二氧化碳透过率试验

技术概述

二氧化碳透过率试验是一种用于测定材料对二氧化碳气体阻隔性能的重要检测方法。该试验通过测量单位时间内透过单位面积材料的二氧化碳气体量，来评估材料的气体阻隔性能。在现代包装材料、医药包装、食品保鲜等领域，二氧化碳透过率是一项关键的技术指标，直接影响产品的保质期和使用效果。

二氧化碳透过率是指在一定温度和湿度条件下，单位面积材料在单位时间内透过的二氧化碳气体量，通常以cm³/(m²·24h·0.1MPa)或cm³/(m²·d·atm)表示。该指标是评价包装材料阻隔性能的重要参数之一，对于需要控制内部气体环境的包装产品具有重要意义。

从原理上讲，二氧化碳透过率试验基于气体渗透的物理机制。气体分子通过聚合物材料的过程主要包括吸附、扩散和解吸三个阶段。首先，气体分子在材料高压侧表面被吸附；然后，溶解在材料中的气体分子在浓度梯度的驱动下进行扩散；最后，气体分子从低压侧表面解吸。整个过程的速率取决于材料的分子结构、结晶度、厚度以及环境条件等因素。

与其他气体透过率测试相比，二氧化碳透过率测试具有其特殊性。由于二氧化碳分子的极性和分子直径与氧气、氮气等气体不同，其在聚合物材料中的溶解度和扩散系数也存在差异。一般而言，二氧化碳在大多数聚合物中的溶解度较高，因此其透过率往往高于氧气透过率。这一特性使得二氧化碳透过率测试在某些特定应用场景中具有不可替代的作用。

在实际应用中，二氧化碳透过率试验的重要性体现在多个方面。对于气调包装而言，二氧化碳透过率直接影响包装内部气体环境的维持；对于碳酸饮料包装，合适的二氧化碳阻隔性能是保持产品风味和气泡感的关键；对于某些特殊医药产品，二氧化碳透过率可能影响产品的稳定性和有效性。因此，准确测定材料的二氧化碳透过率具有重要的实际意义。

检测样品

二氧化碳透过率试验可检测的样品类型非常广泛，主要包括以下几大类：

• 塑料薄膜类：包括聚乙烯(PE)薄膜、聚丙烯(PP)薄膜、聚酯(PET)薄膜、聚酰胺(PA)薄膜、聚氯乙烯(PVC)薄膜、聚偏二氯乙烯(PVDC)薄膜、乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)薄膜等单层薄膜材料。
• 复合包装材料：由两层或多层不同材料复合而成的包装材料，如PET/PE复合膜、OPP/CPP复合膜、PET/AL/PE复合膜等。复合材料的二氧化碳透过率取决于各层材料的性能和厚度。
• 铝箔复合材料：含铝箔层的复合包装材料，铝箔层可显著提高材料的气体阻隔性能。根据铝箔厚度和复合结构的不同，其二氧化碳透过率存在较大差异。
• 涂层材料：表面涂覆阻隔涂层(如氧化硅涂层、氧化铝涂层、PVA涂层等)的薄膜材料，涂层可显著改善基材的气体阻隔性能。
• 生物降解材料：聚乳酸(PLA)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)等生物降解材料的薄膜样品，这类材料在环保包装领域应用日益广泛。
• 纸塑复合材料：纸张与塑料薄膜复合的材料，兼具纸张的印刷性能和塑料的阻隔性能。
• 共挤膜：采用多层共挤工艺生产的薄膜，如五层、七层共挤膜，各层材料通过挤出机共挤成型，具有特定的阻隔性能。

对于样品的制备，需要遵循一定的规范要求。首先，样品应平整、无褶皱、无针孔、无可见缺陷。样品尺寸应根据测试仪器的样品腔尺寸确定，通常需要保证足够的测试面积。对于薄膜材料，建议测试多张叠加以获得可测量的透过量。样品在测试前应在标准环境条件下进行状态调节，通常为23±2℃、50±5%相对湿度条件下调节至少48小时。

样品的代表性是检测结果准确性的重要保证。取样时应从同一批次产品的不同位置随机抽取，避免从边缘或有明显缺陷的部位取样。对于卷筒材料，应去除最外层后取样，以消除存储和运输过程中可能造成的影响。

