CN105352855A - 涂层的气体扩散性能测定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涂层的气体扩散性能测定系统及方法，其中的气体扩散装置测定系统包括温湿度控制装置、气体样品供应装置、气体扩散装置和气体样品测定装置；所述的气体扩散装置内部设置有涂层载体和涂层载体固定装置，所述的涂层载体作为待测涂料的涂刷载体，其固定在涂层载体固定装置上，将所述的气体扩散装置隔成两个密闭的空间，所述两个密闭的空间分别为注样仓和扩散仓；所述注样仓和扩散仓中均设置有气体循环装置、温湿度监控装置和气体样品采集口；所述的气体样品采集口与所述的气体样品测定装置相连通，用于测定所述注样仓和扩散仓内气体样品的浓度。本发明的测定系统结构简单，操作方便。

Description

涂层的气体扩散性能测定系统及方法

技术领域

本发明涉及涂料领域，具体涉及一种涂层的气体扩散性能测定系统及方法。

背景技术

涂料是一种有机化工高分子材料，为了防护、绝缘、装饰等目的，常将涂料用不同的施工工艺涂覆于金属，织物，塑料等基体上，形成粘附牢固、具有一定强度、连续的固态薄膜，即涂层，又称涂膜或漆膜。

随着社会发展和人们生活水平的日益提高，人们对室内装修装饰越来越重视，所使用的建筑和装修装饰材料也越来越新颖，而这些新颖的装修建筑材料中经常含有多种有害成分，装修后逐渐地从材料中释放出来，给室内空气造成严重的污染。为了有效地避免污染物对人们健康的伤害，需要加速建筑装修材料中污染物的扩散，缩短污染物的释放时间。建筑装修材料的表面通常涂覆着用于绝热、防水隔潮以及装饰装修等目的的涂层，建筑装修材料中的污染物必须先通过这些涂层，才能扩散到空气中逐渐消散，因此气体污染物通过这些涂层的扩散性能直接影响着污染物的净化效率。建筑涂料涂层的气体扩散性可用气体污染物通过建筑涂料涂层的扩散系数表示，涂层的扩散系数是指在恒定温度和单位压力差下，单位时间内通过涂层单位厚度、单位面积的气体量。

现有技术中没有对涂层的气体扩散性能的测定，比较相似的为有关于建筑材料水蒸气透过性能的测定方法，是将试样封装在带有干燥剂或者盛蒸馏水的试验盘的开口上，装配后放入一受控的环境气氛中，定时称重以测定水蒸气通过试样进入干燥剂或水通过试样蒸发到环境气氛中的速度，该方法中试验盘与环境气氛相通，水蒸气可自由进出，仅适用于小试样的水蒸气透过性能，而涂层的气体扩散主要是针对有机、无机气体污染物分子的扩散，上述的根据重量改变来测定的测试装置和测试方法都不能满足污染气体的扩散测定需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种涂层的气体扩散性能测定装置，能检测建筑涂层对各种有机、无机气体污染物分子的扩散性能，简单易操作。

本发明实施例提供一种涂层的气体扩散性能测定系统，包括温湿度控制装置、气体样品供应装置、气体扩散装置和气体样品测定装置；

所述的温湿度控制装置用于控制所述测定系统的温湿度；

所述的气体扩散装置内部设置有涂层载体和涂层载体固定装置，所述的涂层载体作为待测涂料的涂刷载体，其固定在涂层载体固定装置上，将所述的气体扩散装置隔成两个密闭的空间，所述两个密闭的空间分别为注样仓和扩散仓；

所述注样仓和扩散仓中均设置有气体循环装置、温湿度监控装置和气体样品采集口；所述的气体样品采集口与所述的气体样品测定装置相连通，用于测定所述注样仓和扩散仓内气体样品的浓度；

