《包裝設計制作工藝與檢測技術標準實用手冊》

第二篇 包裝技術與工藝

第二章　防潮（濕）包裝技術

第三節　透濕度及其影響因素

一、透濕度

對于薄膜透濕性能而言，除了透濕系數P是一個重要參數外，更為常用的是透濕度R，R是指在規定溫度和材料兩側濕度的條件下，單位時間內，透過單位面積材料的濕氣量，單位用g／m2·d表示。透濕系數和透濕度兩者在評價材料的防濕性能方面是完全一致的，但對于比較不同材料的防潮性能來說，透濕度較透濕系數應用范圍更廣，使用起來更方便。

根據透濕度定義，R＝QAt，所以對于在溫度為θ、兩面濕度分別為hH，hL（hH＞hL）的條件下，所測定的透濕度R與透濕系數P可用公式有機地聯系在一起，即有

P＝RL[（hH－hL）pθ×10－2]

因R是與溫度和濕度條件有關的值，因而P也與溫度和濕度有關，即P不是恒定常數。所以用下式表示更合理，即

P［θ，（hL～hH）］＝｛R［θ，（hL～hH）］L｝/｛（hH－hL）pθ×10－2　　　　　　（2－2－8）｝

測定塑料薄膜透濕度的主要方法有重量法、壓力法和電子濕度計測定法等。這些測定方法各有其優缺點。現在國際上通行的并在商業交易中應用的測定透濕度的方法，基本上是重量法。這種測定透濕度的方法是：分別規定出溫度和材料兩面的濕度，在穩定狀態下，測定出在單位時間內單位面積薄膜材料透過的濕氣量，這個濕氣量即為該種薄膜材料的透濕度。

重量測定法一般是指透濕性測定方法。這種方法的優點是簡易、方便，可以利用實驗室常規儀器進行測定。但其缺點也較明顯：一是測試速度慢，做一次實驗要花費7～14天的時間；二是測試的范圍有一定限制，只能測試透濕度下限為1g／m2·d的塑料薄膜材料，對于阻隔性能強的，即透濕度低于1g／m2·d的薄膜材料不適用，特別是復合膜材料。經過二十多年的研究，現在已發展了許多種加速試驗的方法，多數國家利用專門儀器進行測試，靈敏度高、試驗周期短，只要幾小時或更少時間就可測試完。

圖2－2－3　快速測定水蒸氣透過率測定儀原理圖

如圖2－2－3所示，快速測定透濕度R的方法是：試樣被夾在一個透氣室的中央，在透氣室的下半部裝上水（通常用高純水），使其有一個最大的相對濕度（hH近似為100％），整個透氣室保持恒溫，透氣室的上半部裝有一個濕度傳感器，用干燥空氣使它上半部半干，當徹底干燥后，空氣的進口和出口關閉，隔絕這部分。這時，通過試樣的水蒸氣使傳感器周圍的空氣相對濕度上升，記錄相對濕度由（hL－δ）值上升至（hL＋δ）值所用的時間t0值（此時的hL和δ兩值需根據濕度傳感器的量程范圍和測試精度人為確定。假若濕度傳感器的量程范圍為40～60（RH％）的話，hL應確定為50（RH％），而δ決不能大于10（RH％）。若濕度傳感器的精度誤差是±5（RH％）的話，δ值的確定要遠遠大于5（RH％）才能保證測試的準確度。因此最好選擇量程范圍窄、精度極高的濕度傳感器進行測試，否則其誤差太大，難以保證其準確度。其中hL可看作為低濕度側的相對濕度，并根據相對濕度定義2δ＝△p/pθ，再根據氣體定律△pV＝QM水/RT，可得到

Q＝2δpθM水V／RT

其中：pθ為θ溫度下的飽和水蒸氣壓；

　　M水為水的摩爾分子量；

　　V為透氣室上半部的體積空間；

　　R為氣體常數；

　　T為測試條件的絕對溫度值；

得到Q值后，分別將水蒸氣透過量Q值、所測試樣膜與水蒸氣接觸的面積A及測試時間t0（此時t＝t0）代入到透濕度定義式R＝Q/At。從中計算出透濕度R的值。

現在世界上尚未有統一的測定透濕度的方法和標準。日本JIS－Z－0208方法規定：當溫度為40℃，材料高濕度面一側的相對濕度為90％，低濕度面一側的相對濕度為0％，材料的表面積為1m2時，24小時內所透過的水蒸氣量（g），即為該材料的透濕度R的值。