检测项目

二氧化碳透过率试验涉及的检测项目主要包括以下内容：

• 二氧化碳透过率：这是最核心的检测项目，表示单位面积材料在单位时间内透过的二氧化碳气体量，通常以cm³/(m²·24h·0.1MPa)表示。
• 二氧化碳渗透系数：表示材料本征的阻隔性能，与材料厚度无关，通常以cm³·cm/(cm²·s·Pa)或cm³·cm/(cm²·24h·0.1MPa)表示。
• 二氧化碳透过量：对于特定厚度和面积的样品，测得的实际透过气体量。
• 温度依赖性：在不同温度条件下测定的二氧化碳透过率，用于分析温度对材料阻隔性能的影响规律。
• 湿度依赖性：在不同相对湿度条件下测定的二氧化碳透过率，用于分析湿度对材料阻隔性能的影响规律。
• 厚度测量：样品厚度的准确测量是计算渗透系数的基础，通常采用测厚仪进行多点测量取平均值。

在检测过程中，还需要记录和报告以下技术参数：

• 测试条件：包括测试温度、相对湿度、气体浓度差等环境参数。
• 样品信息：包括样品名称、规格型号、厚度、生产日期/批号等。
• 测试方法：采用的测试标准和方法名称。
• 仪器信息：测试仪器的型号、校准状态等。
• 测试结果：包括单次测量值、平均值、标准偏差等统计数据。

对于特殊应用场景，还可能需要进行扩展检测项目，如：

• 多气体透过率测试：同时测定氧气、氮气、二氧化碳等多种气体的透过率，全面评价材料的气体阻隔性能。
• 动态透过率测试：监测透过率随时间的变化规律，用于评估材料的时效稳定性。
• 温度-湿度耦合测试：在多种温湿度组合条件下进行测试，模拟实际使用环境。

检测方法

二氧化碳透过率试验的检测方法主要分为压差法和等压法两大类：

压差法

压差法是测定气体透过率的经典方法，其原理是在样品两侧建立一定的压差，通过测量低压侧压力或体积的变化来计算气体透过率。具体测试步骤如下：

• 将样品安装于测试腔体中，形成上下两个独立的腔室。
• 对整个测试系统抽真空，去除残留气体。
• 在样品上侧(高压侧)充入一定压力的二氧化碳气体。
• 下侧(低压侧)保持真空或低压状态，形成压差驱动。
• 透过样品的二氧化碳气体进入低压侧，引起低压侧压力升高。
• 通过压力传感器实时监测低压侧压力变化，计算气体透过率。

压差法的优点在于原理清晰、设备相对简单、测试精度高。该方法适用于高阻隔材料和低阻隔材料的测试，测试范围宽。但压差法要求样品能够承受测试压差，对于机械强度较低的样品可能存在破裂风险。

等压法

等压法采用传感器检测技术，在样品两侧压力相等(或接近)的条件下进行测试。常见的方法包括：

• 红外传感器法：利用红外探测器检测透过样品的二氧化碳气体浓度，根据浓度变化速率计算透过率。二氧化碳气体在特定红外波段具有特征吸收峰，红外传感器可以精确检测其浓度。
• 气相色谱法：将透过样品的气体收集后，采用气相色谱仪分析二氧化碳含量，计算透过率。该方法具有很高的检测灵敏度和选择性。

等压法的优点在于样品两侧压力相等，避免了压差法可能导致的样品变形或破裂问题。该方法特别适用于测试机械强度较低的薄膜材料和含孔隙的材料。等压法还可用于测试包装容器的二氧化碳透过率。

测试标准

二氧化碳透过率试验应按照相关标准进行，主要标准包括：

• GB/T 1038-2000《塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法 压差法》：中国国家标准，规定了采用压差法测定塑料薄膜气体透过率的方法。
• ASTM D1434《气体透过塑料薄膜和薄板的标准试验方法》：美国材料与试验协会标准，包含压差法和等压法两种方法。
• ISO 15105-1《塑料 薄膜和薄板 气体透过率的测定 第1部分：压差法》：国际标准。
• ISO 15105-2《塑料 薄膜和薄板 气体透过率的测定 第2部分：等压法》：国际标准。
• GB/T 19789-2005《包装材料 塑料薄膜和薄片氧气透过性试验 库仑计法》：虽然是氧气透过率测试标准，但其原理和设备可用于二氧化碳透过率测试。

在实际测试中，应根据样品特性、客户要求和检测目的选择合适的测试方法和标准。测试前应对仪器进行校准，确保仪器处于正常工作状态。测试过程中应严格控制环境条件，记录所有相关参数。测试完成后应对数据进行统计分析，必要时进行重复测试以确保结果可靠性。