所述的气体样品供应装置用于为注样仓提供气体样品。

进一步的，所述温湿度控制装置为密闭气候箱。

进一步的，所述的气体样品供应装置为敞口容器，其位于所述的注样仓底部，用于盛放挥发性液体。

进一步的，所述的气体样品供应装置为储气罐，所述的注样仓顶部设置有注样口，所述注样口与所述的储气罐相连通。

进一步的，所述气体样品测定装置为在线气体检测仪。

进一步的，所述的气体扩散装置为密闭长方体，所述的涂层载体为带孔平板，所述的气体扩散装置、涂层载体和涂层载体固定装置均为惰性材质。

进一步的，所述的惰性材质为金属材质或玻璃材质。

进一步的、根据权利要求1所述的涂层的气体扩散性能测定系统，其特征在于，所述的气体样品采集口位于所述的注样仓和扩散仓的侧面中部。

另一方面，本发明实施例还提供了一种涂层的气体扩散性能测定方法，包括如下步骤：

(1)将涂层材料涂覆于所述的涂层载体表面，干燥得到待测涂层；将涂覆有所述待测涂层的涂层载体固定在所述的涂层载体固定装置上，其涂覆有所述的涂层材料的一面朝向所述的注样仓；

(2)设定所述的温湿度控制装置并开启；通过所述的温湿度监控装置监测所述的注样仓和扩散仓内的温度和湿度，

(3)待所述的温度和湿度达到设定值，开启所述的气体样品供应装置，向所述的注样仓中注入气体样品至所述的气体样品，开启所述的循环装置，用所述的气体样品测定装置测定所述的注样仓和扩散仓内气体样品的浓度，通过所述的注样仓和扩散仓内气体样品浓度随时间的变化来确定所述的涂层的气体扩散性能；

所述的气体扩散系数由公式(1)计算得出：

$D_m=D_0\exp \left(-\frac{E_d}{RT}\right){\left(\frac{{\mathrm{\ΔC}}_m}{{\mathrm{\ΔC}}_{m,0}}\right)}^3---\left(1\right)$

公式(1)中，D_m为扩散系数，D₀为初始扩散系数，其值为1.6×10^-5m²/s，T为温度，E_d＝30.5kJ/mol，R为通用气体常数，R＝8.314J·mol^-1·K^-1，△C_m,0为注样仓与扩散仓的初始浓度差，△C_m为注样仓和扩散仓的浓度差。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

本发明提供的涂层的气体扩散性能测试系统和方法，简单易操作，测试过程可随时监控，测试结果的处理与分析简便。

标准方法采用的是单仓实验，而本发明申请采用的双仓设计可以避免外界环境的干扰，通过注样仓和扩散仓的气体样品浓度变化来分析涂层的气体扩散性能。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的一种涂层的气体扩散性能测定系统的结构示意图；

图2为本发明第一实施例提供的一种气体扩散系数拟合曲线图；

图3为本发明第二实施例提供的一种涂层的气体扩散性能测定系统的结构示意图；

图4为本发明第二实施例提供的一种气体扩散浓度变化曲线图；

图5为本发明第二实施例提供的一种气体扩散系数拟合曲线图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

本发明的原理为采用涂层将一个密闭空间分成两个仓，一个用来注入气体样品，气体样品透过涂层进入另一个仓，通过气体样品测定装置测定两个仓的气体样品的浓度变化，通过两个仓的气体样品的浓度随时间的变化来确定待测涂层的气体扩散性能，整个测定过程在温湿度可控的环境中进行可以模拟建筑物中真实的扩散环境，通过气体循环装置使气体样品在仓内分布均匀，使得采集测定的数据更具有代表性，也更准确。

在这里需要说明：气体样品的来源可以为气体、也可以为液体，气体来源不同，采用的供应装置也就不同：采用气体为来源可以通过储气装置与注样口相连通，将气体样品注入到注样仓中；采用气体来源为液体时，可以在注样仓内设置液体盛放装置，通过注样口将液体注入该盛放装置中，密封测定装置，使液体样品自由挥发。

实施例1

本实施例提供一种涂层的气体扩散性能测定系统，图1为其内部结构示意图，如图1所示，涂层的气体扩散性能测定系统包括人工气候箱1、注样仓2、扩散仓3,、涂层载体4,、涂层载体固定装置9、气体样品储藏罐6；注样仓2和扩散仓3中部分别通过管道701和702与在线气体检测仪相连通(图中未示出)，中部采集样品更具有代表性；注样仓2中安装有气体循环装置801和温湿度探头501，扩散仓3中设置有气体循环装置802和温湿度探头502；

