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水蒸氣透過(guò)率、透過(guò)量與透過(guò)系數(shù)應(yīng)用指南
摘要: 本文詳細(xì)介紹了三項(xiàng)透濕性參數(shù)（水蒸氣透過(guò)率、透過(guò)量以及透過(guò)系數(shù)）的定義、應(yīng)用范圍以及相互之間的差異和換算關(guān)系，同時(shí)對(duì)于目前國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中定義不清晰的情況給予說(shuō)明。
關(guān)鍵詞：透濕性，透過(guò)率，透過(guò)量，透過(guò)系數(shù)
隨著阻隔性檢測(cè)的普及，相關(guān)參數(shù)指標(biāo)已成為材料性能評(píng)價(jià)的關(guān)注重點(diǎn)。然而由于國(guó)內(nèi)、標(biāo)準(zhǔn)在一些參數(shù)定義上的差異使得很多試驗(yàn)人員、研究人員對(duì)于參數(shù)概念及應(yīng)用分辨不明。這不但給數(shù)據(jù)傳遞帶來(lái)一些影響，同時(shí)還會(huì)造成對(duì)材料性能評(píng)價(jià)的失誤。本文著重分析透濕性參數(shù)水蒸氣透過(guò)率、水蒸氣透過(guò)量以及水蒸氣透過(guò)系數(shù)的定義，對(duì)它們之間的關(guān)系進(jìn)行介紹，并指出實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)注意的問(wèn)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(guò)塑料薄膜是受到高分子材料內(nèi)的化學(xué)勢(shì)能驅(qū)動(dòng)。化學(xué)勢(shì)能由化學(xué)活性決定，而化學(xué)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(qiáng)pi有如下關(guān)系式：
pi = kCi （1）
式中k為常數(shù)，即透過(guò)薄膜的氣體通量將取決于其兩邊的分壓強(qiáng)。如果在時(shí)間t內(nèi)，透過(guò)面積A上的測(cè)試氣體總量為Q，可計(jì)算得到滲透系數(shù)（氣體透過(guò)系數(shù)或者水蒸氣透過(guò)系數(shù)）P為：
P =
（2）
（2）式中，p1、p2是薄膜兩邊滲透物質(zhì)的分壓強(qiáng)，分壓差為△p = p1－p2， l是薄膜的厚度。
2.透濕性能參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)描述
以下是透濕性能測(cè)試中經(jīng)常使用的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)：
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(gè)：
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(guò)率：在單位時(shí)間內(nèi)、在單位面積上透過(guò)樣品的水蒸氣總量，透過(guò)方向垂直與試樣特定表面，試樣每個(gè)表面都保持特定的溫濕度環(huán)境。
水蒸氣透過(guò)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(guò)量：保持試樣兩表面特定的溫濕度環(huán)境，在單位時(shí)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(guò)樣品的水蒸氣總量。
可見(jiàn)水蒸氣透過(guò)量是水蒸氣透過(guò)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(guò)系數(shù)：保持試樣兩表面特定的溫濕度環(huán)境，在單位時(shí)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(guò)的水蒸氣總量。
水蒸氣透過(guò)系數(shù)是水蒸氣透過(guò)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(gè)：
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(guò)率（WVTR）：在一定的溫度、濕度條件下，單位時(shí)間內(nèi)透過(guò)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(shí)，[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(gè)：
1. 水蒸氣透過(guò)量（WVT）：在規(guī)定的溫度、相對(duì)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(guò)的水蒸氣量。單位：g /m2·24h。
2. 水蒸氣透過(guò)系數(shù)（PV）：在規(guī)定的溫度、相對(duì)濕度環(huán)境中，單位時(shí)間內(nèi)，單位水蒸氣壓差下，透過(guò)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(guó)試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E 96-80《材料透過(guò)水蒸氣性試驗(yàn)方法——杯式法》。
2.4 總結(jié)
從上述標(biāo)準(zhǔn)定義中分析它們的結(jié)果單位，我們可以得到，GB/T 1037-1988中的水蒸氣透過(guò)量（WVT）與ASTM E96-05標(biāo)準(zhǔn)中 Water Vapor Transmission Rate（水蒸氣透過(guò)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(guò)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(guò)系數(shù)與ASTM E96-05的Water Vapor Permeability（水蒸氣透過(guò)系數(shù)）單位也是一致的，ISO 2528:1995中沒(méi)有提及水蒸氣透過(guò)系數(shù)的概念；而ASTM E96-05中的Water Vapor Permeance（水蒸氣透過(guò)量）的概念在GB/T 1037-1988 與ISO 2528:1995的標(biāo)準(zhǔn)中都沒(méi)有涉及。
3. 透濕性參數(shù)實(shí)際應(yīng)用
水蒸氣透過(guò)率是單位時(shí)間透過(guò)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(gè)因素決定。水蒸氣透過(guò)率與測(cè)試環(huán)境和試樣個(gè)體有關(guān)，水蒸氣透過(guò)量只與測(cè)試試樣自身有關(guān)而與環(huán)境無(wú)關(guān)，至于水蒸氣透過(guò)系數(shù)則僅與試樣的材質(zhì)有關(guān)，是材料本身的性質(zhì)。三個(gè)參數(shù)之間滿足如下關(guān)系：
水蒸氣透過(guò)量=水蒸氣透過(guò)率/△p， 水蒸氣透過(guò)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(guān)注包裝材料的水蒸氣透過(guò)率（Water Vapor Transmission Rate，單位：g/m2·24h）和水蒸氣透過(guò)系數(shù)（Water Vapor Permeability，單位：g·cm/cm2·s·Pa）。除去由于標(biāo)準(zhǔn)定義差異帶來(lái)的影響外，嚴(yán)格來(lái)講水蒸氣透過(guò)量（Water Vapor Permeance）是很少用到的，這主要是由應(yīng)用習(xí)慣導(dǎo)致的。然而對(duì)于水蒸氣透過(guò)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(guò)系數(shù)僅對(duì)均勻材料有意義，它是一批均勻材料的特性參數(shù)。）可見(jiàn)材料的水蒸氣透過(guò)系數(shù)并非對(duì)所有材料都有意義，它僅對(duì)于均勻的單層材料有意義，而且應(yīng)用前必須已經(jīng)通過(guò)檢測(cè)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(guò)系數(shù)應(yīng)用于多層復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。但是對(duì)于多層復(fù)合材料，檢測(cè)其水蒸氣透過(guò)系數(shù)是沒(méi)有意義的。
4. 總結(jié)
對(duì)于透濕性參數(shù)的名稱定義不一致的問(wèn)題應(yīng)該引起有關(guān)方面的重視。對(duì)于使用者而言，不能僅關(guān)注透濕性參數(shù)的名稱，需要通過(guò)比較結(jié)果單位是否一致來(lái)確定不同標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用混亂，給業(yè)界的溝通交流提供便利。
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