一種測量材料氣體滲透率的測量裝置和測量方法

2023-06-18 02:06:06 2

專利名稱：一種測量材料氣體滲透率的測量裝置和測量方法
技術領域：
本發明涉及電子器件、食品、藥品等物體的封裝材料的氣體滲透率的測量方法和測量技術。
背景技術：
電子器件、食品、藥品等物品需要具有低的氣體滲透率的包裝或封裝材料，以防止在使用和存儲過程中，有害氣體進入器件內(如有機電致發光器件)，導致器件的性能或壽命下降；或防止有害氣體進入食品和藥品的包裝中，導致食品和藥品變質；或防止食品或藥品的材料蒸氣逸出包裝外，導致食品和藥品的品質下降或失效。要設計和製造出滿足使用和存儲要求的電子器件、食品和藥品的封裝或包裝材料，就必須具備對這些封裝或包裝材料的氣體滲透率進行測量的設備和測量方法。測量材料的氣體滲透率的方法有很多種，其中一種是利用質譜測量技術來測量材料的氣體滲透率，這種方法具有可以測量各種氣體、測量速度快、測量靈敏度高的特點。目前已公開的有關質譜法測量氣體滲透率的專利的例子，見美國專利US4944180A和中國專利ZL 200810045129.9。這類專利的特點，是滲透通過被測材料的氣體進入一個連接有高真空泵和質譜規的高真空室中，該高真空室中的滲透氣體被高真空泵連續抽走，在高真空室中建立起一個高真空範圍的滲透氣體壓強P，由質譜儀測量出P，根據真空系統在高真空室處對滲透氣體的有效抽速S，計算出滲透氣體通過被測材料的流量:
Q = PXS
再由被測材料的氣體滲透面積，計算出滲透氣體對被測材料的滲透率。這種測量方法的缺點是，滲透通過被測材料的氣體連續被高真空泵抽走，如果被測氣體對被測材料的滲透率很小的話，在高真空室中建立的被測氣體分壓強就非常小，以至於可能低於質譜儀的最小可檢分壓強值，無法測量出被測氣體在高真空室中的分壓強，也就無法測量出被測氣體對於被測材料的滲透率，限制了氣體滲透率測量靈敏度的提高。

發明內容
本發明所要解決的問題是:如何提供一種測量裝置及測量方法，克服現有質譜法測量材料氣體滲透率技術中的缺點，提高測量的靈敏度。本發明的技術方案為:一種測量材料氣體滲透率的測量裝置，其特徵在於:包括氣體室、氣體積累室和高真空室，氣體室與氣體積累室之間安裝有待測材料薄膜或薄片，氣體室連接有待測氣體源和低真空泵，積累室通過針閥與高真空室連接，高真空室連接有質譜規和超高真空抽氣系統。進一步地，所述氣體室與氣體積累室之間設置有用於密封氣體積累室與待測材料的密封圈。進一步地，所述氣體室與氣體積累室之間設置有用於支撐待測材料薄膜的支撐網。
進一步地，所述氣體積累室與高真空室之間還設置有旁抽迴路，旁抽迴路上設置有芳抽閥。進一步地，所述低真空泵與氣體室之間設置有氣體室抽氣閥，所述低真空泵為旋片式機械泵或羅茨泵。進一步地，所述氣體室上還連接有氣體壓強計。進一步地，所述超高真空抽氣系統與高真空室之間通過流導已知的抽速限制管道連接，所述超高真空抽氣系統的主真空泵為渦輪分子泵、濺射離子泵或低溫冷凝泵中的一種。進一步地，所述質譜規為四極質譜規、磁偏轉質譜規或迴旋質譜規中的一種。進一步地，所述氣體室、氣體積累室和高真空室外殼上均設置有加熱裝置。進一步地，所述加熱裝置為纏繞在氣體室、氣體積累室和高真空室外殼上的電加熱帶。本發明還公開了一種測量材料氣體滲透率的測量方法，其特徵在於:氣體室中的被測氣體滲透通過待測材料薄膜，進入已被抽至超高真空且封閉的氣體積累室，並在其中積累；經過一段時間的積累，待氣體積累室中的滲透氣體壓強增加到低真空或粗真空量級後，將氣體積累室中的氣體以一定的漏率漏入安裝有質譜規的高真空室，由質譜儀測量出滲透氣體在高真空室中建立的分壓強，在針閥開啟漏率已知的條件下，計算出氣體積累室中滲透氣體的壓強，進而計算出被測氣體對被測材料薄膜的滲透率。具體步驟為:
