摘要: 隨著惰性氣體應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，對(duì)于惰性氣體的合理使用和有效節(jié)省是惰性氣體應(yīng)用行業(yè)能否穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵，這需要檢測(cè)使用材料對(duì)于惰性氣體阻隔性。本文從實(shí)際檢測(cè)的角度分析了惰性氣體透過性檢測(cè)的可行性、注意事項(xiàng)，并與常規(guī)氣體透過量的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)。
關(guān)鍵詞：惰性氣體，氣體透過性，透氣性，氦氣
隨著惰性氣體工業(yè)制取技術(shù)的發(fā)展，其在工業(yè)、民用業(yè)等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用也大幅增長(zhǎng)。由于惰性氣體具有很多常規(guī)氣體所不具有的優(yōu)勢(shì)，因此在一些領(lǐng)域中使用惰性氣體，不但有利于提高設(shè)計(jì)效果，同時(shí)也大大增加使用安全性。
zui近一段時(shí)間，蘭光實(shí)驗(yàn)室陸續(xù)收到一些航空學(xué)院、研究所的樣品，測(cè)試氣體為氦氣，這屬于非常規(guī)氣體的阻隔性檢測(cè)，氦氣非常容易泄露，試驗(yàn)難度可想而知。蘭光實(shí)驗(yàn)室通過自行研制的壓差法氣體滲透儀很好地完成了檢測(cè)任務(wù)。本文通過氦氣透過性試驗(yàn)，對(duì)材料的惰性氣體透過性測(cè)試進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。
1 . 惰性氣體的應(yīng)用需求
需要先說明的一點(diǎn)是，包裝行業(yè)中所說的惰性氣體與科學(xué)定義上的惰性氣體是不同的。包裝行業(yè)中所說的惰性氣體是用于MAP包裝中的組合氣體，這些氣體與所包裝的食物不發(fā)生反應(yīng)，可以起到緩解食物的變質(zhì)過程、有效延長(zhǎng)食物保質(zhì)期的作用，因此在包裝行業(yè)中被成為“惰性氣體"。然而這些氣體一旦脫離了特定的MAP包裝環(huán)境，則性質(zhì)就會(huì)變得活潑多了。
科學(xué)上定義的惰性氣體（Inert Gas或Noble Gas）又稱鈍氣、稀有氣體、貴重氣體，共有六種，按照原子量遞增的順序排列，依次是氦、氖、氬、氪、氙、氡。在通常情況下，它們不與其他元素化合，而僅以單個(gè)原子的形式存在。惰性氣體*的化學(xué)性質(zhì)給它們帶來了很多特殊的應(yīng)用，例如氦可用于安全氣球或飛艇；氖在真空放電管中發(fā)生紅色光，用于廣告燈；氬可填充燈泡保護(hù)鎢絲，zui近也開發(fā)出采用氬氣的新型MAP包裝；氪和氙用于照相工業(yè)，而且這兩種氣體在真空放電管中會(huì)發(fā)出藍(lán)色光。其中隨著飛艇行業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)上采用氫氣的方式又具有極大的危險(xiǎn)性，因此盡管價(jià)格昂貴、但是使用安全的氦氣成了飛艇行業(yè)發(fā)展的動(dòng)力。氬氣MAP包裝也是氣調(diào)包裝行業(yè)所研發(fā)的新型MAP氣體，氬氣可以通過抑制真菌生長(zhǎng)，減少乙烯的釋放和緩解感官品質(zhì)變差，同時(shí)氬氣可以減少新鮮產(chǎn)品的呼吸率來延長(zhǎng)產(chǎn)品的貨架期。
2 . 檢測(cè)材料的惰性氣體透過性
盡管已經(jīng)實(shí)現(xiàn)惰性氣體的工業(yè)生產(chǎn)，然而相對(duì)于自然界中非常豐富的常規(guī)氣體，惰性氣體的成本依舊是很昂貴的。因此，對(duì)于惰性氣體的合理使用和有效節(jié)省是惰性氣體應(yīng)用行業(yè)能否穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵。例如，對(duì)于飛艇行業(yè)，飛行時(shí)氣囊中會(huì)充滿惰性氣體，氣體用量巨大，盡管如今的飛艇氣囊蒙布是一種人造夾層材料以使得氦氣泄漏降到zui少，然而究竟在一次飛行過程中會(huì)泄漏多少氦氣（直接影響飛行成本），則需要檢測(cè)氣囊蒙布的氦氣透過性。
