閥門密封件對氣體和蒸汽的滲透性：技術分析

簡介

以為您的電纜接頭密封完全氣密嗎？請三思。即使是最好的密封材料也會允許一定程度的氣體和蒸汽滲透，而瞭解這種現象對於即使是微小洩漏也可能帶來災難的應用來說是至關重要的。從石化廠的爆炸性氣氛到敏感的電子機箱，壓蓋密封件的滲透特性直接影響系統的安全性和性能。

的 透水性¹ 壓蓋密封件對氣體和蒸汽的影響是指氣體分子在分子層次上穿透密封材料的速率，以特定單位測量，量化單位面積、厚度、時間和壓差的質量傳遞。 這種特性與透過機械間隙造成的總體洩漏有根本性的不同，因此需要專門的測試方法和材料選擇策略。

就在上個月，慕尼黑一家半導體工廠的 Marcus 在發現他們的「密封」控制面板出現與濕氣相關的故障後，聯絡了我們。罪魁禍首是什麼？濕氣滲透標準橡膠密封件，而在設計階段卻沒有人考慮到這一點。這種疏忽可能會導致數百萬的停機時間和設備損壞，這就是為什麼瞭解密封滲透性已經成為工程師在關鍵應用中指定電纜接頭的必要條件。

目錄

• 什麼是電纜接頭密封件的透氣性？
• 不同密封材料的滲透性如何比較？
• 哪些因素會影響密封件的滲透性能？
• 如何對電纜接頭進行滲透性測試？
• 哪些關鍵應用需要低滲透性密封件？
• 總結
• 關於電纜接頭密封件滲透性的常見問題

什麼是電纜接頭密封件的透氣性？

電纜壓蓋密封件中的氣體和蒸汽滲透性是指氣體分子通過密封元件大體材料的分子級傳輸，受以下因素支配 溶液擴散機制² 氣體溶入密封材料並透過其分子結構擴散。

分子滲透背後的科學原理

與透過可見的間隙或缺陷進行的機械滲漏不同，滲透是透過密封材料的聚合物基質在分子層面上發生的。這個過程包含三個不同的步驟：

1. 吸附:氣體分子溶入密封材料表面
2. 擴散:溶解分子透過聚合物基質遷移
3. 解吸:分子從相反的表面冒出

滲透係數 (P) 結合了溶解度與擴散效應，通常以 cm³(STP)-cm/(cm²-s-cmHg)或類似的尺寸分析單位表示。

滲透性 vs. 滲透率

區分這些相關但不同的概念至關重要：

• 滲透性:與幾何形狀無關的材料特性
• 滲透率:通過特定密封配置的實際氣流

在 Bepto，我們已經開發了專門的測試協議來測量我們的電纜壓蓋密封件的這兩個參數，以確保我們的客戶獲得其特定應用的全面滲透數據。

常見氣體及其滲透特性

不同氣體在相同密封材料中的滲透率大不相同：

瓦斯類型	相對滲透性	關鍵應用
氫	非常高 (100x)	燃料電池系統、煉油廠
氦氣	高 (50x)	洩漏測試、低溫系統
水蒸氣	可變（取決於濕度）	電子、食品加工
氧氣	中型 (5x)	製藥、食品包裝
氮氣	低 (1x 基線)	惰性氣氛系統
二氧化碳	中型 (3x)	飲料業、溫室

Hassan 是阿布扎比一家氫氣生產設施的管理者，當他的電纜接頭中的標準 EPDM 密封件允許大量氫氣滲透，造成安全問題時，他慘痛地汲取了這次教訓。我們攜手合作，指定使用碳氟化合物密封件，將氫滲透降低了 90% 以上，確保他的設施符合嚴格的安全標準。

不同密封材料的滲透性如何比較？

不同的密封材料展現出截然不同的滲透特性，碳氟化合物彈性體的氣體滲透率通常最低，其次是丁腈橡膠，而矽橡膠和天然橡膠通常對大多數氣體的滲透率最高。

材料性能排名

根據我們在 Bepto 材料實驗室進行的廣泛測試，以下是常見的電纜接頭密封材料在阻氣性能方面的排名：

優異的阻隔性能（低滲透性）：

• 碳氟化合物 (FKM/Viton)³:出色的耐化學性和低滲透性
• 氯丁二烯 (CR/Neoprene):良好的通用阻隔性能
• 丁腈 (NBR):具有優異的抗碳化氫性及中等滲透性