注样仓2和扩散仓3为密闭的空间，是由涂层载体4将一个密闭试验箱分隔得到，密闭试验箱由不锈钢材质组成；涂层载体4为带孔玻璃材质；

这里需要说明的是：试验箱的外壁及涂层载体4所选用的不锈钢和玻璃材质均为惰性材质，对气体样品的吸附很少，避免了吸附对测试结果的影响，其材质还可以选用铁、铝等对气体吸附小的材质；涂层载体4上带孔可以使气体样品顺利到达涂层上，有利于扩散测定的进行；

温湿度探头501和502分别对注样仓2和扩散仓3内的温湿度进行实时监控，方便及时调整气候箱的设置，使试验箱内的温湿度保持在测定要求的温湿度；

循环装置801和802通过促进注样仓2和扩散仓3内的气体流动来使注样仓2和扩散仓3内的气体样品分布均匀，使测定结果更加可靠；

如图1所示，涂层载体固定装置9采用可以沿水平方向自由滑动的钢板，待将带有涂层的涂层载体放置到相应位置后，用钢板将其夹紧固定；

这里需要说明的是：这里的涂层载体固定装置9只要将涂层载体4，其还可以采用螺栓固定等固定方式。

采用上述测定系统和甲醛气体对腻子的气体扩散性能进行测定：

称取100g涂料样品用水搅拌均匀后分两遍均匀涂刷于涂层载体4表面，然后自然干燥7天后，将其用涂层载体固定装置9固定于扩散实验箱中间部位，涂层样品朝向的一侧为注样仓2，另一侧为扩散仓3。同时将温湿度探头501和502、循环装置801和802都固定在规定位置，检查扩散实验箱的整体密封性，尤其是注样口和采样部位的密闭性，封闭各口及部件。

开启温湿度控制装置1，设定温度为25℃，湿度为50％为整个测定系统的测定环境。

在系统布置完毕，实验条件设定好后。待整个环境空间的温湿度条件达到温湿度控制装置设置的条件时，通过注样口注入甲醛气体(注样仓浓度达到1.685g/m³)，同时封闭注样口。此时记为实验开始零时。随后，根据不同实验需要，定时采集仓内气体浓度，时间t为从实验开始到采样时的时间间隔，此时仓内的浓度为c_t。c_t又分别有注样仓2和扩散仓3。

同时，利用公式(1)计算得出样品的扩散系数并进行拟合，进而得出涂层材料的扩散性能的量化指标。

$D_m=D_0\exp \left(-\frac{E_d}{RT}\right){\left(\frac{{\mathrm{\ΔC}}_m}{{\mathrm{\ΔC}}_{m,0}}\right)}^3---\left(1\right)$

公式(1)中，D_m为扩散系数，D₀为初始扩散系数，其值为1.6×10^-5m²/s，T为温度，E_d＝30.5kJ/mol，R为通用气体常数，R＝8.314J·mol^-1·K^-1，△C_m,0为注样仓与扩散仓的初始浓度差，△C_m为注样仓和扩散仓的浓度差。测定的数值如表1所示：

表1弹性涂料气体扩散性能数据表

时间	温度	注样	扩散	浓度差	EXP
						0	24	0.043	0.043
1	23.4	1.685	0.117	1.568	4.21E-06
						2	23.7	1.474	0.129	1.345	4.27E-06
3	23.8	1.062	0.139	0.923	4.29E-06
						5	23.8	1.009	0.169	0.840	4.29E-06
7	23.8	0.678	0.158	0.520	4.29E-06
						9	24.1	0.655	0.179	0.476	4.34E-06
11	24.2	0.488	0.127	0.361	4.36E-06
						13	24	0.412	0.132	0.280	4.32E-06
24	24	0.215	0.154	0.061	4.32E-06

采用公式(1)计算出不同时间的弹性漆的甲醛气体扩散系数，然后进行拟合得到弹性漆的气体扩散系数，其拟合曲线如图2所示，拟合得到公式(2)：

D＝0.1782*10^-10(Δc)³(2)

