从检测原理来探讨水蒸气透过率测定中红外法和电解法的特点

黄少莲

摘  要：文章从电解法和红外法在水蒸气透过率测定中原理上的差异，来分析电解法和红外法在水蒸气透过率测定运用中的特点，用以指导水蒸气透过率测定方法的选择和水蒸气透过率测定设备种类的选择。

关键词：水蒸气透过率测定;电解法;红外法;测定方法选择

中图分类号：TP212         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）24-0157-03

Abstract： In this paper， the characteristics of the application of electrolytic method and infrared method in the determination of water vapor transmittance are analyzed from the difference of the principle between electrolytic method and infrared method in the determination of water vapor transmittance. It is used to guide the selection of methods for measuring water vapor transmittance and the selection of types of equipment for determining water vapor transmittance.

Keywords： determination of water vapor transmittance; electrolysis; infrared method; determination method selection

引言

材料阻隔性主要分为阻气、阻氧、阻湿三个方面。阻隔性能是判断材料或包装性能的重要依据，如食品、药品包装要求有比较高的阻湿性能，防止食品或药品受潮变质;防水织物要求较高的透气性与较好的防水性等。塑料（复合）薄膜、太阳能背板、金属箔片、防水卷材、橡胶、纸、织物等材料或包装容器均需要进行水蒸气透过率测定，以达到控制与调节包装材料技术指标、满足产品应用的不同需求。

阻湿性即水蒸气透过率，是指在规定的温度、相对湿度，一定的水蒸气压差下，水蒸气在一定时间内透过试样的量，目前市场上水蒸气透过率测定常用检测方法有杯式法、电解法、重量法、红外法，其中杯式法和重量法的原理都是通过称重实现的，所以也统称为称重法，因其是通过称重来实现的，故在精度和检出限上都有一定的限制，在2015版国家药包材标准里就有规定，杯式法一般适用于水蒸汽透过率不低于2g/（m2·24h）;重量法适用于口服、外用液体瓶。[1]而电解法和红外法则统称传感器法，它们相比称重法精度更高，更适合测试水蒸气透过率低的材料，电解法和红外法极相似又有各自的特点，很多人在选择检测方法和选择采购设备的时候不知道该如何选择，故本文着重讲电解法和红外法，试图将它们区分开来。

电解法和红外法的差别主要是分析的手段不同，一个是利用电解传感器对检测到的水蒸气浓度进行分析，一个是利用红外传感器对检测到的水蒸气进行分析，两种方法之间的差异主要由检测器造成。

1 红外法原理

根据国家推荐标准《GB/T 26253-2010 塑料薄膜和薄片水蒸气透过率的测定 红外检测器法》，红外检测器法的原理为：当样品置于测试腔时，样品将测试腔隔为两腔。样品一边为低湿腔，另一边为高湿腔，高湿腔里面充满水蒸气且温度已知。由于存在一定的湿度差，水蒸气从高湿腔通过样品渗透到低湿腔，由载气传送到红外检测器产生一定量的电信号，当试验达到稳定状态后，通过输出的电信号计算出样品的水蒸气透过率。[2]

红外检测器测水蒸气浓度的原理是根据水蒸气能吸收特定的红外辐射通量，通过检测红外线辐射通量在通过含水蒸气区域时前后能量的损失检测水蒸气的浓度。被吸收的红外辐射通量与红外线入射辐射通量、吸收层的水蒸气浓度、温度、路径长度有明确的函数关系，服从Lambert-Beer定律。可即时、快速、精确测量检测区域的水汽浓度，计算出材料的水蒸气透过率。[3]红外光源发射极封装在特制石英管内，红外辐射强度检测器的接收极为特制石英硅合金，二者对水汽本身性能稳定，即水汽浓度的高低对传感器发射和接收性能稳定性不构成影响。另一方面，红外光路上的水汽全部参与对红外辐射能的吸收，光的能量衰减能准确反应水汽浓度量。如图1所示。[4]

基本原理：

其中P和P0分别为红外线通过吸收层后与进入吸收层前的辐射通量，x为吸收层长度，α（λ）为正比于水蒸气浓度的系数，P与水汽浓度有确定的函数关系。

如圖1所示，结构1为红外光发生器，结构2为吸收气室，结构3为红外光接收器，透过样品的水分子被载气从a口带进吸收气室2，在吸收气室吸收了红外辐射后被从b口带出去，通过计算红外发生器和红外接收器间红外辐射通量的变化来计算被水分子吸收的红外辐射通量，进而计算出这期间有多少水分子进到吸收气室，这是红外检测器测定水气透过率的原理。

