材料的氣體透過性通常指其對特定氣體的滲透能力，主要參數(shù)包括氣體透過率（Gas Transmission Rate, GTR）、氣體透過系數(shù)、氣體擴散系數(shù)、氣體溶解度系數(shù)等。在實際生產應用中，氣體透過率與氣體透過系數(shù)最為常用。氣體透過系數(shù)可通過氣體透過率與試樣厚度相乘獲得，屬于氣體透過率的衍生參數(shù)。但應注意，相關文獻建議，除非能證明材料的氣體透過率與試樣厚度之間存在穩(wěn)定的反比關系，即能通過不同厚度試樣測出恒定的氣體透過系數(shù)，否則一般不建議使用該參數(shù)。因此，研究人員主要圍繞氣體透過率這一參數(shù)展開研究。
根據(jù)GB/T 1038.1—2022《塑料制品 薄膜和薄片 氣體透過性試驗方法 第1 部分：差壓法》，氣體透過率是指在單位壓差下，單位時間內透過單位面積試樣的氣體量。該參數(shù)與水蒸氣透過率常被共同用于評估材料的阻隔性能，是食品、藥品、化妝品、化工產品等包裝材料的關鍵性能指標，在包裝技術領域具有重要的意義。其滲透機制與測試方法已成為該領域的重要研究熱點。在以上應用場景中，氧氣或空氣的氣體透過率長期受到廣泛關注。近年來，隨著氫能源、煤炭、特種化工及軍工等領域的技術發(fā)展，以氫氣為代表的特殊氣體透過性測試需求日益增長。
近年來，氣體透過性測試儀的市場化進程顯著加快，如美國膜康（MOCON）公司、濟南蘭光機電技術有限公司、廣州標際包裝設備有限公司等廠商的設備已得到廣泛應用。與此同時，儀器的溯源與校準需求也日益受到科研和技術人員的關注。然而，根據(jù)ISO 15105-1：2007（E）《塑料 薄膜和薄板 透氣速率的測定 第1部分：差壓法》，由于不同設備制造商所采用的數(shù)據(jù)體系及校準方法存在差異，因此不同設備間的氣體透過性測試結果一致性較差。這是由于缺乏通用的校準技術規(guī)范與資料。
在實際應用中，氣體透過率的量值范圍往往跨越多個數(shù)量級。因此，為推進氣體透過性測試儀校準技術的標準化研究，需首先分析測量結果相對參考量值的偏離隨被測值大小的變化規(guī)律。在此基礎上，方可針對不同量值區(qū)間設定相應的技術指標，從而為相關計量技術規(guī)范的制定提供可靠依據(jù)。
開展測試及數(shù)據(jù)分析前，需要對現(xiàn)有的氣體透過率標準物質進行情況梳理，梳理結果如表1所示 [ 表中1cm3/（m2·24h·0.1MPa）=5.17×10-15mol/（m2·s·Pa）]。由表1可知：目前幾種氣體透過率標準物質均屬于二級標準物質，其量值參數(shù)均為氧氣透過率，尚缺乏其他氣體的透過率標準物質，在氣體種類可選性上存在不足。通過控制標準物質的材料、厚度和制備工藝，其量值覆蓋了多個數(shù)量級，能夠滿足不同量程測試儀的溯源需求。此外，氧氣透過率標準物質的相對擴展不確定度普遍為15%~40%。有研究顯示，氧氣透過率標準物質常用材料聚酯薄膜的室內重復性相對標準偏差約為 7%~21%，室間再現(xiàn)性相對標準偏差約為39%~42%。這表明氧氣透過率參數(shù)的復現(xiàn)性較差，在一定程度上導致氧氣透過率標準物質的定值不確定度較大。
02、試驗過程
研究選用C230G型、C230H型、C230B型、OX2/230型和i-OXTRA 7700型5款氣體透過性測試儀，分別對標準值不同的 3 種氣體透過率標準物
質[GBW(E)130562、GBW(E)130563、GBW(E)130564]
進行了多次重復測試。每次測試同時測量2個平行試樣，并計算其平均值，結果如表2所示。
03、測試結果處理及分析
3.1 示值誤差與重復性的計算
因氣體透過率的量值范圍較大，以相對誤差表示示值誤差，按照式（1）計算示值誤差δ。
式中：δ 為氣體透過率示值誤差；
為氣體透過率測量結果的算術平均值；GTRr為氣體透過率標準物質的標準值。
按照式（2）計算重復性s。
