CN103115858B

CN103115858B - 一种测量材料气体渗透率的测量装置和测量方法

Info

Publication number: CN103115858B
Application number: CN201310026422.1A
Authority: CN
Inventors: 李军建
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-01-24
Filing date: 2013-01-24
Publication date: 2015-03-18
Anticipated expiration: 2033-01-24
Also published as: CN103115858A

Abstract

本发明公开了一种测量材料气体渗透率的测量装置和测量方法，包括气体室、气体积累室和高真空室，气体室与气体积累室之间安装有待测材料薄膜或薄片，气体室连接有待测气体源和低真空泵，积累室通过针阀与高真空室连接，高真空室连接有质谱规和超高真空抽气系统。采用本发明的装置及方法可以把渗透通过被测材料的被测气体在气体积累室中积累到比较多的气体量后，再取样出一部分到高真空室进行质谱测量，因而可以提高渗透率测量灵敏度。积累时间越长，测量灵敏度就越高，例如对水蒸气渗透率的测量灵敏度可以达到10^-7g/m²day量级的水平。

Description

一种测量材料气体渗透率的测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及电子器件、食品、药品等物体的封装材料的气体渗透率的测量方法和测量技术。

背景技术

电子器件、食品、药品等物品需要具有低的气体渗透率的包装或封装材料，以防止在使用和存储过程中，有害气体进入器件内（如有机电致发光器件），导致器件的性能或寿命下降；或防止有害气体进入食品和药品的包装中，导致食品和药品变质；或防止食品或药品的材料蒸气逸出包装外，导致食品和药品的品质下降或失效。

要设计和制造出满足使用和存储要求的电子器件、食品和药品的封装或包装材料，就必须具备对这些封装或包装材料的气体渗透率进行测量的设备和测量方法。

测量材料的气体渗透率的方法有很多种，其中一种是利用质谱测量技术来测量材料的气体渗透率，这种方法具有可以测量各种气体、测量速度快、测量灵敏度高的特点。

目前已公开的有关质谱法测量气体渗透率的专利的例子，见美国专利US 4944180 A和中国专利ZL 200810045129.9。这类专利的特点，是渗透通过被测材料的气体进入一个连接有高真空泵和质谱规的高真空室中，该高真空室中的渗透气体被高真空泵连续抽走，在高真空室中建立起一个高真空范围的渗透气体压强P，由质谱仪测量出P，根据真空系统在高真空室处对渗透气体的有效抽速S，计算出渗透气体通过被测材料的流量:

Q = P×S

再由被测材料的气体渗透面积，计算出渗透气体对被测材料的渗透率。

这种测量方法的缺点是，渗透通过被测材料的气体连续被高真空泵抽走，如果被测气体对被测材料的渗透率很小的话，在高真空室中建立的被测气体分压强就非常小，以至于可能低于质谱仪的最小可检分压强值，无法测量出被测气体在高真空室中的分压强，也就无法测量出被测气体对于被测材料的渗透率，限制了气体渗透率测量灵敏度的提高。

发明内容

本发明所要解决的问题是：如何提供一种测量装置及测量方法，克服现有质谱法测量材料气体渗透率技术中的缺点，提高测量的灵敏度。

本发明的技术方案为：一种测量材料气体渗透率的测量装置，其特征在于：包括气体室、气体积累室和高真空室，气体室与气体积累室之间安装有待测材料薄膜或薄片，气体室连接有待测气体源和低真空泵，积累室通过针阀与高真空室连接，高真空室连接有质谱规和超高真空抽气系统。

