第二章 文獻探討
2.3 化學物質於聚合物中之擴散係數
化學物質浸透聚合物薄膜之質傳機制，如圖2.3所示可分為吸收 (sorption)、擴散(diffusion)及解吸(desorption)三個質傳機制(Nelson et al., 1981；Silkowski et al., 1984；Dillon and Obasuyi, 1985；Victorial et al., 1987；Schwope et al., 1988；Vahdat, 1991；ASTM F739, 1996)。當 化學物質接觸到聚合物時，其分子間的吸引力而將化學物質溶入聚合 物中，起先這些被溶入的分子祇集中於聚合物與化學物質之接觸面，
因為在聚合物內部的化學物質濃度梯度所致，所以可向聚合物的另一 面擴散，並從另一背面解吸而完成浸透。許多研究指出擴散為整個浸 透過程中的主要控制機制(Nelson et al., 1981；Silkowski et al., 1984；
Dillon and Obasuyi, 1985；Schwope et al., 1988；Vahdat, 1991)，表2.1 為文獻中推估化學物質浸透聚合物所建立之擴散係數模式。
Ziegel及其研究團隊(1969)經由實驗研究溶劑浸透聚合物薄膜之 現象，其發現溶劑在聚合物之擴散係數D與達到一半穩定浸透速率所 需之時間tl/2具有相關性，並利用回歸分析得到擴散係數之經驗公式；
Crank (1975)利用圖 2.4 所示之隔膜測試腔(diaphragm cell)，將 揮發性有機物(VOCs)置於隔膜下方腔室，並分析上側密閉腔室之壓
同時，Eq. 2.3.3 為聚合物薄膜中 VOC 濃度 C 在厚度方向 Z 之 解度(solubility)，且 H 稱為 VOC 之溶解度係數(solubility coefficient)或 Henry’s law 係數；同時，
(3) 手套內另一面之有機溶劑濃度為零(t >0，Z=L，C=0)。
聚合物薄膜於長時間浸透狀況之下，因為 Eq. 2.3.5 中的指數項 決於其擴散性(diffusivity)及溶解性。Sansone 及 Tewari (1980)探討苯 蒸氣在天然橡膠(natural rubber)、nitrile 及 neoprene 中之浸透性，其 經由浸入(immersion)試驗求得苯蒸氣在聚合物之溶解度，並利用浸
究(Zellers and Zhang, 1993)。許多研究使用 ASTM F739 浸透測試得 到延滯時間，再直接利用 Eq. 2.3.7 計算其穩定擴散係數(Schwope et al., 1988；Tsai and Que Hee, 1996；Tsai and Que Hee, 1997；Lin and Que Hee, 1998a, b)。
Tsai及 Que Hee (1996)研究甲基苯異構物(Alkylbenzene Isomers) 對 nitrile 手套之浸透，利用 ASTM F739 測試腔以正己烷(hexane)當 作採集介質，並維持密閉測試系統在 25℃恆溫狀況。Tsai 及 Que Hee 利用 Crank 數學模式得到 isorpropylbenzene (IPB)、n-propylbenzene (NPB) 、 1,2,3-trimethylbenzene (123T) 、 1,2,4-trimethylbenzene (124T) 、 1,3,5-trimethylbenzene (135T) 、 m-ethyltoluene (MET) 、 o-ethyltoluene (OET) 及 p-ethyltoluene (PET) 之 穩 定 擴 散 係 數 (10-6cm2/s)分別為 0.105、0.133、0.080、0.100、0.600、0.060、0.080 與 0.100。
Tsai 及 Que Hee (1997)使用 ASTM F739 測試腔以二甲苯異構物 (Xylene Isomers)於恆溫 30℃浸透 nitrile 手套，密閉式測試系統以正 己烷當作採集介質。Tsai 及 Que Hee 利用 Crank 模式探討鄰-二甲苯 (o-Xylene)、間- 二甲苯(m-Xylene) 、對-二甲苯(p-Xylene) 及乙基苯 (Ethyl benzene) 之 穩 定 擴 散 係 數 (10-6cm2/s) 分 別 為 0.092±0.013 、 0.204±0.083、0.168±0.038 與 0.106±0.009。
Vahdat (1987a)利用 ASTM F739 浸透測試腔以開放式迴路探討 化學物質浸透聚合物手套之現象；Vahdat 假設測試腔左側採集介質
度，且 S (g/cm3)為化學物質在手套中的溶解度。
因此以 Eq. 2.3.8 探討化學物質浸透手套之擴散係數，除了需作 浸透試驗之外，另需利用浸入實驗(immersion experiment)分別決定 其溶解度。Vahdat (1987a)將手套秤重後浸泡於有機溶劑中，期間取 出手套分析重量變化，經數小時後其重量未再改變，此時可求出手 套浸泡前後之重量差，並將其除以手套之體積而求出溶解度 S。
Vahdat 及其團隊利用 ASTM F739 浸透測試腔，以開放式迴路 及氮氣當作採集介質，在 25℃之條件下探討化學物質浸透聚合物手 套之擴散係數(Vahdat, 1987b；Vahdat and Delaney, 1989；Vahdat, 1991) 。 Vahdat (1987b)分 別 測 試 氯 甲 烷 (Methylene Chloride) 浸 透 Edmont 與 Best 兩個製造商所生產之 nitrile 手套，結果 nitrile-Edmont 及 nitrile-Best 之擴散係數分別為 0.62×10-6 cm2/s 與 1.6×10-6 cm2/s。
此外，全氯乙烯(Perchloroethylene)對 nitrile-Best 手套之擴散係數為 0.42×10-6 cm2/s。
Vahdat 及 Delaney 於 1989 實驗得到全氯乙烯浸透 nitrile-Best。
與三氯乙烷(trichloroethylene)浸透 nitrile-Edmont 之擴散係數，分別 為 0.5×10-6 cm2/s 和 0.83×10-6 cm2/s。Vahdat (1991)則測試苯、甲苯及 1,1,1-三氯乙烷浸透 nitrile 手套，結果發現擴散係數(10-6cm2/s)分別為 0.412、0.253 及 0.221。
與皮膚接觸面 手套 有機溶劑
解吸 擴散 吸附 desorption diffusion sorption 背面 表面
圖 2.3 有機溶劑浸透手套之質傳機制
圖 2.4 有機溶劑累積浸透曲線