò)散系數(shù)，沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)律可以遵循。
對(duì)于滲透過(guò)程來(lái)講，擴(kuò)散只是其中的一部分，然而若滲透體系中滲透質(zhì)并非一種，不但會(huì)對(duì)各種滲透質(zhì)的擴(kuò)散產(chǎn)生影響，也會(huì)對(duì)溶解、解吸產(chǎn)生影響。可見(jiàn)，等壓法中由于氮?dú)獾拇嬖谑沟醚鯕鈱?duì)于試樣的整個(gè)滲透過(guò)程都會(huì)受到干擾，因此它與壓差法在測(cè)試本質(zhì)上是不同的。
3．總結(jié)
綜上所述，壓差法與等壓法在塑料薄膜的氣體透過(guò)性測(cè)試方面都是重要且應(yīng)用廣泛的方法，但存在著本質(zhì)上的不同。從蘭光試驗(yàn)室大量的比對(duì)數(shù)據(jù)分析來(lái)看，兩種方法測(cè)試結(jié)果不存在線性關(guān)系，是兩種彼此獨(dú)立的測(cè)試方法。
