三种聚合物薄膜氦渗透率的测试

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)合肥工业大学机汽学院真空与过装系 作者:董栋

  本文提出利用氦质谱检漏仪测量聚合物薄膜渗透性能的方法,即通过聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)等三种聚合物薄膜对氦(He)的渗透率的测量,结合菲克定律计算相应的薄膜渗透率,并分析比较三种薄膜对He 渗透率的大小。实验结果表明三种聚合物薄膜(PET、PDMS、PI)对氦的渗透率分别为:1.07×10-7 Pa·m3/s、2.01×10-6 Pa·m3/s、1.04×10-5 Pa·m3/s,由于玻璃转变温度的差异,三种薄膜渗透率的大小如下:PDMS>PI>PET,玻璃转变温度最高的PET 对He 的渗透率最小。本文测试方法的相对合成不确定度为5.79%,且该测试系统进行薄膜渗透性的测试具有测量时间短,操作简单,结果精确等优点。

  由于气体分子的扩散性和材料的缺陷,气体渗透在聚合物薄膜中是一种常见的现象。近年来,聚合物薄膜广泛应用于食品包装、军事、发光显示等领域,因此对薄膜渗透率的测量越显重要。在食物包装工业方面,包装新鲜食物的塑料薄膜应具有高的渗透率;为保存油腻类食物,要求包装膜对氧气的渗透率极小而对充氮包装用膜,则要求其它气体几乎不渗透;在发光显示方面, 聚合物薄膜广泛应用于有机发光二极管(OLED);军事方面所用到的平流层飞艇,组成飞艇的聚合物材料对氦的渗透率必须达到一定的要求以保证飞艇良好的整体漏率,从而确保飞艇良好的工作性能,因此本文进行薄膜对氦渗透率的研究具有实践意义。

  目前,气体累积法是国内外测试薄膜对气体渗透率的主要方法。气体累积法:测试初始阶段,薄膜两侧需要保持一定的真空度;测试时,测试气体充满与薄膜一侧相连的腔体(高压室)并保持压强为1atm;测试气体通过薄膜渗透到另一侧,并利用真空计记录与薄膜另一侧相连腔体(被检室) 的压强随时间变化的规律。Xue FengYao 等人便是利用此方法研究计算薄膜对气体渗透率的理论方法,Inseok Yeo 也利用此方法研究了真空绝热板(VIP)对气体的渗透率。

  由于气体累积法测量时间较长,被检室内的本底漏率是影响结果的一个重要因素,同时环境温度的波动也影响着结果的准确度。因此真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为该测试方法要求实验在恒温室内进行,且需要单独测量被检室内的本底漏率,测量过程较复杂,测量时间长。

  本文利用氦质谱检漏仪测量聚合物薄膜对He 的整体漏率,根据菲克定律计算出聚合物薄膜对He 的渗透率,并比较分析三种常用聚合物(PET,PDMS,PI)对He 渗透率的大小。

1、理论背景

  1.1、气体扩散理论及菲克定律

  气体通过薄膜主要是以下三个步骤(如图1):1.气体分子吸附在薄膜的一侧;2.气体分子扩散到薄膜的另一侧;3.气体分子从薄膜的另一侧解吸。

气体渗透过程机理

图1 气体渗透过程机理

2、结论

  本实验利用氦质谱检漏仪和菲克第一定律测量并计算出了三种聚合物薄膜(PDMS、PET、PI) 对He 的渗透率。实验结果表明k(PDMS)>k(PI)>k(PET),这是由于对于同种测试气体,薄膜对气体的渗透率大小主要由其玻璃转换温度决定的,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为本实验结果和理论基本吻合。本文还得出了该测试系统的总体相对不确定度为5.79%,验证了该实验的准确性,且利用此测试系统进行薄膜渗透性的测量,具有精度高,测试时间短,操作简单方便等优点。

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