水蒸氣透過率、透過量與透過系數(shù)應用指南

更新時間：2008-08-07 點擊次數(shù)：6235

摘要: 本文詳細介紹了三項透濕性參數(shù)（水蒸氣透過率、透過量以及透過系數(shù)）的定義、應用范圍以及相互之間的差異和換算關系，同時對于目前國內(nèi)標準中定義不清晰的情況給予說明。
關鍵詞：透濕性，透過率，透過量，透過系數(shù)

隨著阻隔性檢測的普及，相關參數(shù)指標已成為材料性能評價的關注重點。然而由于國內(nèi)、標準在一些參數(shù)定義上的差異使得很多試驗人員、研究人員對于參數(shù)概念及應用分辨不明。這不但給數(shù)據(jù)傳遞帶來一些影響，同時還會造成對材料性能評價的失誤。本文著重分析透濕性參數(shù)水蒸氣透過率、水蒸氣透過量以及水蒸氣透過系數(shù)的定義，對它們之間的關系進行介紹，并指出實際應用中應當注意的問題。

1.滲透描述

按照質(zhì)量遷移理論，氣體分子或者水蒸氣分子之所以能透過塑料薄膜是受到高分子材料內(nèi)的化學勢能驅(qū)動。化學勢能由化學活性決定，而化學活性比例于氣體濃度，因此滲透物質(zhì)分子的濃度Ci與其分壓強pi有如下關系式：

pi = kCi （1）

式中k為常數(shù)，即透過薄膜的氣體通量將取決于其兩邊的分壓強。如果在時間t內(nèi)，透過面積A上的測試氣體總量為Q，可計算得到滲透系數(shù)（氣體透過系數(shù)或者水蒸氣透過系數(shù)）P為：

P =

（2）

式中，p₁、p₂是薄膜兩邊滲透物質(zhì)的分壓強，分壓差為△p = p₁－p₂_，l是薄膜的厚度。

2.透濕性能參數(shù)的標準描述

以下是透濕性能測試中經(jīng)常使用的基礎標準：

2.1 ASTM E96-05

ASTM E96-05中，用于描述材料透濕性能的參數(shù)有以下3個：

1. Water Vapor Transmission Rate: The steady water vapor flow in unit time through unit area of a body, normal to specific parallel surfaces, under specific conditions of temperaturehumidity at each surface.

譯文：水蒸氣透過率：在單位時間內(nèi)、在單位面積上透過樣品的水蒸氣總量，透過方向垂直與試樣特定表面，試樣每個表面都保持特定的溫濕度環(huán)境。

水蒸氣透過率縮寫為WVT，公制單位為：g/h·m²。

2. Water Vapor Permeance: The time rate of water vapor transmission through unit area of flat material or construction induced by unit vapor pressure difference between two specific surfaces, under specified temperaturehumidity conditions.

譯文：水蒸氣透過量：保持試樣兩表面特定的溫濕度環(huán)境，在單位時間內(nèi)，由試樣兩側(cè)單位水蒸氣壓差引起的，在單位面積上透過樣品的水蒸氣總量。

可見水蒸氣透過量是水蒸氣透過率與試樣兩側(cè)水蒸氣分壓差的比值。常用單位為：g/ Pa·s·m²。

3. Water Vapor Permeability: The time rate of water vapor transmission through unit area of flat material of unit thickness induced by unit vapor pressure difference between two specific surfaces, under specified temperaturehumidity conditions.

譯文：水蒸氣透過系數(shù)：保持試樣兩表面特定的溫濕度環(huán)境，在單位時間內(nèi)，由試樣兩側(cè)單位水蒸氣壓差引起的，單位厚度的樣品在其單位面積上透過的水蒸氣總量。

水蒸氣透過系數(shù)是水蒸氣透過量與薄膜厚度的乘積，常用單位為：g·cm/ Pa·s·cm²。

2.2 ISO 2528:1995

ISO 2528:1995中，用于描述材料透濕性能的參數(shù)只有一個：

Water vapour transmission rate (WVTR): Mass of water vapour transmitted through a unit area in a unit time under specified conditions of temperaturehumidity. It is expressed in grams per square metre per 24h [g / (m²·d)].