步驟(I):把待測量的阻隔材料薄膜密封在氣體室與氣體積累室之間，針閥關閉。步驟(2):開啟超高真空抽氣系統和低真空泵，開啟旁抽閥和氣體室抽氣閥，對高真空室和氣體積累抽高真空，對氣體室抽低真空。步驟(3):加熱帶通電，使高真空室和氣體積累室加熱進行除氣，保溫一定時間後停止加熱，把高真空室和氣體積累室抽至超高真空；把氣體室加熱到室溫至100°c之間的一個確定溫度(例如80°c )，並保持之。步驟(4):把待測氣體充入被測氣體貯氣瓶中。步驟(5):開啟質譜規及其質譜儀，測量高真空室的各種本底氣體的分壓強。步驟(6):關閉旁抽閥，開啟針閥至流導為10_7 — 10_5 L/s範圍內的一個確定的流導值，使氣體積累室中放氣造成的本底氣體的很小一部分漏入高真空室中。步驟(7):開啟質譜規及其質譜儀，測量高真空室中的氣體分壓強。測量完成後關閉針閥。步驟(8):將步驟(7)中測得的氣體分壓強值，減去步驟(5)測得的氣體分壓強值，得到氣體積累室放氣形成的本底氣體通過針閥進入高真空室後，在高真空室中建立的氣體分壓強值。步驟(9):根據步驟(8)得到的氣體分壓強值，由已知的針閥開啟流導值，以及由抽速限制管道決定的超高真空系統在高真空室處對於各種氣體的有效抽速，計算出由於氣體積累室內由於放氣產生的各種氣體的分壓強值。步驟(10):在一定時期內(例如10天)，每隔一段時間(例如12小時)，重複進行步驟(5)至步驟(8)，獲得在所述一定時期內氣體積累室內放氣形成的本底氣體分壓強隨時間的變化曲線。步驟(11):開啟旁抽閥對氣體積累室抽真空，並對高真空室和氣體積累室加熱除氣，保溫一定時間後停止加熱，把高真空室和氣體積累室再度抽至超高真空。步驟(12):關閉旁抽閥，開啟氣體室充氣閥，把被測氣體貯氣瓶中的被測氣體充入氣體室，充氣壓強為0.1— 2大氣壓範圍內的一個確定值(例如I大氣壓)，然後關閉氣體室充氣閥。此時被測氣體開始滲透被測材料薄膜進入氣體積累室，並在氣體積累室中積累。步驟(13):開啟質譜規及其質譜儀，測量高真空室中的本底氣體分壓強。步驟(14):開啟針閥至與步驟中相同的針閥開啟流導值，使氣體積累室中積累的滲透氣體以及本底氣體的很小一部分漏入高真空室中。步驟(15)開啟質譜規及其質譜儀，測量在高真空室中建立的各種氣體的分壓強。測量完成後關閉針閥。步驟(16):將步驟(15)中測得的各種氣體分壓強值，減去步驟(13)測得的高真空室中的本底氣體分壓強值，得到氣體積累室中的氣體通過針閥進入高真空室後，在高真空室中建立的各種氣體的分壓強值。步驟(17):根據步驟(16)測得的氣體分壓強值，由已知的針閥開啟流導值，以及由抽速限制管道決定的超高真空系統在高真空室處對於各種氣體的有效抽速，計算出氣體積累室中積累的各種氣體的分壓強值。步驟(18):在步驟(10)所述的相同時期長度內，每隔一段時間(例如12小時)，重複進行步驟(13)至步驟(17)，獲得在步驟(10)所述的相同時期的時間長度內氣體積累室中由於被測氣體滲透阻隔材料薄膜，以及氣體積累室放氣形成的各種氣體分壓強隨時間的增長曲線。