《包装设计制作工艺与检测技术标准实用手册》

第二篇 包装技术与工艺

第二章　防潮（湿）包装技术

第三节　透湿度及其影响因素

一、透湿度

对于薄膜透湿性能而言，除了透湿系数P是一个重要参数外，更为常用的是透湿度R，R是指在规定温度和材料两侧湿度的条件下，单位时间内，透过单位面积材料的湿气量，单位用g／m2·d表示。透湿系数和透湿度两者在评价材料的防湿性能方面是完全一致的，但对于比较不同材料的防潮性能来说，透湿度较透湿系数应用范围更广，使用起来更方便。

根据透湿度定义，R＝QAt，所以对于在温度为θ、两面湿度分别为hH，hL（hH＞hL）的条件下，所测定的透湿度R与透湿系数P可用公式有机地联系在一起，即有

P＝RL[（hH－hL）pθ×10－2]

因R是与温度和湿度条件有关的值，因而P也与温度和湿度有关，即P不是恒定常数。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）｝

测定塑料薄膜透湿度的主要方法有重量法、压力法和电子湿度计测定法等。这些测定方法各有其优缺点。现在国际上通行的并在商业交易中应用的测定透湿度的方法，基本上是重量法。这种测定透湿度的方法是：分别规定出温度和材料两面的湿度，在稳定状态下，测定出在单位时间内单位面积薄膜材料透过的湿气量，这个湿气量即为该种薄膜材料的透湿度。

重量测定法一般是指透湿性测定方法。这种方法的优点是简易、方便，可以利用实验室常规仪器进行测定。但其缺点也较明显：一是测试速度慢，做一次实验要花费7～14天的时间；二是测试的范围有一定限制，只能测试透湿度下限为1g／m2·d的塑料薄膜材料，对于阻隔性能强的，即透湿度低于1g／m2·d的薄膜材料不适用，特别是复合膜材料。经过二十多年的研究，现在已发展了许多种加速试验的方法，多数国家利用专门仪器进行测试，灵敏度高、试验周期短，只要几小时或更少时间就可测试完。

图2－2－3　快速测定水蒸气透过率测定仪原理图

如图2－2－3所示，快速测定透湿度R的方法是：试样被夹在一个透气室的中央，在透气室的下半部装上水（通常用高纯水），使其有一个最大的相对湿度（hH近似为100％），整个透气室保持恒温，透气室的上半部装有一个湿度传感器，用干燥空气使它上半部半干，当彻底干燥后，空气的进口和出口关闭，隔绝这部分。这时，通过试样的水蒸气使传感器周围的空气相对湿度上升，记录相对湿度由（hL－δ）值上升至（hL＋δ）值所用的时间t0值（此时的hL和δ两值需根据湿度传感器的量程范围和测试精度人为确定。假若湿度传感器的量程范围为40～60（RH％）的话，hL应确定为50（RH％），而δ决不能大于10（RH％）。若湿度传感器的精度误差是±5（RH％）的话，δ值的确定要远远大于5（RH％）才能保证测试的准确度。因此最好选择量程范围窄、精度极高的湿度传感器进行测试，否则其误差太大，难以保证其准确度。其中hL可看作为低湿度侧的相对湿度，并根据相对湿度定义2δ＝△p/pθ，再根据气体定律△pV＝QM水/RT，可得到

Q＝2δpθM水V／RT

其中：pθ为θ温度下的饱和水蒸气压；

　　M水为水的摩尔分子量；

　　V为透气室上半部的体积空间；

　　R为气体常数；

　　T为测试条件的绝对温度值；

得到Q值后，分别将水蒸气透过量Q值、所测试样膜与水蒸气接触的面积A及测试时间t0（此时t＝t0）代入到透湿度定义式R＝Q/At。从中计算出透湿度R的值。

现在世界上尚未有统一的测定透湿度的方法和标准。日本JIS－Z－0208方法规定：当温度为40℃，材料高湿度面一侧的相对湿度为90％，低湿度面一侧的相对湿度为0％，材料的表面积为1m2时，24小时内所透过的水蒸气量（g），即为该材料的透湿度R的值。

而我国在国家标准（GB1037－85）中详细规定了塑料薄膜的透湿试验方法。该方法规定的条件是：温度38±1℃，相对湿度为一侧放置干燥剂（用硅胶或无水氯化钙吸收水分），另一侧为100％的饱和水蒸气。