而我國在國家標準（GB1037－85）中詳細規定了塑料薄膜的透濕試驗方法。該方法規定的條件是：溫度38±1℃，相對濕度為一側放置干燥劑（用硅膠或無水氯化鈣吸收水分），另一側為100％的飽和水蒸氣。

另外，透濕度R可以直接測量出來，也可以經透濕系數P計算出來，P的值也是經測量而來的。

二、溫度與濕度對透濕度的影響

（一）溫度的影響

已知P＝DS，根據阿雷尼烏斯關系式：

D＝D0e－Ed／RT，S＝S0e－△H／RT

其中：Ed是擴散過程的活化能；

　　△H為溶解熱焓。

所以

P＝DSe－（Ed＋△H）／RT

令D0S0＝P0，Ed＋△H＝△E，則

P＝P0e－△E／RT　　　　　　（2－2－9）

其中：P0是與材料相關的常數；

　　T是絕對溫度；

　　R是氣體常數；

　　△E是滲透活化能。

利用對數表示則有1nP＝1nP0－1T·△ER。因△E、R、1nP0都是常數，所以透濕系數的自然對數1nP與絕對溫度的倒數1／T呈直線關系。

（二）濕度對透濕度的影響

材料本身所含的水分對透濕的影響主要取決于S0項，S0與溫度無關，但濕度對其有直接的影響，當材料內含濕度時，因水分子中的羥基作用，使吸附的水分含量增大，從而會使S0的值升高。含有羥基、氨基等極性基的材料，因氫鍵作用也會使S0值升高。

（三）材料本身性能對透濕度的影響在水蒸氣分子擴散過程中，聚合物自身內部各種因素，如化學結構、結晶度、鏈長、密度、側鏈、分子量、聚合度、雙鏈、添加劑、顏料以及高分子聚合物的交聯度等都對透濕度有影響。

高分子聚合物材料的化學結構是決定材料特性的主要因素，也是區分材料類型的重乙烯醇（因氫鍵作用）具有較強的親水性，不僅其透濕率與聚乙烯不同，其計算公式也有較大的區別。化學結構直接決定了材料的結晶度、密度等材料屬性。一般說，結晶度越高的聚合物材料，其內部空隙越小，從而使其透濕性能降低。

密度對透濕性也有較大的影響。密度越高的材料阻隔性越好，即透濕性越低。同樣厚度的聚乙烯膜，高密度膜的透濕性小于低密度膜。

分子定向性極大地影響著聚合物包裝材料的透濕性。定向結晶的聚合物材料較無定向結晶聚合物更致密，產生的分子間空隙更小，所以結晶度大的材料的透濕性遠比結晶度小的材料的透濕性小。分子對稱性對透濕度有影響，分子的對稱性越好，透濕性越低。

分子對稱性直接影響擴散系數D0（D＝D0e－Ed／RT）。Ed較為接近的橡膠（對稱性差）與聚乙烯（對稱性好）相比較發現，同一溫度、濕度下，橡膠的透濕度比聚乙烯的大。而測定其D，同樣發現橡膠的D0大于聚乙烯的。分子極性的影響主要是影響內聚能，內聚能越大，透濕性越小。例如，對于D0接近的PVDC與LDPE，因PVDC的極性和內聚能明顯比LDPE高，其透濕率比LDPE低。

加到高分子材料中的添加劑、增塑劑以及其他聚合物單體對透濕度的影響是：添加劑能促進水蒸氣在聚合物內凝結，使聚合物產生塑性，改變聚合物的空隙結構，使聚合物內的空隙增大，增大了水蒸氣分子的傳輸，即透濕度變大。而增塑劑的作用是提高高分子材料的塑性，最后與添加劑吸水后的狀況一樣，加速了水蒸氣的擴散和滲透。少量中性填充劑和顏料對透濕性影響不大，但超過某一臨界值后，也會加速水分子擴散的作用。

另外，水分子具有較強的極性和易凝性。必須考慮它們對透濕的影響。極性水分子易與一些極性較高的聚合物材料發生相互作用。對于非親水膜，極性作用傾向于使膜的透濕性降低，極性力對Ed的貢獻遠大于△H。對于親水膜，情況則不同。親水膜大多含有易與水分子形成氫鍵的基團，氫鍵力比范德華力強得多，因而溶解度S明顯增大（即氫鍵力對△H的貢獻遠超過Ed），使P增加。如PE與聚酰胺的透濕性比較，就可解釋此點。在常溫下，水的溶解焓△H是負值，而水蒸氣分子的擴散活化能Ed為正值，且｜Ed｜＞｜△H｜，因而在常溫下，P＝P0e－（Ed＋△H）／RT中的P值隨溫度T的增大而增大。

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