步驟(19):把在步驟(15)中獲得的所述一定時期內氣體積累室中各種氣體分壓強值隨時間的增長值，減去在步驟(10)中獲得的在相同時期長度內氣體積累室中由於放氣造成的各種本底氣體分壓強隨時間的增長值，就獲得了在步驟(10)所述的相同時期的時間長度內氣體積累室中由於被測氣體滲透通過被測材料薄膜，而在氣體積累室中積累形成的滲透氣體的分壓強隨時間的變化曲線。步驟(20):根據步驟(19)獲得的氣體積累室中滲透氣體分壓強隨時間的增長值，再由氣體積累室的體積、阻隔材料薄膜的氣體滲透面積，以及步驟(10)所述的一定時期的時間長度，計算出在步驟(3)所述的氣體室的加熱溫度下，被測氣體對於阻隔材料薄膜的滲透率。本發明與現有技術相比具有如下優點:
採用本發明的裝置及方法可以把滲透通過被測材料的被測氣體在氣體積累室中積累到比較多的氣體量後，再取樣出一部分到高真空室進行質譜測量，因而可以提高滲透率測量靈敏度。積累時間越長，測量靈敏度就越高，例如對水蒸氣滲透率的測量靈敏度可以達到l(T7g/m2day量級的水平。


圖1是本發明的裝置的結構示意 圖中附圖標記為，I氣體室，2氣體壓強計，3氣體室充氣閥門，4待測氣體源，5氣體室抽氣閥，6低真空泵，7氣體室密封法蘭，8待測材料薄膜，9待測材料薄膜的支撐網，10氣體積累室，11氣體積累室密封法蘭，12密封圈，13緊固螺栓，14針閥，15旁抽閥，16高真空室，17質譜規，18抽速限制管道，19高真空泵。
具體實施例方式按照圖1構建測量裝置，將待測材料薄膜置於氣體室和氣體積累室之間，待測材料薄膜與氣體積累室法蘭之間設置有真空橡膠密封圈。氣體室密封法蘭與氣體積累室密封法蘭之間通過緊固螺栓連接並壓緊，實現待測材料薄膜與氣體積累室法蘭之間的高真空密封，以及待測材料薄膜與氣體室法蘭之間的低真空密封。氣體積累室與待測材料薄膜之間設置有支撐所述待測材料薄膜支撐網。氣體積累室與高真空室之間並行設置有針閥和旁抽閥。高真空室設置有質譜規。所述質譜規可以是四極質譜規、磁偏轉質譜規、迴旋質譜規之一種。高真空室通過一個抽速限制管道與超高真空抽氣系統連接。所述超高真空系統中使用的高真空泵，是渦輪分子泵、濺射離子泵、低溫冷凝泵之一種。氣體室通過氣體室抽氣閥與低真空泵連接。所述的低真空泵，是旋片式機械泵或羅茨泵之一種。氣體室通過氣體室充氣閥與被測氣體貯氣瓶連接。氣體室設置有氣體壓強計。所述氣體壓強計是波登管壓強計、U型真空計之一種。高真空室、氣體積累室和氣體室的外殼上分別纏繞上電加熱帶。下面以測量氧氣對於PET塑料薄膜的滲透率為例來詳細說明測量方法:
步驟(I) JEPET塑料薄膜密封在氣體室與氣體積累室之間，待測材料薄膜與氣體積累室法蘭之間設置有真空橡膠密封圈，氣體室法蘭與氣體積累室法蘭之間通過緊固螺栓連接並壓緊，實現待測材料薄膜與氣體積累室法蘭之間的高真空密封，以及待測材料薄膜與氣體室法蘭之間的低真空密封。針閥關閉。步驟(2):開啟超高真空抽氣系統和低真空泵，開啟旁抽閥和氣體室抽氣閥，對高真空室和氣體積累室抽高真空，對氣體室抽低真空。步驟(3):加熱帶通電，使高真空室和氣體積累室加熱到200°C進行除氣，保溫2小時後停止加熱，把高真空室和氣體積累室抽至超高真空；把氣體室加熱到室溫至100°C之間的一個確定溫度(例如80°c )，並保持之。步驟(4):把充有純度高於99%的氧氣的氧氣瓶作為被測氣體貯氣瓶。步驟(5):開啟質譜規及其質譜儀，測量高真空室的各種本底氣體的分壓強。