孔径对气体透过系数的影响

  无论气体分子是以努森扩散还是以黏性流动的形式透过膜孔，气体透过速率均与孔隙率成正比，在考虑孔隙率对气体透过系数的影响后，可以得到透过系数与孔径的关系。

  因此，如果气体分子受努森扩散和黏性流动共同控制，则气体透过系数与孔半径的关系应在3~4次方之间。

  平均孔半径对气体单孔透过系数的影响，单孔透过系数随平均孔半径的增大迅速增大。将气体的单孔透过系数与平均孔半径的3.68次方作图，可以看出，单孔透过系数与平均孔半径的3.68次方呈良好线性关系。实验条件下气体分子平均自由程与孔径的比值（λ/d）在0.1~0.84之间，此时努森扩散和黏性流动对气体透过量的贡献均不可忽略。以上分析进一步证实，气体透过膜孔的机理应为努森扩散和黏性流动共同控制。PTFE薄膜存在一个孔径分布区间，推测气体分子可能以黏性流动机理透过大孔，以努森扩散机理透过小孔。随孔径分布范围的变化，努森扩散和黏性流动在气体透过速率中的贡献也会发生变化。

  无论气体是以努森扩散还是黏性流动，透过速率均匀气体分子量有关。分子量对透过速率的影响。可以看出，随着分子量的增加，气体透过速率下降。对同种气体而言，气体压差与气体的透过速率呈良好的线性相关。可以看出，气体透过系数随分子量的增加迅速下降。努森扩散和黏性流动的气体透过系数均与气体分子量的-1/2次方呈良好的线性关系，这表明PTFE薄膜气体的阻隔性能取决于气体分子量的差异，透过系数随气体分子量的增加而降低。

  因PTFE薄膜存在孔径分布，不仅在平均孔径下，气体以努森扩散和黏性流动透过膜孔，而且在孔径变化范围内，努森扩散和黏性流动在总体流动中所占的比例会发生变化，因此为准确地预测气体的透过性能，需要考虑孔径的分布情况。利用描述膜孔径分布的数学表达式、膜结构参数和气体性质等条件，分别对努森扩散和黏性流动对气体透过系数的贡献进行计算，建立数学模型。

  在相同的气体压差下，气体透过速率随膜厚度的增加而降低，相同厚度时，随气体压差的增加，气体透过速率线性增加。可以清楚地看出，选择透过膜的气体透过系数远低于PTFE膜，即相同压力下，致密膜的气体透过速率远小于微孔膜，气体在致密层PU中的透过速率是气体透过整体复合膜速率的控制步骤。

  对于厚度大致相同的PU薄膜，流延PU薄膜与PTFE/PU复合膜的气体透过速率很接近，其气体透过系数也非常接近。这表明，二者气体透过机理相似，由于PU膜属致密膜，气体分子只能以溶解-扩散机理透过，此时气体透过速率取决于致密层的溶解-扩散速率，复合膜的气体透过系数基本上与致密层接近。