如何选择高阻隔性材料的检测设备

图1 OX2/230氧气透过率测试系统

根据测试方法（标准）和气体介质的不同（水蒸气或其他气体），高阻隔性材料的检测设备可分为几种不同的类型，用户在对它们进行选择时应该遵循哪些原则并注意哪些问题呢？本文对此给出了答案。
随着阻隔性材料应用领域的不断拓宽及其在包装效果中的突出表现，高阻隔性材料已经成为包装材料研发的一个主要方向，并由此对阻隔性能测试设备提出了更高的要求。相信多数检测人员都有这样的经验，高阻隔性材料的阻隔性测试数据的波动一般要比中低阻隔性材料高出很多。这种数据波动是由什么原因引起的？高阻隔性材料对于检测设备的选择又有哪些要求？本文通过介绍高阻隔性材料的测试特点，指出一些用户在选择检测设备时应注意的问题。
高阻隔性材料的测试特点
高阻隔性材料，又称低透过率材料，具有较低的气体透过率。这类材料在进行阻隔性测试时具有3个方面的特点。
第一，透过的气体量极小，而且透过速度极慢，这是检测高阻隔性材料的难点所在。它对检测设备提出了两方面的要求：一是，设备必须具有极佳的密封性。根据多年的检测经验发现，泄漏始终是高阻隔性材料检测中遇到的最大障碍。操作者需要注意的是，这种泄漏不一定是测试系统中的泄漏，更多地是存在于样品装夹上。二是，要求探测传感器具有极高的精度和灵敏度。传感器的精度直接决定了测试限度，同时也是检测时间的主要决定因素。
第二，达到渗透平衡需要较长的时间。对渗透平衡的判断是阻隔性检测中的关键点，但对高阻隔性材料来说需要经过一段时间的积累后，渗透通过试样的测试气体才能被传感器准确检测出来，而且由于气体含量的微少所引起的数据波动和误差都将给渗透平衡的判断带来影响。由于一般高阻隔性材料从渗透开始到建立平衡需要几小时甚至十几小时，因此外界环境因素的干扰也变得不能忽视。例如温度，无论对于传感器还是对于试样，温度的影响都无法忽视，温度波动会引起传感器输出信号的波动，也会导致样品本身的阻隔性出现变化。此外，由于测试时间长也容易导致测试气体中成分的变化，例如更换气源所引起的气体含量上微弱的改变或者是混合气体中可能出现的混合不均，因此必须确保测试气体的成分稳定。
第三，对系统零点以及测试过程稳定性的要求都很高。系统零点是将测试系统中残存的测试气体清除到极限时所记下的系统状态，它是设备状态的一种综合体现。系统零点对测试数据的影响在检测中低阻隔性材料时并不突出，这是因为零点值相对材料的阻隔值可以忽略不计。但是对于高阻隔性材料，系统零点准确与否将直接影响测试数据，因此不能忽视。由于温度会使得传感器的输出信号出现波动，因此温度也是影响系统零点的一个重要因素。此外，环境湿度、振动等环境因素的影响也不容忽视。
检测设备的选择重点
综合分析，要检测高阻隔样品的阻隔性能，设备应该具有如下几个优良的特性：密封性好、传感器精度高、系统零点稳定及受环境因素干扰小。
下面针对每种阻隔性测试方法，具体分析一下在选择设备时所需要注意的重点。
1.气体透过率测试之压差法
压差法是气体透过率检测的基础方法，其测试准确性主要取决于测试下腔中的压力传感器所测的数据，因此在检测高阻隔性样品时，采用高精度的压力传感器是检测的基础。在选购压差法设备时应注意以下几项：
（1）检测下限。检测下限一般是系统整体密封性、系统零点以及传感器精度的综合表现，代表了该设备的最低检出限。
（2）系统真空度。压差法的系统真空度可视为该系统的“零点”，但是这里所说的系统真空度不是只抽一段时间后就停止所达到的真空度，而是要通过长时间地抽真空，观察测试系统的压力最低值。对于压差法来说，系统密封性也可以通过抽真空来验证，而且通过抽真空还能有效地检测试样的装夹密封效果。
（3）环境控制和监测能力。环境对系统零点、渗透平衡以及样品性质的影响已经获得大量数据的证明，其中以温度的影响最为突出。因此，设备自身是否具有控温能力，以及控温的范围和均匀性都值得关注。当然，如果设备还具有其他的环境因素检测能力则更佳。因为对于高阻隔性材料来说，环境因素的影响会更加明显，这些数据能为异常数据的分析带来帮助。