步驟(6):關閉旁抽閥，開啟針閥至流導為10_7 —10_5 L/s範圍內的一個確定的流導值，使氣體積累室中放氣造成的本底氣體的很小一部分漏入高真空室中。步驟(7):開啟質譜規及其質譜儀，測量高真空室中的氣體分壓強。測量完成後關閉針閥。步驟(8):將步驟(7)中測得的氣體分壓強值，減去步驟(5)測得的氣體分壓強值，得到氣體積累室放氣形成的本底氣體通過針閥進入高真空室後，在高真空室中建立的氣體分壓強值。步驟(9):根據步驟(8)得到的氣體分壓強值，由已知的針閥開啟流導值，以及由抽速限制管道決定的超高真空系統在高真空室處對於各種氣體的有效抽速，計算出由於氣體積累室內由於放氣產生的各種氣體的分壓強值。步驟(10):在一定時期內(例如10天)，每隔一段時間(例如12小時)，重複進行步驟(5)至步驟(9)，獲得在所述一定時期內氣體積累室內放氣形成的本底氣體分壓強隨時間的變化曲線。步驟(11):開啟旁抽閥對氣體積累室抽真空，並對高真空室和氣體積累室加熱到200°C進行除氣，保溫2小時候停止加熱，把高真空室和氣體積累室再度抽至超高真空。步驟(12):關閉旁抽閥，開啟氣體室充氣閥，把氧氣瓶中的氧氣充入氣體室，充氣壓強為0.1—2大氣壓範圍內的一個確定值(例如I大氣壓)，然後關閉氣體室充氣閥。此時氧氣開始滲透PET塑料薄膜進入氣體積累室，並在氣體積累室中積累。步驟(13):開啟質譜規及其質譜儀，測量高真空室中的本底氣體分壓強。步驟(14):開啟針閥至與步驟(6)中相同的針閥開啟流導值，使氣體積累室中積累的氧氣以及本底氣體的很小一部分漏入高真空室中。步驟(15)開啟質譜規及其質譜儀，測量在高真空室中建立的各種氣體的分壓強。測量完成後關閉針閥。步驟(16):將步驟(15)中測得的各種氣體分壓強值，減去步驟(13)測得的高真空室中的本底氣體分壓強值，得到氣體積累室中的氣體通過針閥進入高真空室後，在高真空室中建立的各種氣體的分壓強值。步驟(17):根據步驟(16)測得的氣體分壓強值，由已知的針閥開啟流導值，以及由抽速限制管道決定的超高真空系統在高真空室處對於各種氣體的有效抽速，計算出氣體積累室中積累的各種氣體的分壓強值。步驟(18):在步驟(10)所述的相同時期的時間長度內，每隔一段時間(例如12小時)，重複進行步驟(13)至步驟(17)，獲得在步驟(10)所述相同時期的時間長度內氣體積累室中由於氧氣滲透PET塑料薄膜，以及氣體積累室放氣形成的各種氣體的分壓強隨時間的增長曲線。步驟(19):把在步驟(18)中獲得的所述一定時期內氣體積累室中各種氣體分壓強值隨時間的增長值，減去在步驟(10)中所述相同時期時間長度內氣體積累室中由於放氣造成的各種本底氣體分壓強隨時間的增長值，就獲得了在步驟(10)所述的相同時期的時間長度內，由於氧氣滲透通過PET塑料薄膜而在氣體積累室中積累形成的氧氣壓強隨時間的變化曲線。步驟(20):根據步驟(19)獲得的氣體積累室中氧氣壓強隨時間的增長值、氣體積累室的體積、PET塑料薄膜的氣體滲透面積，以及步驟(10)所述的一定時期的時間長度，計算出在步驟(3)所述的氣體室及被測材料的加熱溫度下氧氣對於PET塑料薄膜的滲透率。
權利要求
1.一種測量材料氣體滲透率的測量裝置，其特徵在於:包括氣體室、氣體積累室和高真空室，氣體室與氣體積累室之間安裝有待測材料薄膜或薄片，氣體室連接有待測氣體源和低真空泵，積累室通過針閥與高真空室連接，高真空室連接有質譜規和超高真空抽氣系統。