进一步地，所述气体室与气体积累室之间设置有用于密封气体积累室与待测材料的密封圈。

进一步地，所述气体室与气体积累室之间设置有用于支撑待测材料薄膜的支撑网。

进一步地，所述气体积累室与高真空室之间还设置有旁抽回路，旁抽回路上设置有旁抽阀。

进一步地，所述低真空泵与气体室之间设置有气体室抽气阀，所述低真空泵为旋片式机械泵或罗茨泵。

进一步地，所述气体室上还连接有气体压强计。

进一步地，所述超高真空抽气系统与高真空室之间通过流导已知的抽速限制管道连接，所述超高真空抽气系统的主真空泵为涡轮分子泵、溅射离子泵或低温冷凝泵中的一种。

进一步地，所述质谱规为四极质谱规、磁偏转质谱规或回旋质谱规中的一种。

进一步地，所述气体室、气体积累室和高真空室外壳上均设置有加热装置。

进一步地，所述加热装置为缠绕在气体室、气体积累室和高真空室外壳上的电加热带。

本发明还公开了一种测量材料气体渗透率的测量方法，其特征在于：气体室中的被测气体渗透通过待测材料薄膜，进入已被抽至超高真空且封闭的气体积累室，并在其中积累；经过一段时间的积累，待气体积累室中的渗透气体压强增加到低真空或粗真空量级后，将气体积累室中的气体以一定的漏率漏入安装有质谱规的高真空室，由质谱仪测量出渗透气体在高真空室中建立的分压强，在针阀开启漏率已知的条件下，计算出气体积累室中渗透气体的压强，进而计算出被测气体对被测材料薄膜的渗透率。

具体步骤为：

步骤（1）：把待测量的阻隔材料薄膜密封在气体室与气体积累室之间，针阀关闭。

步骤（2）：开启超高真空抽气系统和低真空泵，开启旁抽阀和气体室抽气阀，对高真空室和气体积累抽高真空，对气体室抽低真空。

步骤（3）：加热带通电，使高真空室和气体积累室加热进行除气，保温一定时间后停止加热，把高真空室和气体积累室抽至超高真空；把气体室加热到室温至100℃之间的一个确定温度（例如80℃），并保持之。

步骤（4）：把待测气体充入被测气体贮气瓶中。

步骤（5）：开启质谱规及其质谱仪，测量高真空室的各种本底气体的分压强。

步骤（6）：关闭旁抽阀，开启针阀至流导为10^-7—10^-5 L/s范围内的一个确定的流导值，使气体积累室中放气造成的本底气体的很小一部分漏入高真空室中。

步骤（7）：开启质谱规及其质谱仪，测量高真空室中的气体分压强。测量完成后关闭针阀。

步骤（8）：将步骤（7）中测得的气体分压强值，减去步骤（5）测得的气体分压强值，得到气体积累室放气形成的本底气体通过针阀进入高真空室后，在高真空室中建立的气体分压强值。

步骤（9）：根据步骤（8）得到的气体分压强值，由已知的针阀开启流导值，以及由抽速限制管道决定的超高真空系统在高真空室处对于各种气体的有效抽速，计算出由于气体积累室内由于放气产生的各种气体的分压强值。

步骤（10）：在一定时期内（例如10天），每隔一段时间（例如12小时），重复进行步骤（5）至步骤（8），获得在所述一定时期内气体积累室内放气形成的本底气体分压强随时间的变化曲线。

步骤（11）：开启旁抽阀对气体积累室抽真空，并对高真空室和气体积累室加热除气，保温一定时间后停止加热，把高真空室和气体积累室再度抽至超高真空。

步骤（12）：关闭旁抽阀，开启气体室充气阀，把被测气体贮气瓶中的被测气体充入气体室，充气压强为0.1—2大气压范围内的一个确定值（例如1大气压），然后关闭气体室充气阀。此时被测气体开始渗透被测材料薄膜进入气体积累室,并在气体积累室中积累。

步骤（13）：开启质谱规及其质谱仪，测量高真空室中的本底气体分压强。

步骤（14）：开启针阀至与步骤中相同的针阀开启流导值，使气体积累室中积累的渗透气体以及本底气体的很小一部分漏入高真空室中。

步骤（15）开启质谱规及其质谱仪，测量在高真空室中建立的各种气体的分压强。测量完成后关闭针阀。

步骤（16）：将步骤（15）中测得的各种气体分压强值，减去步骤（13）测得的高真空室中的本底气体分压强值，得到气体积累室中的气体通过针阀进入高真空室后，在高真空室中建立的各种气体的分压强值。

