從檢測原理來探討水蒸氣透過率測定中紅外法和電解法的特點(diǎn)

黃少蓮

摘? 要：文章從電解法和紅外法在水蒸氣透過率測定中原理上的差異，來分析電解法和紅外法在水蒸氣透過率測定運(yùn)用中的特點(diǎn)，用以指導(dǎo)水蒸氣透過率測定方法的選擇和水蒸氣透過率測定設(shè)備種類的選擇。

關(guān)鍵詞：水蒸氣透過率測定;電解法;紅外法;測定方法選擇

中圖分類號(hào)：TP212? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）24-0157-03

Abstract： In this paper， the characteristics of the application of electrolytic method and infrared method in the determination of water vapor transmittance are analyzed from the difference of the principle between electrolytic method and infrared method in the determination of water vapor transmittance. It is used to guide the selection of methods for measuring water vapor transmittance and the selection of types of equipment for determining water vapor transmittance.

Keywords： determination of water vapor transmittance; electrolysis; infrared method; determination method selection

引言

材料阻隔性主要分為阻氣、阻氧、阻濕三個(gè)方面。阻隔性能是判斷材料或包裝性能的重要依據(jù)，如食品、藥品包裝要求有比較高的阻濕性能，防止食品或藥品受潮變質(zhì);防水織物要求較高的透氣性與較好的防水性等。塑料（復(fù)合）薄膜、太陽能背板、金屬箔片、防水卷材、橡膠、紙、織物等材料或包裝容器均需要進(jìn)行水蒸氣透過率測定，以達(dá)到控制與調(diào)節(jié)包裝材料技術(shù)指標(biāo)、滿足產(chǎn)品應(yīng)用的不同需求。

阻濕性即水蒸氣透過率，是指在規(guī)定的溫度、相對(duì)濕度，一定的水蒸氣壓差下，水蒸氣在一定時(shí)間內(nèi)透過試樣的量，目前市場上水蒸氣透過率測定常用檢測方法有杯式法、電解法、重量法、紅外法，其中杯式法和重量法的原理都是通過稱重實(shí)現(xiàn)的，所以也統(tǒng)稱為稱重法，因其是通過稱重來實(shí)現(xiàn)的，故在精度和檢出限上都有一定的限制，在2015版國家藥包材標(biāo)準(zhǔn)里就有規(guī)定，杯式法一般適用于水蒸汽透過率不低于2g/（m2·24h）;重量法適用于口服、外用液體瓶。[1]而電解法和紅外法則統(tǒng)稱傳感器法，它們相比稱重法精度更高，更適合測試水蒸氣透過率低的材料，電解法和紅外法極相似又有各自的特點(diǎn)，很多人在選擇檢測方法和選擇采購設(shè)備的時(shí)候不知道該如何選擇，故本文著重講電解法和紅外法，試圖將它們區(qū)分開來。

電解法和紅外法的差別主要是分析的手段不同，一個(gè)是利用電解傳感器對(duì)檢測到的水蒸氣濃度進(jìn)行分析，一個(gè)是利用紅外傳感器對(duì)檢測到的水蒸氣進(jìn)行分析，兩種方法之間的差異主要由檢測器造成。

1 紅外法原理

根據(jù)國家推薦標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 26253-2010 塑料薄膜和薄片水蒸氣透過率的測定 紅外檢測器法》，紅外檢測器法的原理為：當(dāng)樣品置于測試腔時(shí)，樣品將測試腔隔為兩腔。樣品一邊為低濕腔，另一邊為高濕腔，高濕腔里面充滿水蒸氣且溫度已知。由于存在一定的濕度差，水蒸氣從高濕腔通過樣品滲透到低濕腔，由載氣傳送到紅外檢測器產(chǎn)生一定量的電信號(hào)，當(dāng)試驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，通過輸出的電信號(hào)計(jì)算出樣品的水蒸氣透過率。[2]

