傳感器法透濕性測(cè)試儀的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)
摘要：測(cè)試環(huán)境的溫度和濕度是影響透濕性測(cè)試數(shù)據(jù)的兩大主要因素，因此對(duì)這兩項(xiàng)進(jìn)行有效控制，可使測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和重復(fù)性明顯提高。本文對(duì)兩類透濕性檢測(cè)方法進(jìn)行了對(duì)比，并以LabthinkTSY-W3電解法透濕儀為例介紹了傳感器法的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)。
由于包裝內(nèi)的水蒸氣含量能使一些產(chǎn)品的質(zhì)量發(fā)生變化，因此在選擇包裝材料時(shí)應(yīng)該特別注意材料的透濕性能。包裝材料的透濕性能因材料的不同而存在顯著差異，因此透濕性能的檢測(cè)非常重要。影響透濕性測(cè)試結(jié)果的因素很多，其中以試驗(yàn)溫度和試樣兩側(cè)濕度差的穩(wěn)定性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果所產(chǎn)生的影響最顯著。
1.透濕性測(cè)試中溫度控制的重要性
絕大多數(shù)結(jié)晶高聚物都是半晶聚合物，理論上認(rèn)為聚合物的結(jié)晶部分是滲透物分子在聚合物內(nèi)部擴(kuò)散過程所經(jīng)途徑中的不可穿過區(qū)域，擴(kuò)散主要發(fā)生在無(wú)定形部分。聚合物分子鏈越長(zhǎng)，其構(gòu)象越多。當(dāng)溫度升高時(shí)，由于熱運(yùn)動(dòng)，分子鏈構(gòu)象變化得越快，聚合物內(nèi)聚度下降，滲透質(zhì)分子在聚合物內(nèi)的擴(kuò)散速度加快，即當(dāng)溫度升高時(shí)材料的阻隔性會(huì)降低
水蒸氣對(duì)聚合物的滲透過程受溫度波動(dòng)影響明顯（這點(diǎn)與無(wú)機(jī)氣體滲透類似），與溫度的關(guān)系均服從Arrhenius方程：
隨溫度升高，透濕系數(shù)增大，但不同聚合物膜增加的情況有差別。有文獻(xiàn)指出，無(wú)定形的材料隨溫度的升高透濕系數(shù)增加較快，而具有一定結(jié)晶度的材料增加的就會(huì)慢一些。
2.濕度差對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響
由于水蒸氣是極性分子，在水蒸氣對(duì)極性聚合物的滲透過程中，一些聚合物會(huì)首先吸收水蒸氣出現(xiàn)溶脹現(xiàn)象，使其中的自由體積增大。材料的透濕系數(shù)具有明顯的水蒸氣濃度依賴性，相應(yīng)地，材料的透濕量也受濕度變化的影響，表現(xiàn)為部分聚合物的透濕量與其兩側(cè)的相對(duì)濕度差成非線性的變化，如親水性聚合物賽璐酚的透濕量與相對(duì)濕度差的關(guān)系就不成線性。這種滲透量與分壓差（對(duì)于透濕性測(cè)試來講即是相對(duì)濕度差）不成線性關(guān)系的現(xiàn)象就是水蒸氣與常見無(wú)機(jī)氣體在聚合物滲透過程中最顯著的區(qū)別。
3.稱重法和傳感器法差異
目前所采用的透濕性檢測(cè)主要是兩類：稱重法和傳感器法，它們的檢測(cè)原理不同，設(shè)備結(jié)構(gòu)具有明顯差異。
簡(jiǎn)單說，稱重法就是將試樣密封在透濕杯中，然后將透濕杯放置在恒溫恒濕的環(huán)境中，利用恒溫恒濕的環(huán)境和透濕杯內(nèi)放置的干燥劑或是飽和鹽溶液來控制試樣兩側(cè)的相對(duì)濕度，通過測(cè)量試驗(yàn)過程中透濕杯重量的增減來計(jì)算試樣的透濕量。這種測(cè)試方法的試驗(yàn)溫度是由恒溫恒濕環(huán)境提供的，濕度則取透濕杯內(nèi)濕度與環(huán)境濕度的差值。由于在試驗(yàn)前及試驗(yàn)過程中需要在恒溫恒濕環(huán)境中對(duì)透濕杯進(jìn)行放置、移位等操作，因此所需的恒溫恒濕環(huán)境往往體積較大，這不利于對(duì)環(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行控制。
