# 氣缸密封材料的氣體滲透率分析

> Source: https://rodlesspneumatic.com/zh-hant/blog/analyzing-permeation-rates-of-gases-through-cylinder-seal-materials/
> Language: zh-Hant

## Summary

了解 Parker 五項輸入的 O 型環近似模型如何估算氣體滲透、薄膜數據為何不能證明氣缸洩漏，以及如何制定有效的保壓測試。

## Page Content

# 氣缸密封材料的氣體滲透率分析

氣體滲透是氣體穿過完整聚合物本體的移動，而不是繞過已損壞的密封邊緣。它可能影響長時間保壓、真空應用、分析儀器及特殊氣體系統。不過，在一般工廠氣動系統中，接頭洩漏、閥內通道、表面刮痕或活塞旁通往往才是量測損失的主因。

這項區分會改變故障調查方式。NBR、FKM、TPU 或 PTFE 之類的聚合物家族名稱，無法直接給出完整氣缸的洩漏率。只有明確掌握氣體種類、確切配方、溫度、壓差、密封幾何、壓縮率、潤滑狀態、硬體狀況及測量邊界後，滲透估算才有實用價值。

> 重點摘要 Parker 的 O 型環估算式使用 5 項輸入來計算近似損失率。 只有在氣體、配方、溫度、單位及方法一致時，才能比較滲透數據。 保壓測試量到的是總損失；不能只憑曲線形狀判定氣體滲透。 ASTM D1434 與 ISO 15105 測試的是薄膜或片材，不是完整的氣缸密封。

## 什麼是氣體滲透？它與洩漏有何不同？

Parker 手冊提供 4 種氣體的滲透係數表：氫氣、氮氣、氦氣及二氧化碳。手冊將滲透定義為受壓氣體進入彈性體並從非受壓側逸出，同時說明密封總損失也可能包含氣體經由未完全填滿的表面微細凹凸遷移（[Parker O 型環手冊](https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/Praedifa/Catalogs/Catalog_O-Ring-Handbook_PTD5705-EN.pdf)，2024）。

氣體滲透 是氣體穿過密封材料本體的傳輸。在常用的溶解—擴散描述中，分子先溶入高壓側表面，再穿過聚合物基體擴散，最後從低壓側脫附。滲透係數綜合反映材料對該氣體的溶解度與擴散率：

P g = D g K g P_g = D_g K_g

其中， P g P_g 是特定氣體—材料—溫度條件下的滲透係數， D g D_g 是擴散係數， K g K_g 是溶解度係數。這些量都取決於測試條件。20°C 乾燥氮氣的數值，不能只更換標籤就當成空氣、氦氣、氫氣或高溫工況的數值。

機械洩漏 沿密封周邊或穿過組件內的實體通道發生。該通道可能是刮痕、擠出損傷、不正確的溝槽、表面接觸不良、氣口接頭、閥座或活塞旁通。更換狀況良好的密封配方無法封閉漏氣接頭；鎖緊接頭也不會改變氣體穿過完整彈性體的擴散。

兩種機制可能同時存在。表面粗糙度與接觸不完整尤其棘手，因為氣體路徑位於密封界面，卻不屬於材料本體滲透。因此，單靠系統壓力表無法把損失歸因於其中一種機制。

辨識元件時，先參閱[工業氣缸密封類型指南](/zh-hant/blog/what-are-the-different-types-of-industrial-cylinder-seals-and-their-applications/)。若懷疑的路徑穿過活塞、由一個腔室通往另一個腔室，請採用另篇[氣動氣缸內漏檢查程序](/zh-hant/blog/what-is-internal-leakage-in-pneumatic-cylinders-and-how-much-is-costing-you/)。

> Figure: 材料本體滲透與機械洩漏是不同的傳輸路徑；除非測試治具能將兩者隔離，系統層級的壓力測試只會記錄其合併效果。

## 不可混淆的三種氣體傳輸量

ASTM D1434 區分 3 種報告量：氣體傳輸速率、透氣率與滲透係數。這項區分很重要，因為只有滲透係數會針對適用的均質試片厚度進行正規化；以面積與壓力為基準的速率，並不會自動成為材料常數（[ASTM D1434-23](https://store.astm.org/standards/d1434)，2023）。

氣體傳輸速率 （GTR）表示在指定條件下，單位時間內穿過一定試片面積的測試氣體量。這項數值屬於受測試片；只要厚度、形態、溫度、濕度或壓力條件改變，報告的速率就可能改變。