2.根據權利要求1所述的一種測量材料氣體滲透率的測量裝置，其特徵在於:所述氣體室與氣體積累室之間設置有用於密封氣體積累室與待測材料的密封圈。
3.根據權利要求1所述的一種測量材料氣體滲透率的測量裝置，其特徵在於:所述氣體室與氣體積累室之間設置有用於支撐待測材料薄膜的支撐網。
4.根據權利 要求1所述的一種測量材料氣體滲透率的測量裝置，其特徵在於:所述氣體積累室與高真空室之間還設置有旁抽迴路，旁抽迴路上設置有旁抽閥。
5.根據權利要求1所述的一種測量材料氣體滲透率的測量裝置，其特徵在於:所述低真空泵與氣體室之間設置有氣體室抽氣閥，所述低真空泵為旋片式機械泵或羅茨泵。
6.根據權利要求1所述的一種測量材料氣體滲透率的測量裝置，其特徵在於:所述氣體室上還連接有氣體壓強計。
7.根據權利要求1所述的一種測量材料氣體滲透率的測量裝置，其特徵在於:所述超高真空抽氣系統與高真空室之間通過流導已知的抽速限制管道連接，所述超高真空抽氣系統的主真空泵為渦輪分子泵、濺射離子泵或低溫冷凝泵中的一種。
8.根據權利要求1所述的一種測量材料氣體滲透率的測量裝置，其特徵在於:所述質譜規為四極質譜規、磁偏轉質譜規或迴旋質譜規中的一種。
9.根據權利要求1-8任一項所述的一種測量材料氣體滲透率的測量裝置，其特徵在於:所述氣體室、氣體積累室和高真空室外殼上均設置有加熱裝置。
10.根據權利要求9所述的一種測量材料氣體滲透率的測量裝置，其特徵在於:所述加熱裝置為纏繞在氣體室、氣體積累室和高真空室外殼上的電加熱帶。
11.一種測量材料氣體滲透率的測量方法，其特徵在於:氣體室中的被測氣體滲透通過待測材料薄膜，進入已被抽至超高真空且封閉的氣體積累室，並在其中積累；經過一段時間的積累，待氣體積累室中的滲透氣體的壓強增加到低真空或粗真空量級後，將氣體積累室中的氣體通過針閥以一定的漏率漏入安裝有質譜規的高真空室，由質譜儀測量出滲透氣體在高真空室中建立的分壓強，在針閥開啟漏率已知的條件下，計算出氣體積累室中滲透氣體的壓強，進而計算出被測氣體對被測材料薄膜的滲透率。
12.根據權利要求11所述的一種測量材料氣體滲透率的測量方法，其特徵在於:具體步驟為: 步驟(I):把待測量的阻隔材料薄膜密封在氣體室與氣體積累室之間，針閥關閉； 步驟(2):開啟超高真空抽氣系統和低真空泵，開啟旁抽閥和氣體室抽氣閥,對高真空室和氣體積累抽高真空，對氣體室抽低真空； 步驟(3):加熱帶通電，使高真空室和氣體積累室加熱進行除氣，保溫一定時間後停止加熱，把高真空室和氣體積累室抽至超高真空；把氣體室加熱到室溫至100°C之間的一個確定的溫度，溫度值取決於測量時被測材料所需要的溫度，並保持之； 步驟(4):把待測氣體充入被測氣體貯氣瓶中； 步驟(5):開啟質譜規及其質譜儀，測量高真空室的各種本底氣體的分壓強；步驟(6):關閉旁抽閥，開啟針閥至流導為10_7 —10_5 L/s範圍內的一個確定的流導值，使氣體積累室中放氣造成的本底氣體的很小一部分漏入高真空室中； 步驟(7):開啟質譜規及其質譜儀，測量高真空室中的氣體分壓強；測量完成後關閉針閥； 步驟(8):將步驟(7)中測得的氣體分壓強值，減去步驟(5)測得的氣體分壓強值，得到氣體積累室放氣形成的本底氣體通過針閥進入高真空室後，在高真空室中建立的氣體分壓強值； 步驟(9):根據步驟(8)得到的氣體分壓強值，由已知的針閥開啟流導值，以及由抽速限制管道決定的超高真空系統在高真空室處對於各種氣體的有效抽速，計算出由於氣體積累室內由於放氣產生的各種氣體的分壓強值； 