由上可得，不管从a口被载气带进来的水浓度是多少，都不影响红外检测器的工作，也就是说红外检测器法可以检测高浓度的水汽，换而言之就是红外检测器法的水蒸气透过率测定仪可以检测低阻隔材料，例如国外知名品牌mocon的红外传感器法水蒸气透过率测定仪的检测量程为：0.005～100g/（m2·24h）、0.05～500g/（m2·24h）;再比如国内知名品牌广州标际的红外法水蒸气透过率测定仪的检测量程为：0.005～500g/（m2·24h）/0.002～1000g/（m2·24h），理论上红外检测器法水蒸气透过率测定大部分都能检测透过量在100g/（m2·24h）以上的材料，低湿和高湿都不影响传感器的工作，发射与检测器均封装在石英结构中，不易损坏，故其检测限宽，即检测范围广，使用寿命长;其次是检测准确，进入传感器的水汽均参与吸收红外辐射能，直接得到湿度值，红外传感器为绝对传感器;最后检测速度快，吸收红外光的过程是瞬间完成的，接收器即时响应水汽吸收红外辐射能，检测效率高;然美中不足是目前市场上红外传感器的单价比电解传感器的价格高，导致红外法水蒸气透过率测定仪比电解法水蒸气透过率测定仪贵。

2 电解法原理

根据国家推荐标准《GB/T 21529-2008 塑料薄膜和薄片水蒸气透过率的测定 电解传感器法》的原理描述;电解法的原理为：将试样装夹到渗透腔内后，试样将渗透腔分成干腔和湿腔（湿度可调）。在干腔中有干燥的载气流通过，从湿腔透过试样的水蒸气由载气携带到电解池内。通过给电极施加一定的直流电压，将水蒸气电解成氢气和氧气。根据电解电流的数值，计算单位时间内透过单位面积试样的水蒸气量。[5]

电解池的结构通常为：内有两个螺旋形金属电极，电极安装在玻璃毛细管的内壁上，电极表面涂有一薄层五氧化二磷。载气通过玻璃毛细管，由载气所携带的水蒸气被五氧化二磷定量地吸收，生成磷酸，通过向两电极施加电压可将吸收的水蒸气电解成氢和氧，同时磷酸转化为五氧化二磷，通过这一系列的电化学反应来计算水蒸气的浓度。五氧化二磷一般是覆盖于传感器内的石英管内壁上，其吸收水蒸气的量是有限的，如水蒸气过多则未被吸收和发生化学反应就被干燥气体携带出去。如图2所示。[6]

如图2所示，结构1为电解室，结构2为电解棒，透过样品的水分子被载气从c口带进电解室，在电解室内水分子和五氧化二磷发生电化学反应，最后被载气从d口带出去，电解传感器对信号的响应性极高，很灵敏，所以精度高，非常适用于高阻隔的样品;但遇到高湿气体时，五氧化二磷会因吸湿过多而糊化或剥离，造成损坏，故不适用于测低阻隔样品;且电解传感器工作时仅电解其周围的水汽，部分会走旁路，结果要通过标定才能确定，因此是相对传感器;整个过程是可逆的电化学反应过程，可逆反应具有饱和性，这也导致电解传感器法不能用于低阻隔的样品的水蒸气透过率的测定;电解传感器法的电解室会在高湿度下产生电解液流失，造成电解性能衰减，传感器会不断损耗，所以使用寿命较短。

3 如何鉴别电解法红外法水蒸气透过率测定仪

根据上述的分析，对于如何鉴别电解传感器法水蒸气透过率测定仪和红外检测器法水蒸气透过率测定仪，目前可行和有效的办法有：对传感器充入高湿的气体，充入高湿气体的电解传感器如果不及时进行烘干会发生不可逆性的损坏，而充入高湿气体的红外检测器没有任何损伤，只是迅速达到测试的满量程，所以可以以此来鉴别是电解法还是红外法。

4 如何选择水蒸气透过率测定方法和选择水蒸气透过率测定设备种类

综上所述，红外法在测定水蒸气透过率中，首先检测范围宽，在0到100%相对湿度下都能测试，故红外检测器法可以满足多种样品的测试，从低阻隔到中阻隔再到高阻隔的材料都可以测试，适用于多种行业。而电解传感器法因电解化学反应的饱和性，不能满足测试透过量很大的样品，但电解传感器对信号的响应性极高，很灵敏，所以精度高，非常适用于高阻隔的样品，是中、高阻隔样品测试中不错的选择。其次，红外检测器法中，发射与检测器均封装在石英结构中，不易损坏，传感器性能耐用稳定，使用寿命长，故适用于检测量大的实验室，不至于需要频繁更换传感器;而电解传感器法的电解池会在高湿度下产生电解液流失，造成电解性能衰减，传感器会不断损耗，相对红外传感器其使用寿命较短，故不适用于检测量大的检测室。

参考文献：

[1]YBB00092003-2015.水蒸汽透过率测定法[S].

[2]GB/T 26253-2010.塑料薄膜和薄片水蒸气透过率的测定 红外检测器法[S].

[3]韩晓峰，许超，肖仁春，等.基于红外光谱吸收法的湿度测量传感器设计与实现[J].气象水文海洋仪器，2018，35（1）.

[4]周学成，谢新艺，兰婉玲，等.红外光检测水浓度传感器：中国，CN201621230210.0[P].2016-11-16[2017-06-20]

[5]GB/T 21529-2008.塑料薄膜和薄片水蒸氣透过率的测定 电解传感器法[S].

[6]姜学国.五氧化二磷电解池：中国，CN201420729748.0[P].2014-11-29[2015-03-18].