雖然現(xiàn)在可用于檢測(cè)材料透氣性的測(cè)試方法有壓差法和等壓法兩大類，但是只有壓差法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于惰性氣體或者其他常規(guī)氣體的檢測(cè)，等壓法測(cè)試氣體單一限制了它的應(yīng)用領(lǐng)域。盡管有些人認(rèn)為可以通過預(yù)先測(cè)得幾種氣體對(duì)于某種材料的透過量測(cè)試數(shù)據(jù)并進(jìn)而算出幾組測(cè)試數(shù)據(jù)之間的比例關(guān)系，然后通過等壓法的透氧測(cè)試數(shù)據(jù)就可以推算出其他氣體對(duì)于材料的透過量，可惜的是這種方法很難獲得實(shí)際應(yīng)用，因?yàn)橹灰獪y(cè)試氣體出現(xiàn)變化、或者材料種類出現(xiàn)變化，這種比例關(guān)系也將發(fā)生改變。
壓差法的原理簡(jiǎn)單明了，通過在試樣兩側(cè)形成0.1MPa的測(cè)試氣體壓差，在滲透過程穩(wěn)定后按照下腔壓力的變化量就可以計(jì)算材料的滲透性能。壓差法對(duì)測(cè)試氣體的基本要求是不能腐蝕管路以及腔體，惰性氣體極不活潑，因此不會(huì)存在腐蝕管路以及腔體的可能性，不過還需要注意測(cè)試環(huán)境、尾氣處理以及氣體濃度安全性等方面的因素。
圖1. 壓差法測(cè)試原理圖
在檢測(cè)試樣對(duì)于氦氣的阻隔性時(shí)，應(yīng)注意以下情況：首先，氦氣的泄漏是驚人的，這種泄漏不但會(huì)出現(xiàn)在滲透腔中，同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)在氣源的減壓控制端，這是因?yàn)楹獾拇┩感?。因此，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，一定要保證氣源中壓力充足，以免由于氣源供氣不足導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。其次，應(yīng)預(yù)防出現(xiàn)在測(cè)試腔中氣體從試樣邊緣泄漏的情況，如果不注意這方面的控制，很可能會(huì)得到錯(cuò)誤的試驗(yàn)結(jié)果。這一點(diǎn)，Labthink的壓差法氣體滲透儀都已經(jīng)通過*的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很好地解決了。
3. 測(cè)試數(shù)據(jù)分析
我們收到的氦氣檢測(cè)典型材料是一所研究機(jī)構(gòu)提供的具有特殊涂層的材料，約4mm厚，但是厚度均勻性不好。在進(jìn)行材料的透氦量檢測(cè)的同時(shí)，我們實(shí)驗(yàn)室還對(duì)該材料的透氧性能進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)試數(shù)據(jù)詳見表1。測(cè)試數(shù)據(jù)單位是cm3/m2·24h·0.1MPa。
表1. 氧氣、氦氣透過性測(cè)試數(shù)據(jù)表
測(cè)試次數(shù) | 透氧量 | 透氦量 |
1 | 208.2411 | 989.6291 |
2 | 201.4471 | 1081.291 |
3 | 300.8272 | 1148.4061 |
4 | 351.4992 | 1122.3051 |
5 | 260.332 | 1163.631 |
1. 涂層朝下（沒有涂層的一側(cè)朝向試驗(yàn)氣體）
2. 涂層朝上（有涂層的一側(cè)朝向試驗(yàn)氣體）
盡管由于材料厚度均勻性不好使得測(cè)試數(shù)據(jù)的重復(fù)性表現(xiàn)并不太理想，但是分析表中數(shù)據(jù)可以獲得以下結(jié)論：首先，材料的透氧量要遠(yuǎn)小于透氦量，這可能與氦氣易泄漏有關(guān)，盡管氦氣的化學(xué)性質(zhì)不活潑。其次，對(duì)于涂層材料，用有涂層的一側(cè)朝向試驗(yàn)氣體要比使用沒有涂層的一側(cè)朝向試驗(yàn)氣體所得的透氧量要大，從表中數(shù)據(jù)分析可知，試樣涂層朝上時(shí)測(cè)得的透氧量要比試樣涂層朝下時(shí)測(cè)得的透氧量大50％左右。
4 . 展望
隨著惰性氣體工業(yè)制取技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用逐漸推廣，對(duì)于惰性氣體的有效存儲(chǔ)和合理應(yīng)用是惰性氣體工業(yè)應(yīng)用推廣的重點(diǎn)，需要檢測(cè)材料對(duì)惰性氣體的阻隔性能。現(xiàn)在通過壓差法透氣性檢測(cè)設(shè)備，可以檢測(cè)材料對(duì)絕大多數(shù)惰性氣體的阻隔性能，為惰性氣體的實(shí)際應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)。