中等阻隔性能：

• EPDM:良好的耐臭氧性，但較高的氣體滲透性
• 聚氨酯:性能因配方而異

阻隔性能差（高滲透性）：

• 矽膠:優異的溫度範圍，但高氣體滲透性
• 天然橡膠:良好的機械性能，但氣體阻隔性差

溫度對材料性能的影響

大部分彈性體的滲透性會隨著溫度成倍增加。我們的測試顯示

• 25°C 至 75°C:對大多數材料而言，滲透性增加 3-5 倍
• 75°C 至 125°C:額外增加 2-3 倍
• 超過 150°C:大幅增加，取決於材料

化學相容性考慮

如果阻隔材料與應用環境的化學相容性不佳，再好的阻隔材料也沒用。我們曾經見過一些案例，工程師選擇了低透氣性的材料，但卻因化學侵蝕而失效，最終導致性能不如透氣性較高但耐化學侵蝕的替代材料。

哪些因素會影響密封件的滲透性能？

密封滲透性能受溫度、壓差、密封幾何形狀、材料厚度、老化效應以及滲透氣體或蒸汽的特定分子大小和溶解度影響。

主要影響因素

溫度影響：
溫度是影響滲透性的最重要因素。較高的溫度會增加分子運動和聚合物鏈的流動性，產生較大的自由體積供氣體擴散。我們的數據顯示，在大多數彈性體中，溫度每升高 10°C，滲透性大約會增加一倍。

壓差：
對大多數氣體而言，滲透率會隨壓差線性增加，但有些材料在高壓下會因塑化效應或聚合物基質的結構變化而呈現非線性行為。

密封幾何和厚度：
滲透率與密封厚度成反比。密封件厚度增加一倍，滲透率就會減半，因此這是低滲透應用的關鍵設計參數。

次要因素

老化與環境暴露：
紫外線曝曬、臭氧和化學物質接觸會改變聚合物結構，通常會隨著時間的推移而增加滲透性。我們建議對關鍵應用進行定期滲透性測試，以監控密封降解情況。

壓縮和應力狀態：
機械壓縮可降低聚合物基材的自由體積，從而降低滲透性，但過度壓縮可能會造成應力開裂，增加透過機械通道的滲透性。

濕度和水分含量：
水蒸氣會使許多彈性體塑化，增加對其他氣體的滲透性。這一點在戶外應用或高濕度環境中尤其重要。

實際應用範例

我之前提到的慕尼黑半導體工廠的 Marcus 發現，他們的濕氣問題不僅僅是水蒸氣的滲透。濕氣也增加了密封件對其他污染氣體的滲透性，產生了連鎖效應，破壞了他們的無塵室環境。我們在他們的電纜接頭組件中指定了帶有集成乾燥劑室的碳氟化合物密封件，從而解決了這個問題。

如何對電纜接頭進行滲透性測試？

電纜接頭的滲透性測試使用標準化的方法進行，例如 ASTM D1434⁴ 或 ISO 2556，測量特定氣體在受控溫度、壓力和濕度條件下通過密封材料的穩態傳輸率。

標準測試方法

ASTM D1434 - 測定透氣性的標準測試方法：
此方法使用壓力計技術，在測試樣本的低壓一側測量氣體壓力堆積。此測試提供以標準單位表示的滲透係數，並廣為工程計算所接受。

ISO 2556 - 塑膠 - 氣體傳輸率的確定：
類似於 ASTM D1434，但在試片製備和計算方法上略有不同。此標準較常用於歐洲市場。

ASTM F1249 - 水蒸氣滲透率：
此方法專為水蒸氣滲透性測試而設計，對於以濕氣滲入為主要考量的應用非常重要。

我們在 Bepto 的測試能力

我們投資了最先進的滲透性測試設備，讓我們可以：

• 在 -40°C 至 +200°C 的溫度下進行測試
• 評估壓力差高達 10 bar
• 測量超過 20 種不同氣體和蒸氣的滲透性
• 進行加速老化研究，以預測長期效能