紅外檢測器測水蒸氣濃度的原理是根據(jù)水蒸氣能吸收特定的紅外輻射通量，通過檢測紅外線輻射通量在通過含水蒸氣區(qū)域時(shí)前后能量的損失檢測水蒸氣的濃度。被吸收的紅外輻射通量與紅外線入射輻射通量、吸收層的水蒸氣濃度、溫度、路徑長度有明確的函數(shù)關(guān)系，服從Lambert-Beer定律?？杉磿r(shí)、快速、精確測量檢測區(qū)域的水汽濃度，計(jì)算出材料的水蒸氣透過率。[3]紅外光源發(fā)射極封裝在特制石英管內(nèi)，紅外輻射強(qiáng)度檢測器的接收極為特制石英硅合金，二者對(duì)水汽本身性能穩(wěn)定，即水汽濃度的高低對(duì)傳感器發(fā)射和接收性能穩(wěn)定性不構(gòu)成影響。另一方面，紅外光路上的水汽全部參與對(duì)紅外輻射能的吸收，光的能量衰減能準(zhǔn)確反應(yīng)水汽濃度量。如圖1所示。[4]

基本原理：

其中P和P0分別為紅外線通過吸收層后與進(jìn)入吸收層前的輻射通量，x為吸收層長度，α（λ）為正比于水蒸氣濃度的系數(shù)，P與水汽濃度有確定的函數(shù)關(guān)系。

如圖1所示，結(jié)構(gòu)1為紅外光發(fā)生器，結(jié)構(gòu)2為吸收氣室，結(jié)構(gòu)3為紅外光接收器，透過樣品的水分子被載氣從a口帶進(jìn)吸收氣室2，在吸收氣室吸收了紅外輻射后被從b口帶出去，通過計(jì)算紅外發(fā)生器和紅外接收器間紅外輻射通量的變化來計(jì)算被水分子吸收的紅外輻射通量，進(jìn)而計(jì)算出這期間有多少水分子進(jìn)到吸收氣室，這是紅外檢測器測定水氣透過率的原理。

由上可得，不管從a口被載氣帶進(jìn)來的水濃度是多少，都不影響紅外檢測器的工作，也就是說紅外檢測器法可以檢測高濃度的水汽，換而言之就是紅外檢測器法的水蒸氣透過率測定儀可以檢測低阻隔材料，例如國外知名品牌mocon的紅外傳感器法水蒸氣透過率測定儀的檢測量程為：0.005～100g/（m2·24h）、0.05～500g/（m2·24h）;再比如國內(nèi)知名品牌廣州標(biāo)際的紅外法水蒸氣透過率測定儀的檢測量程為：0.005～500g/（m2·24h）/0.002～1000g/（m2·24h），理論上紅外檢測器法水蒸氣透過率測定大部分都能檢測透過量在100g/（m2·24h）以上的材料，低濕和高濕都不影響傳感器的工作，發(fā)射與檢測器均封裝在石英結(jié)構(gòu)中，不易損壞，故其檢測限寬，即檢測范圍廣，使用壽命長;其次是檢測準(zhǔn)確，進(jìn)入傳感器的水汽均參與吸收紅外輻射能，直接得到濕度值，紅外傳感器為絕對(duì)傳感器;最后檢測速度快，吸收紅外光的過程是瞬間完成的，接收器即時(shí)響應(yīng)水汽吸收紅外輻射能，檢測效率高;然美中不足是目前市場上紅外傳感器的單價(jià)比電解傳感器的價(jià)格高，導(dǎo)致紅外法水蒸氣透過率測定儀比電解法水蒸氣透過率測定儀貴。

2 電解法原理

根據(jù)國家推薦標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 21529-2008 塑料薄膜和薄片水蒸氣透過率的測定 電解傳感器法》的原理描述;電解法的原理為：將試樣裝夾到滲透腔內(nèi)后，試樣將滲透腔分成干腔和濕腔（濕度可調(diào)）。在干腔中有干燥的載氣流通過，從濕腔透過試樣的水蒸氣由載氣攜帶到電解池內(nèi)。通過給電極施加一定的直流電壓，將水蒸氣電解成氫氣和氧氣。根據(jù)電解電流的數(shù)值，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)透過單位面積試樣的水蒸氣量。[5]

電解池的結(jié)構(gòu)通常為：內(nèi)有兩個(gè)螺旋形金屬電極，電極安裝在玻璃毛細(xì)管的內(nèi)壁上，電極表面涂有一薄層五氧化二磷。載氣通過玻璃毛細(xì)管，由載氣所攜帶的水蒸氣被五氧化二磷定量地吸收，生成磷酸，通過向兩電極施加電壓可將吸收的水蒸氣電解成氫和氧，同時(shí)磷酸轉(zhuǎn)化為五氧化二磷，通過這一系列的電化學(xué)反應(yīng)來計(jì)算水蒸氣的濃度。五氧化二磷一般是覆蓋于傳感器內(nèi)的石英管內(nèi)壁上，其吸收水蒸氣的量是有限的，如水蒸氣過多則未被吸收和發(fā)生化學(xué)反應(yīng)就被干燥氣體攜帶出去。如圖2所示。[6]