傳感器法依照所采用的傳感器種類的不同分為紅外傳感器法、電解法以及動(dòng)態(tài)相對(duì)濕度測(cè)定法。
其中紅外傳感器法與電解法的檢測(cè)結(jié)構(gòu)相近，原理相似，都是將試樣密封在上下測(cè)試腔中，利用飽和鹽溶液將試樣的一側(cè)控制為高濕的狀態(tài)，而另一側(cè)用干燥氣體吹掃以保持干燥，這樣試樣兩側(cè)就形成了特定的濕度差。透過試樣進(jìn)入干燥側(cè)的水蒸氣被干燥氣流攜帶進(jìn)入傳感器中測(cè)定其中的水分含量以判斷試樣的透濕量。基于這兩種檢測(cè)原理的設(shè)備工作獨(dú)立性都很好，而且所需的測(cè)試腔體積非常小，使得控溫控濕易于進(jìn)行。動(dòng)態(tài)相對(duì)濕度測(cè)定法的檢測(cè)原理與紅外傳感器法以及電解法有一定差別，在這種方法中溫度控制也易于實(shí)現(xiàn)，而試樣兩側(cè)的濕度差根據(jù)測(cè)試原理在整個(gè)測(cè)試過程中都是在不斷變化的。
4.傳感器法透濕性測(cè)試儀的溫濕度控制優(yōu)勢(shì)
體積是在某個(gè)空間中實(shí)現(xiàn)溫度和濕度均勻的主要影響因素之一，體積越小，溫度、濕度的均勻控制效果越好。如前所述，傳感器法的設(shè)備結(jié)構(gòu)比稱重法的設(shè)備結(jié)構(gòu)更易于實(shí)現(xiàn)測(cè)試環(huán)境中的溫濕度均勻控制，可以通過特殊技術(shù)處理獲得理想的控制效果。以LabthinkTSY-W3為例說明一下電解法在溫濕度控制方面的優(yōu)勢(shì)。
LabthinkTSY-W3電解法透濕儀采用高精度電解法濕度傳感器，其突出結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在采用水浴控溫的原理上加以改進(jìn)利用恒溫循環(huán)水來保持測(cè)試腔的溫度，而且恒溫循環(huán)水由外循環(huán)控制器來控溫并提供循環(huán)動(dòng)力。尤其值得一提的是，TSY-W3所采用的循環(huán)控制器既可制熱又可制冷，控溫范圍在0℃～100℃，控溫精度可達(dá)±0.1℃，不但完全滿足國(guó)內(nèi)外檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的需要，而且在Labthink系列透濕性測(cè)試儀中控溫也是最理想的。選擇飽和鹽溶液進(jìn)行濕度控制可使試樣高濕一側(cè)的濕度均勻穩(wěn)定，而低濕一側(cè)的氣流由干燥器控制濕度，因此試樣兩側(cè)能獲得非常穩(wěn)定的濕度差，波動(dòng)非常小。溫濕度控制得越精確越有利于試驗(yàn)結(jié)果，TSY-W3的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)重復(fù)性在其整個(gè)測(cè)試范圍內(nèi)都非常好（當(dāng)然材料的均一性也是影響測(cè)試數(shù)據(jù)重復(fù)性的一個(gè)關(guān)鍵因素）。此外這款設(shè)備測(cè)試時(shí)間相對(duì)與稱重法設(shè)備有一定的縮短，尤其是在進(jìn)行透濕性較低的材料的檢測(cè)時(shí)能體現(xiàn)出較大的檢測(cè)效率優(yōu)勢(shì)。而且對(duì)測(cè)試環(huán)境中的震動(dòng)也不敏感，有效避免了環(huán)境干擾對(duì)試驗(yàn)效率的影響。
5.總結(jié)
