以小量程压差法仪器测定保鲜膜气体透过率的方法研究

刘山生，袁 威

（北京工商大学轻工业塑料加工应用塑料研究所，国家塑料制品质量监督检验中心（北京），北京100048）

0 前言

测定材料的气体透过率有多种不同的方法，但以压差法最为常用。以压差法测定材料的气体透过率时，不仅可以测定不同种类的单一气体，也可以测定混合气体。以特定气体传感器法测定时，只能测定单一特定气体的透过率。因此，大多数检测机构多采购压差法仪器用于气体透过率的测定。

以压差法测定薄膜的气体透过率时，受真空室体积和超低绝对压力传感器测量范围的限制，其测量量程较小，大多数检测机构采购的仪器，其量程范围不大于104cm3／［m2·d·（0.1MPa）］。以日本 TOYOSEIKI BT-3型气体透过率测定仪为例，其测量量程约为0.3～9000cm3／［（m2·d·（0.1MPa）］，而不同气体对保鲜膜的透过率范围约在104～105cm3／［（m2·d·（0.1MPa）］，大大超出了仪器的测定量程范围，且气体透过率Q与薄膜层数N 之间不是线性关系，不能以多层叠加测定结果直接乘以叠加层数来获得单层薄膜的气体透过率。

为解决如何以小量程仪器测定大气体透过率的问题，笔者通过对多层保鲜膜叠加测定气体透过率Q与叠加层数N的关系研究，获得了气体透过率Q与试样层数N间的函数关系，可在仪器测定量程小于材料气体透过率的情况下，能够测得单层保鲜膜的气体透过率，从而拓展了仪器的测量量程范围。

1 实验部分

1.1 主要原料

聚乙烯自粘保鲜膜，厚度0.009mm，市售；

O2、CO2、He，纯度＞99.99%，市售。

1.2 主要设备及仪器

气体透过性测定仪，BT-3，带恒温装置，日本Toyoseiki公司。

1.3 测试方法与测试条件

按照GB／T 1038—2000塑料薄膜和片材气体透过性测试方法压差法测定薄膜的气体透过率，测试条件（23±0.3）℃。

2 结果与讨论

2.1 叠加层数与气体透过率的关系

由于聚乙烯自粘保鲜膜氧气（O2）透过率在104cm3／［（m2·d·（0.1MPa）］以上、二氧化碳透过率在105cm3／［（m2·d·（0.1MPa）］以上，而日本 TOYOSEIKIBT-3型气体透过率测定仪的最大测量范围约为9000cm3／［（m2·d·（0.1MPa）］。因此单层保鲜膜的气体透过率超出了该仪器的测定范围，为此我们采用多层叠加方式进行测定，得到试样层数（N）和气体透过率（Q）的结果见表1。

表1 气体透过率测定结果Tab.1 Test result for gas transmission

从图1可以看出，N与Q的关系近似负指数曲线，因此我们对N及Q同时取对数，见表2。

图1 N与Q的关系Fig.1 Relationship between Nand Q

表2 N与Q的对数值Tab.2 Logarithm of Nand Q

以表2中lnQ对lnN作图，见图2。由图2可见，lnQ与lnN 具有良好的线性关系。设Y＝lnQ，X＝lnN，可以分别求得其线性回归方程Y＝bX＋a及相关系数r如式（1）～（3）。

由相关系数r可见，试样层数的对数lnN与气体透过率对数lnQ之间，具有高度的线性负相关关系。但按标准规定，应当检测单层材料的气体透过率，即N＝1时的气体透过率。N＝1时，X＝0，Q的计算公式如式（4）所示，O2、CO2、He计算结果如式（5）、（6）、（7）。

2.2 测试结果偏差分析

为确定按线性回归方程所获得结果的标准差，我们可计算该回归线的标准差Se如下：设Yt为回归曲线求取值，Yc为实际测试值，对氧气而言，残差的平方和如表3所示。

图2 N与Q的对数关系曲线Fig.2 Relationship of between logarithm of Nand logarithm of Q

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

此回归线的标准差Se如式（8）所示，则eSe＝1.072。

取包含因子k＝1，则任意点的Y＝Yt±Se，则透气量Q＝eY的上、下偏差为：ΔU＝（eSe-1）×100＝（1.072-1）×100＝7.2%；ΔD＝（）×100%＝6.7%。同样，可求得CO2、He回归线的标准差及导出结果的偏差范围。对于 CO2：Se ＝0.0538，ΔU＝（eSe-1）×100＝（1.055-1）×100＝5.5%；ΔD＝（）×1 00%＝5.2%；对于He：Se＝0.0486，ΔU＝（eSe-1）×100＝（1.050-1）×100＝5.0%；ΔD＝）×100%＝4.8%。由此可见，以本方法测定所获得结果的最大偏差均小于10%。

3 结论

（1）气体透过率Q的对数lnQ与保鲜膜层数N 的对数lnN为高度线性负相关，因此可通过两次以上不同层数叠加试样的测定结果，得到其线性回归方程，从而求得单层保鲜膜的气体透过率，推荐测定层数为20层、40层。

（2）对不同种类单一气体而言，lnQ与lnN均呈现高度线性负相关，但其斜率不同；

（3）气体透过率可直接以回归线的截距计算获得，即Q＝ea，此方法可扩展气体透过率测试仪器的测量量程范围；

（4）此方法获得结果的最大偏差小于10%。

［1］国家质量技术监督局.GB／T 1038—2000塑料薄膜和片材气体透过性测试方法 压差法［S］.北京：中国标准出版社，2005.