上述拟合得到涂料的气体扩散系数与浓度差的三次方的线性关系，从而将涂层的气体扩散性能进行量化处理。

实施例2

图3为本实施例图层的气体扩散性能测定装置内部结构示意图，本实施例的涂层的气体扩散性能测定装置与实施例1的不同之处在于，如图1所示实施例1中的气体样品供应装置为储气罐6，如图3所示，本实施例中的气体供应装置为盛放液体样品的平皿10，通过注样口将液体样品注入到平皿10中，然后密封注样口，通过液体的挥发提供气体样品。

这里需要说明的是：本实施例中的温湿度控制装置1的温度控制装置和湿度控制装置还可以为分体结构，也可以将其设置在所述的注样仓2及扩散仓3内部，只需控制密闭空间内的温湿度即可达到控制测定系统的目的。

采用本实施例的测定系统对水泥腻子的气体扩散性能进行测定，步骤及结果如下：

称取250g粉末涂料样品用水搅拌均匀后，分两遍均匀涂刷于涂层载体4表面，然后放置于室温条件下干燥，干燥七天后，将制备的涂层样品用涂层载体固定装置9固定到扩散实验箱中间部位，带有涂层的一面朝向注样仓2，放置平皿10于实验箱底部中心位置，封闭各口及部件，检查扩散实验箱的整体密封性。开启温湿度控制装置，设定实温度为25℃，相对湿度为50％。待实验箱的温湿度条件达到设定的值时，通过注样口注入甲醛溶液，同时封闭注样口，开启循环装置801和802，开始时间记为0，随后每隔一段时间通过采样部位分别采集一次注样仓和扩散仓气体，测定周期为24h。

统计不同时间的注样仓2和扩散仓3内甲醛浓度，绘制浓度变化曲线，图4为浓度变化曲线图，从图4可以清晰得出，被测涂料样品扩散的过程大致可以分为三个阶段：挥发阶段、扩散及降解阶段、稳定阶段；1h时，注样仓内甲醛完全挥发，浓度达到最大，记做扩散起点，由于注样仓和扩散仓被涂层样品隔开，所以甲醛并没有以分子热运动的速度迅速扩散到整个实验箱，而是先充满注样仓后，再经过涂层慢慢扩散到扩散仓中，故注样仓的甲醛浓度在实验开始后，一直比扩散仓高出很多；但是随着实验的进一步进行，甲醛在浓度梯度下通过涂层扩散的越来越多，扩散仓的甲醛浓度逐步上升，最终在11h时，扩散仓浓度与注样仓浓度一致，两条曲线重合；11h后，甲醛浓度变化缓慢，进入稳定阶段。

利用公式(1)计算粉末涂料样品的甲醛扩散系数，以浓度差为横坐标，甲醛扩散系数为纵坐标绘制扩散系数曲线，扩散系数曲线如图5所示，通过曲线拟合，得出粉末涂料样品的扩散系数公式(2)。从式(2)可以得出，测试涂料样品的扩散系数与甲醛的浓度差的三次方成线性关系。当甲醛浓度差一定时，甲醛通过不同涂层的扩散系数越大，说明该涂层越有利于甲醛的扩散。

$D_m=D_0\exp \left(-\frac{E_d}{RT}\right){\left(\frac{{\mathrm{\ΔC}}_m}{{\mathrm{\ΔC}}_{m,0}}\right)}^3---\left(1\right)$

公式(1)中，D_m为扩散系数，D₀为初始扩散系数，其值为1.6×10^-5m²/s，T为温度，E_d＝30.5kJ/mol，R为通用气体常数，R＝8.314J·mol^-1·K^-1，△C_m,0为注样仓与扩散仓的初始浓度差，△C_m为注样仓和扩散仓的浓度差。

将得到的数据进行拟合，得到水泥腻子的扩散系数：

D＝0.3756(Δc)³(2)

本实施例测定的数据如表1所示：

表2水泥腻子扩散性能数据表

通过本实施例可以清楚的看出，本发明提供的涂层的气体扩散性能测定系统和方法，简单易操作，测试过程可随时监控，可以根据测定需要，设计采集点，绘制测试过程曲线，测试结果的处理与分析简便。通过结合具体测试过程数据，依据公式计算涂层的扩散系数，进而可以绘制扩散系数曲线，拟合得到涂层的扩散系数公式，进一步分析材料的成分与结构性能。本方案将涂层的气体扩散性能进行了量化，本发明的测定系统的科学性和实用性，测定方法实用可行。