透氣率 是以驅動傳輸的壓差除以傳輸量，因此仍屬於特定試片配置。單位為 c m 3 / ( c m 2 ⋅ d a y ⋅ b a r ) \mathrm{cm^3/(cm^2 \cdot day \cdot bar)} 的數值屬於透氣率，因為其單位中不含厚度。

滲透係數 加入長度項，並在厚度關係成立時用於表徵均質材料。對達到穩態的平面試片，可採用下列篩選關係式：

J = P g Δ p l J = \frac{P_g \Delta p}{l}

其中， J J 是氣體通量， P g P_g 是氣體滲透係數， Δ p \Delta p 是測試氣體的分壓差， l l 是試片厚度。此方程式描述平面、均質的傳輸路徑。受壓縮的 O 型環、蓄能式 PTFE 密封、U 型密封或無桿缸密封帶，都必須採用符合其實際形狀的幾何模型。

ASTM 警告，在厚度與傳輸量之間的關係尚未確立前，不應把傳輸結果換算成滲透係數。該標準也把塑化劑含量、非均質性、水分、程序及實驗室列為變異來源。因此，不能把測試條件不一致的供應商數值直接抄入一張通用材料表。

## Parker O 型環模型如何估算氣體滲透？

Parker 的 O 型環近似模型使用 5 項輸入：滲透係數、O 型環內徑、壓差、壓縮與潤滑修正係數，以及截面壓縮率。這些輸入會得出近似損失率。Parker 也指出，由於同一聚合物家族內的配方可能不同，結果僅屬粗略估算（[Parker O 型環手冊](https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/Praedifa/Catalogs/Catalog_O-Ring-Handbook_PTD5705-EN.pdf)，2024）。

依 Parker 公布的符號，近似式如下：

L = 0.4 F d 1 P Q ( 1 − S ) 2 L = 0.4 F d_1 P Q (1-S)^2

式中：

- L L 是近似氣體損失，單位為 c m 3 / s \mathrm{cm^3/s} ；

- F F 是 Parker 手冊表列的滲透係數，須採用手冊指定單位；

- d 1 d_1 是 O 型環內徑，單位為毫米；

- P P 是壓差，單位為 bar；

- Q Q 是 Parker 的壓縮與潤滑修正係數；

- S S 是以小數表示的截面壓縮率。

此公式只能搭配 Parker 表格旁所列的單位與係數定義使用。不要把以每平方公分、每日為基準的數值代入，並假設它等同於公式中的 F F 。量綱不同的數值，可能算出外觀看似合理、實際上毫無意義的結果。

此方程式另包含 3 項幾何假設：變形後截面為矩形、壓縮前後的截面積相等，以及氣體滲透量與壓差成正比。因此，它是 O 型環的初步篩選估算，不是所有氣缸密封的認證方法。

最實用的輸出通常是數量級檢查。若計算出的滲透損失遠低於實測總損失，應先調查界面、閥件、管路、氣口、活塞旁通及溫度效應。若估算值接近實測損失，在變更致動器設計前，應委託進行特定配方的治具測試。

## 為什麼不能只按聚合物家族建立通用排名？

Parker 的氮氣表依手冊係數尺度列出：TPU 在 23°C 時為 0.17、NBR 在 20°C 時為 0.5、FKM 在 30°C 時為 0.25。即使只有這一小組數據，也已包含 3 種不同溫度，因此無法支持不附條件的 TPU、NBR 與 FKM 排名（[Parker O 型環手冊](https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/Praedifa/Catalogs/Catalog_O-Ring-Handbook_PTD5705-EN.pdf)，2024）。

基礎聚合物名稱會掩蓋實際配方。填料、塑化劑、硫化化學、硬度、加工歷程、結晶度及吸收的介質，都可能改變傳輸行為。兩種 NBR 配方可能名稱相同，卻具有不同的滲透係數、壓縮永久變形、磨耗、低溫反應及化學相容性。

氣體種類與聚合物家族同樣重要。滲透同時取決於分子在材料中的擴散與溶解度。較小分子通常擴散較快，但較高的溶解度，可能讓較大的氣體分子比單純按分子尺寸排序所預測的更容易滲透。二氧化碳就是不能把分子大小視為唯一變數的典型警示。

PTFE 也必須採取同樣嚴謹的判斷。原生 PTFE、改質 PTFE、填充 PTFE，以及由彈性體蓄能的 PTFE 密封並非可互換的同一種產品。試片滲透係數低，不能證明完整密封具備足夠接觸應力、可接受的冷流、低界面洩漏或合適的動態耐磨性。