步骤（17）：根据步骤（16）测得的气体分压强值，由已知的针阀开启流导值，以及由抽速限制管道决定的超高真空系统在高真空室处对于各种气体的有效抽速，计算出气体积累室中积累的各种气体的分压强值。

步骤（18）：在步骤（10）所述的相同时期长度内，每隔一段时间（例如12小时），重复进行步骤（13）至步骤（17），获得在步骤（10）所述的相同时期的时间长度内气体积累室中由于被测气体渗透阻隔材料薄膜，以及气体积累室放气形成的各种气体分压强随时间的增长曲线。

步骤（19）：把在步骤（15）中获得的所述一定时期内气体积累室中各种气体分压强值随时间的增长值，减去在步骤（10）中获得的在相同时期长度内气体积累室中由于放气造成的各种本底气体分压强随时间的增长值，就获得了在步骤（10）所述的相同时期的时间长度内气体积累室中由于被测气体渗透通过被测材料薄膜，而在气体积累室中积累形成的渗透气体的分压强随时间的变化曲线。

步骤（20）：根据步骤（19）获得的气体积累室中渗透气体分压强随时间的增长值，再由气体积累室的体积、阻隔材料薄膜的气体渗透面积，以及步骤（10）所述的一定时期的时间长度，计算出在步骤（3）所述的气体室的加热温度下，被测气体对于阻隔材料薄膜的渗透率。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

采用本发明的装置及方法可以把渗透通过被测材料的被测气体在气体积累室中积累到比较多的气体量后，再取样出一部分到高真空室进行质谱测量，因而可以提高渗透率测量灵敏度。积累时间越长，测量灵敏度就越高，例如对水蒸气渗透率的测量灵敏度可以达到10^-7g/m²day量级的水平。

附图说明

图1是本发明的装置的结构示意图；

图中附图标记为，1气体室，2气体压强计，3气体室充气阀门，4待测气体源，5气体室抽气阀，6低真空泵，7气体室密封法兰，8待测材料薄膜， 9待测材料薄膜的支撑网，10气体积累室，11气体积累室密封法兰，12密封圈，13紧固螺栓，14针阀，15旁抽阀，16高真空室，17质谱规，18抽速限制管道，19高真空泵。

具体实施方式

按照图1构建测量装置，将待测材料薄膜置于气体室和气体积累室之间，待测材料薄膜与气体积累室法兰之间设置有真空橡胶密封圈。气体室密封法兰与气体积累室密封法兰之间通过紧固螺栓连接并压紧，实现待测材料薄膜与气体积累室法兰之间的高真空密封，以及待测材料薄膜与气体室法兰之间的低真空密封。气体积累室与待测材料薄膜之间设置有支撑所述待测材料薄膜支撑网。气体积累室与高真空室之间并行设置有针阀和旁抽阀。高真空室设置有质谱规。所述质谱规可以是四极质谱规、磁偏转质谱规、回旋质谱规之一种。高真空室通过一个抽速限制管道与超高真空抽气系统连接。所述超高真空系统中使用的高真空泵，是涡轮分子泵、溅射离子泵、低温冷凝泵之一种。气体室通过气体室抽气阀与低真空泵连接。所述的低真空泵，是旋片式机械泵或罗茨泵之一种。气体室通过气体室充气阀与被测气体贮气瓶连接。气体室设置有气体压强计。所述气体压强计是波登管压强计、U型真空计之一种。高真空室、气体积累室和气体室的外壳上分别缠绕上电加热带。

下面以测量氧气对于PET塑料薄膜的渗透率为例来详细说明测量方法：

步骤（1）：把PET塑料薄膜密封在气体室与气体积累室之间，待测材料薄膜与气体积累室法兰之间设置有真空橡胶密封圈，气体室法兰与气体积累室法兰之间通过紧固螺栓连接并压紧，实现待测材料薄膜与气体积累室法兰之间的高真空密封，以及待测材料薄膜与气体室法兰之间的低真空密封。针阀关闭。