另外，透湿度R可以直接测量出来，也可以经透湿系数P计算出来，P的值也是经测量而来的。

二、温度与湿度对透湿度的影响

（一）温度的影响

已知P＝DS，根据阿雷尼乌斯关系式：

D＝D0e－Ed／RT，S＝S0e－△H／RT

其中：Ed是扩散过程的活化能；

　　△H为溶解热焓。

所以

P＝DSe－（Ed＋△H）／RT

令D0S0＝P0，Ed＋△H＝△E，则

P＝P0e－△E／RT　　　　　　（2－2－9）

其中：P0是与材料相关的常数；

　　T是绝对温度；

　　R是气体常数；

　　△E是渗透活化能。

利用对数表示则有1nP＝1nP0－1T·△ER。因△E、R、1nP0都是常数，所以透湿系数的自然对数1nP与绝对温度的倒数1／T呈直线关系。

（二）湿度对透湿度的影响

材料本身所含的水分对透湿的影响主要取决于S0项，S0与温度无关，但湿度对其有直接的影响，当材料内含湿度时，因水分子中的羟基作用，使吸附的水分含量增大，从而会使S0的值升高。含有羟基、氨基等极性基的材料，因氢键作用也会使S0值升高。

（三）材料本身性能对透湿度的影响在水蒸气分子扩散过程中，聚合物自身内部各种因素，如化学结构、结晶度、链长、密度、侧链、分子量、聚合度、双链、添加剂、颜料以及高分子聚合物的交联度等都对透湿度有影响。

高分子聚合物材料的化学结构是决定材料特性的主要因素，也是区分材料类型的重乙烯醇（因氢键作用）具有较强的亲水性，不仅其透湿率与聚乙烯不同，其计算公式也有较大的区别。化学结构直接决定了材料的结晶度、密度等材料属性。一般说，结晶度越高的聚合物材料，其内部空隙越小，从而使其透湿性能降低。

密度对透湿性也有较大的影响。密度越高的材料阻隔性越好，即透湿性越低。同样厚度的聚乙烯膜，高密度膜的透湿性小于低密度膜。

分子定向性极大地影响着聚合物包装材料的透湿性。定向结晶的聚合物材料较无定向结晶聚合物更致密，产生的分子间空隙更小，所以结晶度大的材料的透湿性远比结晶度小的材料的透湿性小。分子对称性对透湿度有影响，分子的对称性越好，透湿性越低。

分子对称性直接影响扩散系数D0（D＝D0e－Ed／RT）。Ed较为接近的橡胶（对称性差）与聚乙烯（对称性好）相比较发现，同一温度、湿度下，橡胶的透湿度比聚乙烯的大。而测定其D，同样发现橡胶的D0大于聚乙烯的。分子极性的影响主要是影响内聚能，内聚能越大，透湿性越小。例如，对于D0接近的PVDC与LDPE，因PVDC的极性和内聚能明显比LDPE高，其透湿率比LDPE低。

加到高分子材料中的添加剂、增塑剂以及其他聚合物单体对透湿度的影响是：添加剂能促进水蒸气在聚合物内凝结，使聚合物产生塑性，改变聚合物的空隙结构，使聚合物内的空隙增大，增大了水蒸气分子的传输，即透湿度变大。而增塑剂的作用是提高高分子材料的塑性，最后与添加剂吸水后的状况一样，加速了水蒸气的扩散和渗透。少量中性填充剂和颜料对透湿性影响不大，但超过某一临界值后，也会加速水分子扩散的作用。

另外，水分子具有较强的极性和易凝性。必须考虑它们对透湿的影响。极性水分子易与一些极性较高的聚合物材料发生相互作用。对于非亲水膜，极性作用倾向于使膜的透湿性降低，极性力对Ed的贡献远大于△H。对于亲水膜，情况则不同。亲水膜大多含有易与水分子形成氢键的基团，氢键力比范德华力强得多，因而溶解度S明显增大（即氢键力对△H的贡献远超过Ed），使P增加。如PE与聚酰胺的透湿性比较，就可解释此点。在常温下，水的溶解焓△H是负值，而水蒸气分子的扩散活化能Ed为正值，且｜Ed｜＞｜△H｜，因而在常温下，P＝P0e－（Ed＋△H）／RT中的P值随温度T的增大而增大。

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