測(cè)試環(huán)境的溫度和濕度是影響透濕性測(cè)試數(shù)據(jù)的兩大主要因素，因此對(duì)這兩項(xiàng)進(jìn)行有效控制可使得測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和重復(fù)性明顯提高。綜合比較顯示，LabthinkTSY-W3電解法透濕儀在溫濕度檢測(cè)控制方面表現(xiàn)出較強(qiáng)的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)。
由于包裝內(nèi)的水蒸氣含量能使一些產(chǎn)品的質(zhì)量發(fā)生變化，因此在選擇包裝材料時(shí)應(yīng)該特別注意材料的透濕性能。包裝材料的透濕性能因材料的不同而存在顯著差異，因此透濕性能的檢測(cè)非常重要。影響透濕性測(cè)試結(jié)果的因素很多，其中以試驗(yàn)溫度和試樣兩側(cè)濕度差的穩(wěn)定性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果所產(chǎn)生的影響最顯著。
1.透濕性測(cè)試中溫度控制的重要性
絕大多數(shù)結(jié)晶高聚物都是半晶聚合物，理論上認(rèn)為聚合物的結(jié)晶部分是滲透物分子在聚合物內(nèi)部擴(kuò)散過程所經(jīng)途徑中的不可穿過區(qū)域，擴(kuò)散主要發(fā)生在無(wú)定形部分。聚合物分子鏈越長(zhǎng)，其構(gòu)象越多。當(dāng)溫度升高時(shí)，由于熱運(yùn)動(dòng)，分子鏈構(gòu)象變化得越快，聚合物內(nèi)聚度下降，滲透質(zhì)分子在聚合物內(nèi)的擴(kuò)散速度加快，即當(dāng)溫度升高時(shí)材料的阻隔性會(huì)降低
水蒸氣對(duì)聚合物的滲透過程受溫度波動(dòng)影響明顯（這點(diǎn)與無(wú)機(jī)氣體滲透類似），與溫度的關(guān)系均服從Arrhenius方程：
隨溫度升高，透濕系數(shù)增大，但不同聚合物膜增加的情況有差別。有文獻(xiàn)指出，無(wú)定形的材料隨溫度的升高透濕系數(shù)增加較快，而具有一定結(jié)晶度的材料增加的就會(huì)慢一些。
2.濕度差對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響
由于水蒸氣是極性分子，在水蒸氣對(duì)極性聚合物的滲透過程中，一些聚合物會(huì)首先吸收水蒸氣出現(xiàn)溶脹現(xiàn)象，使其中的自由體積增大。材料的透濕系數(shù)具有明顯的水蒸氣濃度依賴性，相應(yīng)地，材料的透濕量也受濕度變化的影響，表現(xiàn)為部分聚合物的透濕量與其兩側(cè)的相對(duì)濕度差成非線性的變化，如親水性聚合物賽璐酚的透濕量與相對(duì)濕度差的關(guān)系就不成線性。這種滲透量與分壓差（對(duì)于透濕性測(cè)試來講即是相對(duì)濕度差）不成線性關(guān)系的現(xiàn)象就是水蒸氣與常見無(wú)機(jī)氣體在聚合物滲透過程中最顯著的區(qū)別。
3.稱重法和傳感器法差異
目前所采用的透濕性檢測(cè)主要是兩類：稱重法和傳感器法，它們的檢測(cè)原理不同，設(shè)備結(jié)構(gòu)具有明顯差異。
簡(jiǎn)單說，稱重法就是將試樣密封在透濕杯中，然后將透濕杯放置在恒溫恒濕的環(huán)境中，利用恒溫恒濕的環(huán)境和透濕杯內(nèi)放置的干燥劑或是飽和鹽溶液來控制試樣兩側(cè)的相對(duì)濕度，通過測(cè)量試驗(yàn)過程中透濕杯重量的增減來計(jì)算試樣的透濕量。這種測(cè)試方法的試驗(yàn)溫度是由恒溫恒濕環(huán)境提供的，濕度則取透濕杯內(nèi)濕度與環(huán)境濕度的差值。由于在試驗(yàn)前及試驗(yàn)過程中需要在恒溫恒濕環(huán)境中對(duì)透濕杯進(jìn)行放置、移位等操作，因此所需的恒溫恒濕環(huán)境往往體積較大，這不利于對(duì)環(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行控制。
傳感器法依照所采用的傳感器種類的不同分為紅外傳感器法、電解法以及動(dòng)態(tài)相對(duì)濕度測(cè)定法。