步骤（2）：开启超高真空抽气系统和低真空泵，开启旁抽阀和气体室抽气阀，对高真空室和气体积累室抽高真空，对气体室抽低真空。

步骤（3）：加热带通电，使高真空室和气体积累室加热到200℃进行除气，保温2小时后停止加热，把高真空室和气体积累室抽至超高真空；把气体室加热到室温至100℃之间的一个确定温度（例如80℃），并保持之。

步骤（4）：把充有纯度高于99%的氧气的氧气瓶作为被测气体贮气瓶。

步骤（6）：关闭旁抽阀，开启针阀至流导为10^-7—10^-5L/s范围内的一个确定的流导值，使气体积累室中放气造成的本底气体的很小一部分漏入高真空室中。

步骤（10）：在一定时期内（例如10天），每隔一段时间（例如12小时），重复进行步骤（5）至步骤（9），获得在所述一定时期内气体积累室内放气形成的本底气体分压强随时间的变化曲线。

步骤（11）：开启旁抽阀对气体积累室抽真空，并对高真空室和气体积累室加热到200℃进行除气，保温2小时候停止加热，把高真空室和气体积累室再度抽至超高真空。

步骤（12）：关闭旁抽阀，开启气体室充气阀，把氧气瓶中的氧气充入气体室，充气压强为0.1—2大气压范围内的一个确定值（例如1大气压），然后关闭气体室充气阀。此时氧气开始渗透PET塑料薄膜进入气体积累室,并在气体积累室中积累。

步骤（14）：开启针阀至与步骤（6）中相同的针阀开启流导值，使气体积累室中积累的氧气以及本底气体的很小一部分漏入高真空室中。

步骤（18）：在步骤（10）所述的相同时期的时间长度内，每隔一段时间（例如12小时），重复进行步骤（13）至步骤（17），获得在步骤（10）所述相同时期的时间长度内气体积累室中由于氧气渗透PET塑料薄膜，以及气体积累室放气形成的各种气体的分压强随时间的增长曲线。

步骤（19）：把在步骤（18）中获得的所述一定时期内气体积累室中各种气体分压强值随时间的增长值，减去在步骤（10）中所述相同时期时间长度内气体积累室中由于放气造成的各种本底气体分压强随时间的增长值，就获得了在步骤（10）所述的相同时期的时间长度内，由于氧气渗透通过PET塑料薄膜而在气体积累室中积累形成的氧气压强随时间的变化曲线。

步骤（20）：根据步骤（19）获得的气体积累室中氧气压强随时间的增长值、气体积累室的体积、PET塑料薄膜的气体渗透面积，以及步骤（10）所述的一定时期的时间长度，计算出在步骤（3）所述的气体室及被测材料的加热温度下氧气对于PET塑料薄膜的渗透率。

Claims

1.一种基于测量材料气体渗透率的测量装置的测量方法，其特征在于：包括气体室、气体积累室和高真空室，气体室与气体积累室之间安装有待测材料薄膜或薄片，气体室连接有待测气体源和低真空泵，积累室通过针阀与高真空室连接，高真空室连接有质谱规和超高真空抽气系统，所述气体室与气体积累室之间设置有用于密封气体积累室与待测材料的密封圈，所述气体室与气体积累室之间设置有用于支撑待测材料薄膜的支撑网，所述气体积累室与高真空室之间还设置有旁抽回路，旁抽回路上设置有旁抽阀，所述低真空泵与气体室之间设置有气体室抽气阀，所述低真空泵为旋片式机械泵或罗茨泵，所述气体室上还连接有气体压强计，所述超高真空抽气系统与高真空室之间通过流导已知的抽速限制管道连接，所述超高真空抽气系统的主真空泵为涡轮分子泵、溅射离子泵或低温冷凝泵中的一种，所述质谱规为四极质谱规、磁偏转质谱规或回旋质谱规中的一种，所述气体室、气体积累室和高真空室外壳上均设置有加热装置；所述加热装置为缠绕在气体室、气体积累室和高真空室外壳上的电加热带；

