压力差的存在会影响材料的透气性吗？

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有一种观点认为，在压差法中气体压力差的存在会影响软包装高分子聚合物的结构状态，进而会影响透气性测试结果。为此，兰光实验室与湖南工业大学（株洲工学院）合作，针对“压力差对聚合物透气性能的影响”进行项目研究。通过大量的实测数据分析，证明了压差法中压力差的存在不会影响材料的透气性。
+ K8 c. H$ S3 x! g8 P1 _( X一般，在透气性测试过程中，对试样结构进行监控是很难实现的。所以要考证聚合物材料在压差法中是否因为压力差的存在而产生材料结构状态的变化，并对压力差的存在与材料透气性测试数据的关系进行分析，需要借助试样的可测性能指标进行判断。
. H6 i6 A' a; r5 O3 e  R# z连续测试的数据重复性以及试样厚度的变化量
如果气体压力差对试样微观结构的影响是使其由松散结构变得更加紧凑，即将结构松散的物质 “压实”，以增加气体透过的困难，那么材料经受较长时间的压力作用后其厚度会减小，同时透气性测试数据应随连续测试次数的增加而呈现出减小的趋势。在测试中，选择了铝箔复合膜、PET薄膜和PC薄膜这三种透气性能分别属于高阻隔、中阻隔和低阻隔的薄膜作为试样，然后对同一试样进行连续多次透气性测试，测试设备选用Labthink VAC-V1压差法气体渗透仪以及CHY-C2测厚仪。测试结果见表1。
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& K) R/ l7 x. Z$ F' E* O1 \- X注：透氧量的单位是ml/m2·24h·0.1MPa；厚度测量在试样的有效试验区域内进行，
其他区域受真空酯的污染，测量意义不大。从表中可以看出，透气性测试数据基本保持不变，并没有出现随测试次数增加而减小的趋势，而且试样的厚度在试验前后也没有变化，由此可以断定，“气体压力差会使材料松散的结构变得更加紧凑，进而影响透气性测试结果”的说法是不成立的。
2 E# ]; Q' r( E不同压力差与材料透气量的关系
理论上，试样的透气量和透气系数与压力差是无关的，即在不同的压力差下检测同一种材料，测得的透气量与透气系数应该是一致的。如果气体压力差对试样微观结构的影响是破坏材料结构，由此导致材料产生小的裂纹和针孔等缺陷，则测得的透气量和渗透系数会随着压力差的增大而增大。相反地，如果材料两侧压力差增大但透气量和渗透系数保持不变，则可以证明压力差的存在并没有对材料的结构带来破坏。
; N8 g8 U5 J# C$ v兰光实验室曾对8种十余件试样在不同的气体压力差下进行了大量的试验，试验选择在压力差为30kPa、50kPa、70kPa、90kPa、110kPa、130kPa和150kPa这7个测试点下进行，在每个测试点下至少重复测试3遍，测试温度均为40℃。选择的试验材料包括PC（125μm）、PC（175μm）、PET（12μm）、PET（23μm）、PET（25μm）、PA（35μm）、PE（40μm）、CPP（40μm）和OPP（38μm）等软包装材料中最常用的高聚物，还进行了PE/EVOH/PE（55μm）和PA/PE（80μm）等复合材料的检测，材料涉及高、中、低阻隔性范围，透气量从1.5cm3/m2·24h·0.1MPa至7000cm3/m2·24h·0.1MPa。由于篇幅原因，实测数据可登陆Labthink网站查询。在此仅对PC（125μm）和PC（175μm）的透气量与试样两侧压力差之间的关系，以及PET（12μm）、PET（23μm）和PET（25μm）的渗透系数与试样两侧压力差之间的关系进行对比，如图1、图2所示。从图1、图2可以明显看出，压差法中压力差的存在及变化对试样的透气量以及渗透系数没有影响。
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0 U7 ]& c, N" n2 i8 c/ Y: J图1 PC薄膜透气量与压力差的关系（透氧量单位：cm3/m2·24h·0.1MPa）

+ @- B' |$ o: U% t图2 PET薄膜渗透系数与压力差的关系（渗透系数单位：(E-12)cm3·cm/cm2·s·cmHg）IAPRI会议观点以及国际同类研究进展
IAPRI 是国际包装研究组织协会International Association of Packaging Research Institutes的缩写，是全球范围内的包装技术研究组织。在2007年度的IAPRI技术会议上，“压力差对试验数据不会产生影响”的结论得到了各国专家学者的肯定与广泛认同。
. p* ^1 d& B3 {# J; y" K" u0 ^: x值得一提的是，南美智利的协会成员也进行了与兰光实验室类似的学术研究，并得到了一致的结论。在其发表的《高压处理对食品软包装材料机械性能、热学性能及阻隔特性的影响》一文中，介绍了HPP处理过程对于食品软包装材料的机械性能、热学性能以及阻隔性能三方面的影响，其中对“经受高压处理的材料的阻隔性能”的研究结果正好为兰光实验室的研究成果提供了补充。一方面，受试验设备所限，兰光实验室的测试都是在通常的试验压力范围内，无法模拟高压以及超高压的情况。而在南美智利的研究中，压力范围得到了扩大；另一方面，南美智利对于特殊涂层材料的研究可以给兰光实验室关于“涂层材料的阻隔性能是否会受到压力差的影响”提供了宝贵数据。由于其在HPP处理中所施加的压力是在压差法测试中施加压力的4000倍，而涂层材料在如此大的压力下依然具有很好的阻隔性，由此表明了这些材料的透气性在压差法测试中不会受压力差变化的影响。
总结
综上所述，对于绝大多数薄膜（包括复合薄膜），压力不会对材料的阻隔性造成影响。对于部分涂层材料（例如镀铝薄膜），只有在施加极大的压力（400MPa）时，其阻隔性能才会出现变化，但在压差法的压力差范围内（0.1MPa）是绝不会受到影响的。为了得到更科学、更全面的结论，目前兰光实验室还在进行更宽范围的试验验证。
文章关键词： 材料、设备、测试