其中紅外傳感器法與電解法的檢測(cè)結(jié)構(gòu)相近，原理相似，都是將試樣密封在上下測(cè)試腔中，利用飽和鹽溶液將試樣的一側(cè)控制為高濕的狀態(tài)，而另一側(cè)用干燥氣體吹掃以保持干燥，這樣試樣兩側(cè)就形成了特定的濕度差。透過試樣進(jìn)入干燥側(cè)的水蒸氣被干燥氣流攜帶進(jìn)入傳感器中測(cè)定其中的水分含量以判斷試樣的透濕量。基于這兩種檢測(cè)原理的設(shè)備工作獨(dú)立性都很好，而且所需的測(cè)試腔體積非常小，使得控溫控濕易于進(jìn)行。動(dòng)態(tài)相對(duì)濕度測(cè)定法的檢測(cè)原理與紅外傳感器法以及電解法有一定差別，在這種方法中溫度控制也易于實(shí)現(xiàn)，而試樣兩側(cè)的濕度差根據(jù)測(cè)試原理在整個(gè)測(cè)試過程中都是在不斷變化的。
4.傳感器法透濕性測(cè)試儀的溫濕度控制優(yōu)勢(shì)
體積是在某個(gè)空間中實(shí)現(xiàn)溫度和濕度均勻的主要影響因素之一，體積越小，溫度、濕度的均勻控制效果越好。如前所述，傳感器法的設(shè)備結(jié)構(gòu)比稱重法的設(shè)備結(jié)構(gòu)更易于實(shí)現(xiàn)測(cè)試環(huán)境中的溫濕度均勻控制，可以通過特殊技術(shù)處理獲得理想的控制效果。以LabthinkTSY-W3為例說明一下電解法在溫濕度控制方面的優(yōu)勢(shì)。
LabthinkTSY-W3電解法透濕儀采用高精度電解法濕度傳感器，其突出結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在采用水浴控溫的原理上加以改進(jìn)利用恒溫循環(huán)水來保持測(cè)試腔的溫度，而且恒溫循環(huán)水由外循環(huán)控制器來控溫并提供循環(huán)動(dòng)力。尤其值得一提的是，TSY-W3所采用的循環(huán)控制器既可制熱又可制冷，控溫范圍在0℃～100℃，控溫精度可達(dá)±0.1℃，不但完全滿足國(guó)內(nèi)外檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的需要，而且在Labthink系列透濕性測(cè)試儀中控溫也是最理想的。選擇飽和鹽溶液進(jìn)行濕度控制可使試樣高濕一側(cè)的濕度均勻穩(wěn)定，而低濕一側(cè)的氣流由干燥器控制濕度，因此試樣兩側(cè)能獲得非常穩(wěn)定的濕度差，波動(dòng)非常小。溫濕度控制得越精確越有利于試驗(yàn)結(jié)果，TSY-W3的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)重復(fù)性在其整個(gè)測(cè)試范圍內(nèi)都非常好（當(dāng)然材料的均一性也是影響測(cè)試數(shù)據(jù)重復(fù)性的一個(gè)關(guān)鍵因素）。此外這款設(shè)備測(cè)試時(shí)間相對(duì)與稱重法設(shè)備有一定的縮短，尤其是在進(jìn)行透濕性較低的材料的檢測(cè)時(shí)能體現(xiàn)出較大的檢測(cè)效率優(yōu)勢(shì)。而且對(duì)測(cè)試環(huán)境中的震動(dòng)也不敏感，有效避免了環(huán)境干擾對(duì)試驗(yàn)效率的影響。
5.總結(jié)
測(cè)試環(huán)境的溫度和濕度是影響透濕性測(cè)試數(shù)據(jù)的兩大主要因素，因此對(duì)這兩項(xiàng)進(jìn)行有效控制可使得測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和重復(fù)性明顯提高。綜合比較顯示，LabthinkTSY-W3電解法透濕儀在溫濕度檢測(cè)控制方面表現(xiàn)出較強(qiáng)的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)。
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