具体步骤为：

步骤（1）：把待测量的阻隔材料薄膜密封在气体室与气体积累室之间，针阀关闭；

步骤（2）：开启超高真空抽气系统和低真空泵，开启旁抽阀和气体室抽气阀，对高真空室和气体积累抽高真空，对气体室抽低真空；

步骤（3）：加热带通电，使高真空室和气体积累室加热进行除气，保温一定时间后停止加热，把高真空室和气体积累室抽至超高真空；把气体室加热到室温至100℃之间的一个确定的温度，温度值取决于测量时被测材料所需要的温度，并保持之；

步骤（4）：把待测气体充入被测气体贮气瓶中；

步骤（5）：开启质谱规及其质谱仪，测量高真空室的各种本底气体的分压强；

步骤（6）：关闭旁抽阀，开启针阀至流导为10^-7—10^-5 L/s范围内的一个确定的流导值，使气体积累室中放气造成的本底气体的很小一部分漏入高真空室中；

步骤（7）：开启质谱规及其质谱仪，测量高真空室中的气体分压强；测量完成后关闭针阀；

步骤（8）：将步骤（7）中测得的气体分压强值，减去步骤（5）测得的气体分压强值，得到气体积累室放气形成的本底气体通过针阀进入高真空室后，在高真空室中建立的气体分压强值；

步骤（9）：根据步骤（8）得到的气体分压强值，由已知的针阀开启流导值，以及由抽速限制管道决定的超高真空系统在高真空室处对于各种气体的有效抽速，计算出由于气体积累室内由于放气产生的各种气体的分压强值；

步骤（10）：在一定时期内，每隔一段时间，重复进行步骤（5）至步骤（8），获得在所述一定时期内气体积累室内放气形成的本底气体分压强随时间的变化曲线；

步骤（11）：开启旁抽阀对气体积累室抽真空，并对高真空室和气体积累室加热进行除气，保温一定时间后停止加热，把高真空室和气体积累室再度抽至超高真空；

步骤（12）：关闭旁抽阀，开启气体室充气阀，把被测气体贮气瓶中的被测气体充入气体室，充气压强为0.1—2大气压范围内的一个确定值，然后关闭气体室充气阀；此时被测气体开始渗透被测材料薄膜进入气体积累室,并在气体积累室中积累；

步骤（13）：开启质谱规及其质谱仪，测量高真空室中的本底气体分压强；

步骤（14）：开启针阀至与步骤中相同的针阀开启流导值，使气体积累室中积累的渗透气体以及本底气体的很小一部分漏入高真空室中；

步骤（15）开启质谱规及其质谱仪，测量在高真空室中建立的各种气体的分压强；测量完成后关闭针阀；

步骤（16）：将步骤（15）中测得的各种气体分压强值，减去步骤（13）测得的高真空室中的本底气体分压强值，得到气体积累室中的气体通过针阀进入高真空室后，在高真空室中建立的各种气体的分压强值；

步骤（17）：根据步骤（16）测得的气体分压强值，由已知的针阀开启流导值，以及由抽速限制管道决定的超高真空系统在高真空室处对于各种气体的有效抽速，计算出气体积累室中积累的各种气体的分压强值；

步骤（18）：在步骤（10）所述的相同时期长度内，每隔一段时间，重复进行步骤（13）至步骤（17），获得在步骤（10）所述的相同时期的时间长度内气体积累室中由于被测气体渗透阻隔材料薄膜，以及气体积累室放气形成的各种气体分压强随时间的增长曲线；

步骤（19）：把在步骤（15）中获得的所述一定时期内气体积累室中各种气体分压强值随时间的增长值，减去在步骤（10）中获得的在相同时期长度内气体积累室中由于放气造成的各种本底气体分压强随时间的增长值，就获得了在步骤（10）所述的相同时期的时间长度内气体积累室中由于被测气体渗透通过被测材料薄膜，而在气体积累室中积累形成的渗透气体的分压强随时间的变化曲线；

步骤（20）：根据步骤（19）获得的气体积累室中渗透气体分压强随时间的增长值，再由气体积累室的体积、阻隔材料薄膜的气体渗透面积，以及步骤（10）所述的一定时期的时间长度，计算出在步骤（3）所述的气体室及被测材料的加热温度下，被测气体对于被测材料薄膜的渗透率。