式中：s為氣體透過率重復性；GTRmax為3塊平行試樣測量結果的最大值；GTRmin為3塊平行試樣測量結果的最小值；
為3塊平行試樣測量結果的算術平均值；d為極差系數(shù)，當測量次數(shù)為3時，取d=1.69。
3.2 不同型號設備測量結果的差異分析
根據(jù)式（1）計算相對誤差，對 5種不同型號的氣體透過性測試儀的測試結果相對誤差進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計結果如圖1所示。由圖1可知：全部5款設備的測量結果均高于標準物質的標準值，且隨著標準值的增大，相對誤差進一步增大，但均未超出標準物質的不確定度范圍。結合現(xiàn)有標準物質的不確定度數(shù)據(jù)可知，由于現(xiàn)有的二級標準物質普遍采用多家實驗室聯(lián)合定值技術，其不確定度范圍相對較寬。因此，該分析結果也反映出行業(yè)內對氣體透過率這一參數(shù)的測量存在一致性不足的問題，尤其在氣體透過率數(shù)值較大時，這一現(xiàn)象更為明顯。
從不同設備的數(shù)據(jù)來看，新型高精度設備如C230G、C230H的相對誤差絕對值較小，而老款設備如i-OXTRA 7700、OX2/230的相對誤差絕對值較大。這反映出近年來新型設備的研發(fā)在一定程度上提升了測量結果的準確性，測量相對誤差呈逐步減小的趨勢，行業(yè)內在氣體透過率測量方面也正逐漸趨于一致。
3.3 不同標準物質測量結果的差異分析
根據(jù)測試數(shù)據(jù)，分別計算了單次測量結果的相對誤差，并依照式（1）計算了平均值的相對誤差。將標準值與相對誤差繪制為散點圖，其分布情況如圖2所示（圖中藍色散點代表單次測量結果的相對誤差，紅色散點代表測量平均值的相對誤差）。
根據(jù)以上數(shù)據(jù)統(tǒng)計可以看出，對于標準值為16.7cm3/(m2·24h·0.1MPa) 的氣體透過率標準物質，其54次單次測量的相對誤差極差可達16.4%；對于標準值為57.3cm3/(m2·24h·0.1MPa) 的標準物質，36次單次測量的相對誤差極差為10.5%；而對于標準值為 440cm3/(m2·24h·0.1MPa) 的標準物質，54次單次測量的相對誤差極差為7.7%。這表明，隨著所選標準物質的標準值增大，測量所得相對誤差的離散性顯著降低。因此，在設定氣體透過性測試儀的示值誤差技術指標時，不同量值區(qū)間宜采取差異化的技術要求，對低阻隔量值區(qū)間應設定相對嚴格的指標；若以平均值的相對誤差作為計量特性，則應進一步提高相關指標要求。
按照式（2）計算測量重復性，并將標準值與重復性數(shù)據(jù)作散點圖，不同標準物質測量結果的重復性分布如圖3所示。從統(tǒng)計結果可知，重復性數(shù)據(jù)的分布情況與相對誤差的分布情況基本相似，但重復性數(shù)值整體較小。在設定重復性技術指標時，既可參照量程范圍分段制定，也可設定統(tǒng)一的計量特性指標。
04、結論
（1）目前采用多家實驗室聯(lián)合定值的氣體透過率二級標準物質，其不確定度普遍較大；但新型設備的研發(fā)在一定程度上提升了測量結果的準確性與一致性，測量相對誤差呈逐步減小的趨勢，表明行業(yè)內氣體透過率測量結果正逐漸趨于統(tǒng)一。
（2）對于標準值較小的標準物質，其測量所得氣體透過率相對誤差的離散性較大。因此，在確定氣體透過性測試儀的示值誤差技術指標時，建議對不同量值區(qū)間設定差異化的要求，對低阻隔（小量值）區(qū)間，應制定相對嚴格的技術指標。
此外，現(xiàn)有氣體透過率標準物質的參數(shù)均為氧氣透過率，適用氣體種類較為單一，無法滿足行業(yè)對特殊氣體（如氫氣等）透過率測試的需求，有必要開展相關研究，拓展標準物質的氣體適用范圍。
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