步驟(10):在一定時期內，每隔一段時間，重複進行步驟(5)至步驟(8)，獲得在所述一定時期內氣體積累室內放氣形成的本底氣體分壓強隨時間的變化曲線； 步驟(11):開啟旁抽閥對氣體積累室抽真空，並對高真空室和氣體積累室加熱進行除氣，保溫一定時間後停止加熱，把高真空室和氣體積累室再度抽至超高真空； 步驟(12):關閉旁抽閥，開啟氣體室充氣閥，把被測氣體貯氣瓶中的被測氣體充入氣體室，充氣壓強為0.1— 2大氣壓範圍內的一個確定值，然後關閉氣體室充氣閥；此時被測氣體開始滲透被測材料薄膜進入氣體積累室，並在氣體積累室中積累； 步驟(13):開啟質譜規及其質譜儀，測量高真空室中的本底氣體分壓強； 步驟(14):開啟針閥至與步驟中相同的針閥開啟流導值，使氣體積累室中積累的滲透氣體以及本底氣體的很小一部 分漏入高真空室中； 步驟(15)開啟質譜規及其質譜儀，測量在高真空室中建立的各種氣體的分壓強；測量完成後關閉針閥； 步驟(16):將步驟(15)中測得的各種氣體分壓強值，減去步驟(13)測得的高真空室中的本底氣體分壓強值，得到氣體積累室中的氣體通過針閥進入高真空室後，在高真空室中建立的各種氣體的分壓強值； 步驟(17):根據步驟(16)測得的氣體分壓強值，由已知的針閥開啟流導值，以及由抽速限制管道決定的超高真空系統在高真空室處對於各種氣體的有效抽速，計算出氣體積累室中積累的各種氣體的分壓強值； 步驟(18):在步驟(10)所述的相同時期長度內，每隔一段時間，重複進行步驟(13)至步驟(17)，獲得在步驟(10)所述的相同時期的時間長度內氣體積累室中由於被測氣體滲透阻隔材料薄膜，以及氣體積累室放氣形成的各種氣體分壓強隨時間的增長曲線； 步驟(19):把在步驟(15)中獲得的所述一定時期內氣體積累室中各種氣體分壓強值隨時間的增長值，減去在步驟(10)中獲得的在相同時期長度內氣體積累室中由於放氣造成的各種本底氣體分壓強隨時間的增長值，就獲得了在步驟(10)所述的相同時期的時間長度內氣體積累室中由於被測氣體滲透通過被測材料薄膜，而在氣體積累室中積累形成的滲透氣體的分壓強隨時間的變化曲線； 步驟(20):根據步驟(19)獲得的氣體積累室中滲透氣體分壓強隨時間的增長值，再由氣體積累室的體積、阻隔材料薄膜的氣體滲透面積，以及步驟(10)所述的一定時期的時間長度，計算出在步驟(3)所述的氣體室及被測材料的加熱溫度下，被測氣體對於被測材料薄膜的滲透率。
全文摘要
本發明公開了一種測量材料氣體滲透率的測量裝置和測量方法，包括氣體室、氣體積累室和高真空室，氣體室與氣體積累室之間安裝有待測材料薄膜或薄片，氣體室連接有待測氣體源和低真空泵，積累室通過針閥與高真空室連接，高真空室連接有質譜規和超高真空抽氣系統。採用本發明的裝置及方法可以把滲透通過被測材料的被測氣體在氣體積累室中積累到比較多的氣體量後，再取樣出一部分到高真空室進行質譜測量，因而可以提高滲透率測量靈敏度。積累時間越長，測量靈敏度就越高，例如對水蒸氣滲透率的測量靈敏度可以達到10-7g/m2day量級的水平。
文檔編號G01N7/10GK103115858SQ20131002642
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月24日 優先權日2013年1月24日
發明者李軍建 申請人:電子科技大學