譯文：水蒸氣透過率（WVTR）：在一定的溫度、濕度條件下，單位時間內(nèi)透過單位面積的水蒸氣的質(zhì)量。單位表示為：克每平方米每24小時，[g / (m²·d)]。

2.3 GB/T 1037-1988

GB/T 1037-1988中，用于描述材料透濕性能的參數(shù)有兩個：

1. 水蒸氣透過量（WVT）：在規(guī)定的溫度、相對濕度，一定的水蒸氣壓差和一定厚度的條件下，1m²的試樣在24h內(nèi)透過的水蒸氣量。單位：g /m²·24h。

2. 水蒸氣透過系數(shù)（P_V）：在規(guī)定的溫度、相對濕度環(huán)境中，單位時間內(nèi)，單位水蒸氣壓差下，透過單位厚度，單位面積試樣的水蒸氣量。單位：g·cm/cm²·s·Pa。

注：GB/T 1037-1988參照采用美國試驗與材料協(xié)會標準ASTM E 96-80《材料透過水蒸氣性試驗方法——杯式法》。

2.4 總結

從上述標準定義中分析它們的結果單位，我們可以得到，GB/T 1037-1988中的水蒸氣透過量（WVT）與ASTM E96-05標準中 Water Vapor Transmission Rate（水蒸氣透過率，縮寫為WVT）的定義是一致的，與ISO 2528:1995中Water Vapor Transmission Rate（水蒸氣透過率，WVTR）也是一致的，單位都可轉(zhuǎn)化為g/m²·24h的形式；GB/T 1037-1988中的水蒸氣透過系數(shù)與ASTM E96-05的Water Vapor Permeability（水蒸氣透過系數(shù)）單位也是一致的，ISO 2528:1995中沒有提及水蒸氣透過系數(shù)的概念；而ASTM E96-05中的Water Vapor Permeance（水蒸氣透過量）的概念在GB/T 1037-1988 與ISO 2528:1995的標準中都沒有涉及。

3. 透濕性參數(shù)實際應用

水蒸氣透過率是單位時間透過單位面積的水蒸氣的質(zhì)量，它由材料本身的阻隔性能和材料兩邊水蒸氣濃度差兩個因素決定。水蒸氣透過率與測試環(huán)境和試樣個體有關，水蒸氣透過量只與測試試樣自身有關而與環(huán)境無關，至于水蒸氣透過系數(shù)則僅與試樣的材質(zhì)有關，是材料本身的性質(zhì)。三個參數(shù)之間滿足如下關系：

水蒸氣透過量=水蒸氣透過率/△p，水蒸氣透過系數(shù)=水蒸氣滲透量×l （3）

式中，△p為試樣兩側(cè)的水蒸氣分壓差，l是薄膜的厚度。

通常，我們只關注包裝材料的水蒸氣透過率（Water Vapor Transmission Rate，單位：g/m²·24h）和水蒸氣透過系數(shù)（Water Vapor Permeability，單位：g·cm/cm²·s·Pa）。除去由于標準定義差異帶來的影響外，嚴格來講水蒸氣透過量（Water Vapor Permeance）是很少用到的，這主要是由應用習慣導致的。然而對于水蒸氣透過系數(shù)的使用還存在誤區(qū)。The permeability is meaningful only for homogeneous materials, in which case it is a property characteristic of bulk material.（水蒸氣透過系數(shù)僅對均勻材料有意義，它是一批均勻材料的特性參數(shù)。）可見材料的水蒸氣透過系數(shù)并非對所有材料都有意義，它僅對于均勻的單層材料有意義，而且應用前必須已經(jīng)通過檢測多種厚度的材料證明其數(shù)據(jù)的一致性。也可將多種單層材料的水蒸氣透過系數(shù)應用于多層復合材料的結構設計中。但是對于多層復合材料，檢測其水蒸氣透過系數(shù)是沒有意義的。

4. 總結

對于透濕性參數(shù)的名稱定義不一致的問題應該引起有關方面的重視。對于使用者而言，不能僅關注透濕性參數(shù)的名稱，需要通過比較結果單位是否一致來確定不同標準中提及的參數(shù)意義是否相同，這樣才可以有效地避免名稱定義不一致所引起的應用混亂，給業(yè)界的溝通交流提供便利。