如圖2所示，結(jié)構(gòu)1為電解室，結(jié)構(gòu)2為電解棒，透過樣品的水分子被載氣從c口帶進(jìn)電解室，在電解室內(nèi)水分子和五氧化二磷發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，最后被載氣從d口帶出去，電解傳感器對(duì)信號(hào)的響應(yīng)性極高，很靈敏，所以精度高，非常適用于高阻隔的樣品;但遇到高濕氣體時(shí)，五氧化二磷會(huì)因吸濕過多而糊化或剝離，造成損壞，故不適用于測低阻隔樣品;且電解傳感器工作時(shí)僅電解其周圍的水汽，部分會(huì)走旁路，結(jié)果要通過標(biāo)定才能確定，因此是相對(duì)傳感器;整個(gè)過程是可逆的電化學(xué)反應(yīng)過程，可逆反應(yīng)具有飽和性，這也導(dǎo)致電解傳感器法不能用于低阻隔的樣品的水蒸氣透過率的測定;電解傳感器法的電解室會(huì)在高濕度下產(chǎn)生電解液流失，造成電解性能衰減，傳感器會(huì)不斷損耗，所以使用壽命較短。

3 如何鑒別電解法紅外法水蒸氣透過率測定儀

根據(jù)上述的分析，對(duì)于如何鑒別電解傳感器法水蒸氣透過率測定儀和紅外檢測器法水蒸氣透過率測定儀，目前可行和有效的辦法有：對(duì)傳感器充入高濕的氣體，充入高濕氣體的電解傳感器如果不及時(shí)進(jìn)行烘干會(huì)發(fā)生不可逆性的損壞，而充入高濕氣體的紅外檢測器沒有任何損傷，只是迅速達(dá)到測試的滿量程，所以可以以此來鑒別是電解法還是紅外法。

4 如何選擇水蒸氣透過率測定方法和選擇水蒸氣透過率測定設(shè)備種類

綜上所述，紅外法在測定水蒸氣透過率中，首先檢測范圍寬，在0到100%相對(duì)濕度下都能測試，故紅外檢測器法可以滿足多種樣品的測試，從低阻隔到中阻隔再到高阻隔的材料都可以測試，適用于多種行業(yè)。而電解傳感器法因電解化學(xué)反應(yīng)的飽和性，不能滿足測試透過量很大的樣品，但電解傳感器對(duì)信號(hào)的響應(yīng)性極高，很靈敏，所以精度高，非常適用于高阻隔的樣品，是中、高阻隔樣品測試中不錯(cuò)的選擇。其次，紅外檢測器法中，發(fā)射與檢測器均封裝在石英結(jié)構(gòu)中，不易損壞，傳感器性能耐用穩(wěn)定，使用壽命長，故適用于檢測量大的實(shí)驗(yàn)室，不至于需要頻繁更換傳感器;而電解傳感器法的電解池會(huì)在高濕度下產(chǎn)生電解液流失，造成電解性能衰減，傳感器會(huì)不斷損耗，相對(duì)紅外傳感器其使用壽命較短，故不適用于檢測量大的檢測室。

參考文獻(xiàn)：

[1]YBB00092003-2015.水蒸汽透過率測定法[S].

[2]GB/T 26253-2010.塑料薄膜和薄片水蒸氣透過率的測定 紅外檢測器法[S].

[3]韓曉峰，許超，肖仁春，等.基于紅外光譜吸收法的濕度測量傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].氣象水文海洋儀器，2018，35（1）.

[4]周學(xué)成，謝新藝，蘭婉玲，等.紅外光檢測水濃度傳感器：中國，CN201621230210.0[P].2016-11-16[2017-06-20]

[5]GB/T 21529-2008.塑料薄膜和薄片水蒸氣透過率的測定 電解傳感器法[S].

[6]姜學(xué)國.五氧化二磷電解池：中國，CN201420729748.0[P].2014-11-29[2015-03-18].