測試樣品製備

正確的標本製備對於準確的結果至關重要：

1. 材料調節：測試條件下的 24 小時平衡
2. 厚度量測:多點確保均勻性
3. 表面處理:清潔、無瑕疵的表面
4. 安裝:適當的密封以防止邊緣效應

資料詮釋與報告

測試結果必須適當地規範化，並使用適當的單位進行報告。我們為客戶提供全面的報告，包括

• 特定氣體的滲透係數
• 溫度依賴性資料
• 與業界基準比較
• 針對特定應用需求的建議

哪些關鍵應用需要低滲透性密封件？

需要低滲透性密封件的關鍵應用包括危險區域安裝、製藥無塵室、半導體製造、改良氣氛下的食品加工，以及任何微量氣體污染可能危及安全或產品品質的應用。

防爆與危險區域應用

在易爆環境中，即使是微量的可燃氣體滲透也會造成安全隱患。我們的防爆電纜接頭使用特殊的碳氟化合物密封件，即使經過多年的使用，仍可保持滲透率低於臨界值。

主要要求：

• 大多數應用的氫滲透度 < 10-⁸ cm³/s
• 在惡劣的化學環境中具有長期穩定性
• 符合 ATEX、IECEx 和 NEC 標準

製藥與生物科技

無塵室環境需要維持特定的大氣成分，並將污染減至最低。水蒸氣和氧氣的滲透會影響無菌條件和產品的穩定性。

Hassan 的經驗不僅限於石化業 - 他也為中東地區的製藥廠提供諮詢服務。在科威特，我們協助一家疫苗生產廠指定電纜接頭，在該廠中，即使是微量的氧氣滲透也可能導致對溫度敏感的產品降解。我們的解決方案包括定制碳氟化合物密封件，其氧氣滲透率比標準材料低 50 倍。

半導體製造

半導體廠的超潔淨環境不能容忍任何污染。 除氣⁵ 以及電纜壓蓋密封件的滲透會帶來微粒和化學污染物，從而降低良品率。

關鍵參數：

• 放氣率 < 10-⁸ Torr-L/s-cm²
• 最少的離子污染
• 微粒產生量 < 0.1 微粒/cm²-小時

食品和飲料加工

改良氣氛包裝和受控發酵製程需要精確的氣體成分。滲透電纜接頭密封件會改變這些氣氛，影響產品品質和保質期。

分析與實驗室設備

精密分析儀器通常需要可控的氣氛或真空條件。即使是少量的空氣滲透也會影響測量精確度和儀器性能。

總結

瞭解電纜壓蓋密封件對於氣體和蒸汽的滲透性，對於在大氣控制至關重要的關鍵應用中工作的工程師來說至關重要。氣體在密封材料中的分子級傳輸遵循可預測的物理定律，但正確的材料選擇、測試和應用需要深厚的技術知識。在 Bepto，我們全面的滲透性測試能力和廣泛的材料資料庫可確保我們的客戶獲得符合其特定要求的密封性能的電纜接頭。無論您處理的是爆炸性大氣、無塵室環境或精密分析應用，正確的密封材料和適當的滲透性表徵都意味著系統成功與高成本失敗之間的差異。

關於電纜接頭密封件滲透性的常見問題

1. 了解氣體和蒸汽如何通過無孔聚合物材料的科學原理。 ↩

2. 探索溶液擴散模型，該模型描述了氣體通過致密聚合物膜的傳輸機制。 ↩

3. 探索高性能合成橡膠 FKM 的耐化學性、溫度範圍和低滲透性特性。 ↩

4. 檢視 ASTM D1434 標準的範圍，此標準是用來判定塑膠薄膜和薄片的氣體滲透特性的方法。 ↩

5. 了解放氣現象，即材料中釋放出被截留的氣體，通常是在真空或高溫狀態下。 ↩