图2 VAC/V2压差法气体渗透仪

2.气体透过率测试之等压法
等压法设备的气体传感器直接输出测试腔内的气体含量，所以对于等压法设备来说如果传感器精度不佳，也可以通过降低载气流速等方法适当提高单位时间内测试腔内的测试气体量，不过对于系统零点的要求依旧不能放松。选购等压法设备应注意以下几项：
（1）检测下限。
（2）环境控制和监测能力。由于等压法设备的气路与外界环境时刻保持畅通，因此受环境因素的干扰更是不容忽视，也就是说更要重视对环境因素的控制和监测。
（3）气源处理。与压差法不同的是，等压法在试验过程中需要使用大量的试验气体持续吹扫样品的两侧。由于载气气源的更换会对系统的零点造成影响，因此如果设备自身能对气体气源进行进一步处理，将有助于维持系统零点的稳定。
3.水蒸气透过率测试之称重法
虽然在原理上称重法设备所用测量元件的精度是决定测量下限、数据准确性的关键指标，但由于传统方法中需要人工操作透湿杯并称量，因此引入了无法忽视的误差而使它在检测高阻隔性材料时出现数据偏差过大等问题。但是只要排除了人为因素，采用自动称重法检测设备就可以解决数据偏差大的问题。选购称重法设备时应注意以下几项：
（1）是否为自动检测。对于高阻隔性材料来说，人工操作已给测试数据带来无法忽略的影响，因此传统手工测试的模式已经不再适用。
（2）检测下限。
（3）环境控制和监测能力。
（4）对振动的监测。称重法是这几种检测方法中对振动最为敏感的一个方法，在高阻隔性材料的检测中即使微小的振动或晃动也会导致测试失败。因此，如果能够监测环境中的振动情况，将给排查异常数据提供极大的帮助。

图3 W3/330水蒸气透过率测试系统

4.水蒸气透过率测试之传感器法
该方法包括电解传感器法、红外传感器法以及湿度传感器法等几种，它们的测试原理和设备结构非常接近，区别只在于传感器的检测原理不同。然而就传感器自身来说，红外传感器受外界的影响最突出，因此在使用它时对外界环境的要求极高。相比之下，电解传感器的稳定性要优秀很多。选购传感器法设备时应注意以下几项：
(1)检测下限。
(2)环境控制和监测能力。由于红外传感器受环境影响显著，因此红外传感器法设备对于环境的控制要求明显高于电解传感器法设备。
(3)气源处理。传感器法在试验过程中也需要使用大量试验气体。由于载气气源的更换会对系统的零点造成影响，因此如果设备自身能对气体气源进行进一步处理，将有助于维持系统零点的稳定。
总结
通过关注以上指标，用户就能使其选择的设备更适用于高阻隔性材料的测试。然而仅仅选对了设备是不够的，还需在具体检测时注意一些操作细节，例如注意样品密封、注意延长抽真空或者吹扫零点的时间，以及注意气源、环境等因素。当然，由于早期测试技术不发达而带来的压差法设备无法检测高阻隔性材料的气体透过率、称重法不适用于检测高阻隔性材料的水蒸气透过率的错误观点，也应该得到纠正，如今在这些阻隔性测试方法间并不存在测试范围上的显著差异。