检测仪器

二氧化碳透过率试验需要使用专业的检测仪器，主要包括以下类型：

压差法气体透过率测试仪

压差法气体透过率测试仪是测定二氧化碳透过率的常用设备，主要由以下部分组成：

• 测试腔体：用于安装样品，分为高压侧和低压侧两个独立腔室。腔体材质通常为不锈钢或铝合金，表面经过精密加工以确保密封性。
• 真空系统：包括真空泵、真空计等，用于对测试系统抽真空。
• 气体供给系统：包括气源、减压阀、流量控制器等，用于提供测试气体并控制气体压力。
• 压力测量系统：采用高精度压力传感器，实时监测低压侧压力变化。
• 温度控制系统：包括恒温箱或水浴系统，保持测试温度恒定。
• 数据采集与处理系统：计算机软件控制测试过程，采集数据并计算测试结果。

压差法仪器的测量范围通常较宽，可覆盖高阻隔到低阻隔材料的测试需求。仪器精度一般可达到±5%以内，分辨力可达0.01 cm³/(m²·24h·0.1MPa)。

红外传感器法气体透过率测试仪

红外传感器法仪器采用等压法原理，主要组成部分包括：

• 测试腔体：样品安装腔室，设计保证气体流动均匀。
• 载气系统：提供载气(通常为氮气)，携带透过样品的二氧化碳气体进入检测器。
• 红外传感器：检测二氧化碳气体浓度，利用二氧化碳在红外波段(约4.26μm)的特征吸收峰进行定量分析。
• 流量控制系统：精确控制载气流速，确保检测条件稳定。
• 温度湿度控制系统：调节测试环境条件。

红外传感器法仪器具有灵敏度高、选择性好、无需消耗化学试剂等优点，适用于测试各种阻隔性能的材料。

气相色谱法气体透过率测试仪

该方法将气体透过率测试与气相色谱分析技术相结合，具有以下特点：

• 高灵敏度：可检测极低浓度的二氧化碳气体。
• 高选择性：可有效分离和识别混合气体中的各组分。
• 多功能性：可同时测试多种气体透过率。

气相色谱法仪器的缺点是分析周期较长、设备成本较高、需要专业技术人员操作维护。

辅助设备

二氧化碳透过率试验还需要以下辅助设备：

• 测厚仪：用于测量样品厚度，精度应达到0.001mm。可采用机械式测厚仪或电子测厚仪。
• 标准环境箱：用于样品的状态调节，保持标准环境条件(温度23±2℃，相对湿度50±5%)。
• 电子天平：用于称量样品质量。
• 气体纯化设备：确保测试气体的纯度，避免杂质气体干扰测试结果。

仪器的日常维护和定期校准是保证测试结果准确性的重要措施。应按照仪器说明书要求进行日常保养，定期检查密封件、传感器等关键部件的工作状态。仪器的校准应采用标准物质或标准膜进行，校准周期通常为一年或按照相关规定执行。

应用领域

二氧化碳透过率试验在众多领域具有广泛的应用价值：

食品包装领域

食品包装是二氧化碳透过率检测应用最为广泛的领域之一。不同的食品产品对包装材料的二氧化碳阻隔性能有不同的要求：

• 气调包装：新鲜果蔬、肉类、海鲜等产品常采用气调包装技术，包装内充填特定比例的二氧化碳、氧气、氮气混合气体。合适的二氧化碳透过率可维持包装内气体环境的稳定，延长产品保鲜期。透过率过高会导致气体快速散失，失去保鲜效果；透过率过低则可能导致二氧化碳积累过量，影响产品品质。
• 碳酸饮料包装：碳酸饮料包装材料需要具备良好的二氧化碳阻隔性能，以保持饮料的气泡感和口感。瓶装水、果汁饮料等使用的PET瓶对二氧化碳阻隔性能有一定要求。二氧化碳透过率过大会导致饮料"跑气"，影响产品品质。
• 乳制品包装：奶酪、酸奶等发酵乳制品在储存过程中会产生二氧化碳，包装材料需要允许适量二氧化碳透过，避免包装膨胀变形。
• 烘焙食品包装：面包、蛋糕等烘焙食品在储存过程中可能产生二氧化碳，阻隔性过高的包装可能导致产品变质。

医药包装领域

医药产品对包装材料的阻隔性能要求严格，二氧化碳透过率是重要指标之一：

• 药品泡罩包装：片剂、胶囊的泡罩包装材料需要良好的阻隔性能，防止外界气体(包括二氧化碳)进入，保护药品稳定性。
• 输液袋包装：输液软袋材料需要测试二氧化碳透过率，确保药液在储存期内不受二氧化碳影响。
• 诊断试剂包装：某些诊断试剂对二氧化碳敏感，包装材料需要提供足够的阻隔保护。
• 生物制品包装：疫苗、血液制品等生物制品对包装环境要求严格，二氧化碳透过率是评价包装性能的重要参数。

工业包装领域

工业产品包装同样需要考虑二氧化碳阻隔性能：