本发明申请中未尽之处，本领域技术人员可以根据现有知识，采用常用的技术来实现，比如其气体的采集可以直接连接到计算机上，采用相应的软件进行数据处理，或者将采集口设置在侧壁中部以外的其他部位，其可以选用甲醛以外的其他气体来进行扩散性测定等等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种涂层的气体扩散性能测定系统，其特征在于，包括温湿度控制装置、气体样品供应装置、气体扩散装置和气体样品测定装置；

所述的温湿度控制装置用于控制所述测定系统的温湿度；

所述的气体扩散装置内部设置有涂层载体和涂层载体固定装置，所述的涂层载体作为待测涂料的涂刷载体，其固定在涂层载体固定装置上，将所述的气体扩散装置隔成两个密闭的空间，所述两个密闭的空间分别为注样仓和扩散仓；

所述注样仓和扩散仓中均设置有气体循环装置、温湿度监控装置和气体样品采集口；所述的气体样品采集口与所述的气体样品测定装置相连通，用于测定所述注样仓和扩散仓内气体样品的浓度；

所述的气体样品供应装置用于为注样仓提供气体样品。

2.根据权利要求1所述的涂层的气体扩散性能测定系统，其特征在于，所述温湿度控制装置为密闭气候箱。

3.根据权利要求1所述的涂层的气体扩散性能测定系统，其特征在于，所述的气体样品供应装置为敞口容器，其位于所述的注样仓底部，用于盛放挥发性液体。

4.根据权利要求1所述的涂层的气体扩散性能测定系统，其特征在于，所述的气体样品供应装置为储气罐，所述的注样仓顶部设置有注样口，所述注样口与所述的储气罐相连通。

5.根据权利要求1所述的涂层的气体扩散性能测定系统，其特征在于，所述气体样品测定装置为在线气体检测仪。

6.根据权利要求1所述的涂层的气体扩散性能测定系统，其特征在于，所述的气体扩散装置为密闭长方体，所述的涂层载体为带孔平板，所述的气体扩散装置、涂层载体和涂层载体固定装置均为惰性材质。

7.根据权利要求6所述的涂层的气体扩散性能测定系统，其特征在于，所述的惰性材质为金属材质或玻璃材质。

8.根据权利要求1所述的涂层的气体扩散性能测定系统，其特征在于，所述的气体样品采集口位于所述的注样仓和扩散仓的侧面中部。

9.一种涂层的气体扩散性能测定方法，其特征在于，利用权利要求1所述的涂层的气体扩散性能测定系统完成，包括如下步骤：

(1)将涂层材料涂覆于所述的涂层载体表面，干燥得到待测涂层；将涂覆有所述待测涂层的涂层载体固定在所述的涂层载体固定装置上，其涂覆有所述的涂层材料的一面朝向所述的注样仓；

(2)设定所述的温湿度控制装置并开启；通过所述的温湿度监控装置监测所述的注样仓和扩散仓内的温度和湿度，

(3)待所述的温度和湿度达到设定值，开启所述的气体样品供应装置，向所述的注样仓中注入气体样品至所述的气体样品，开启所述的循环装置，用所述的气体样品测定装置测定所述的注样仓和扩散仓内气体样品的浓度，通过所述的注样仓和扩散仓内气体样品浓度随时间的变化来确定所述涂层的气体扩散系数并进行拟合，进而得出所述的涂层的气体扩散性能；

所述的气体扩散系数由公式(1)计算得出：

$D_m=D_0\exp (-\frac{E_d}{RT}){\left(\frac{{\mathrm{\ΔC}}_m}{{\mathrm{\ΔC}}_{m,0}}\right)}^3---\left(1\right)$

公式(1)中，D_m为扩散系数，D₀为初始扩散系数，其值为1.6×10^-5m²/s，T为温度，E_d＝30.5kJ/mol，R为通用气体常数，R＝8.314J·mol^-1·K^-1，△C_m,0为注样仓与扩散仓的初始浓度差，△C_m为注样仓和扩散仓的浓度差。