若要依介質、運動、溫度與硬體條件進行更完整的選型，請參閱[氣動氣缸密封材料指南](/zh-hant/blog/which-seal-material-maximizes-your-pneumatic-cylinder-performance-and-longevity/)。滲透性應是評估表中的一項證據，而不是唯一選型標準。

## 氣體種類與溫度會改變結果

在 Parker 公布的表格中，NBR 的氮氣係數從 20°C 時的 0.5 升至 80°C 時的 14，相差 28 倍；對氦氣而言，NBR 則從 25°C 時的 8 升至 80°C 時的 66。這些數值說明，室溫空氣數據無法驗證高溫氦氣應用（[Parker O 型環手冊](https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/Praedifa/Catalogs/Catalog_O-Ring-Handbook_PTD5705-EN.pdf)，2024）。

溫度會同時改變擴散、溶解度、密封壓縮量、潤滑劑黏度及硬體尺寸。阿瑞尼斯關係可能適用於某配方已驗證的溫度區間，但「每升高 20°C 就加倍」這類通則不能取代實測數據。外插時可能跨越材料轉變區，造成很大誤差。

壓力也需同樣審慎處理。穩態模型可能假設滲透量與壓差成正比，但材料內部的氣體濃度需要時間才能接近平衡。初始暫態、浸泡時間、壓力歷程及洩壓速率都可能影響結果，厚截面或高壓氣體尤其如此。

快速洩壓是另一類失效問題。彈性體吸收的氣體若膨脹速度快於逸出速度，可能形成起泡、裂紋或凹坑。Parker 稱此現象為爆炸性減壓，並依氣體、壓力、配方、截面尺寸及減壓條件進行評估。滲透係數低的配方，不一定就是最適合快速減壓環境的配方。

比較表應按測試條件建立，而不是按行銷名稱排列：

| 必要欄位 | 此欄位為何會影響可比性 |
| --- | --- |
| 確切配方與批次 | 聚合物家族名稱會掩蓋配方差異 |
| 測試氣體與純度 | 擴散率與溶解度因氣體而異 |
| 溫度 | 係數可能出現數量級變化 |
| 壓力與分壓 | 驅動力是該氣體的特定壓差 |
| 試片厚度與幾何形狀 | 速率、透氣率與滲透係數是不同的量 |
| 預處理與濕度 | 吸收的水分及先前暴露可能影響結果 |
| 方法與單位 | 不同程序與單位基準不能在未說明的情況下混用 |

## 壓力衰減測試能否區分氣體滲透與洩漏？

ASTM D1434 使用含水量變化為 0% 的乾燥氣體（[ASTM D1434-23](https://store.astm.org/standards/d1434)，2023），並明確指出其薄膜測試程序未包含密封件測試。因此，氣缸保壓測試是在不同條件下量測完整組裝系統；若沒有額外控制，不能把觀察到的壓力變化中某一部分標示為氣體滲透。

壓力也會隨溫度改變。對剛性容積內固定氣體量而言，即使只有小幅溫度漂移，也會改變壓力表讀值。解讀衰減前，應記錄絕對壓力、氣體溫度、環境溫度、有效容積、閥件狀態、活塞位置及穩定時間。

採用定容理想氣體近似時，可用下式初步計算經溫度修正的氣體量變化：

Δ n = V R ( p 1 T 1 − p 2 T 2 ) \Delta n = \frac{V}{R}\left(\frac{p_1}{T_1}-\frac{p_2}{T_2}\right)

其中， Δ n \Delta n 是氣體量的變化， V V 是經校正的測試容積， R R 是氣體常數， p 1 p_1 與 p 2 p_2 是絕對壓力， T 1 T_1 與 T 2 T_2 是絕對溫度。此方程式得出的是表觀總損失，無法辨識損失路徑。

可辯護的調查應採用下列控制：

- 隔離閥件、接頭、氣口、管路與儀器，或先確認其特性。

- 在計時保壓前，先讓測試件與氣體溫度穩定。

- 重複測試時，使用相同的活塞位置與有效容積。

- 以合適的洩漏檢測方法檢查外部路徑。

- 迴路允許時，另行量測活塞旁通。

- 在不只一種壓力與保壓時間下重複測試。

- 把剩餘損失與特定配方的滲透估算值比較。

- 以治具或元件測試確認關鍵結果。

[壓力衰減洩漏率計算器](/zh-hant/online-tools/pressure-decay-leak-rate-calculator/)可將受控壓力變化與已知容積換算成表觀總損失。請把結果視為測量邊界內的總量，而不是分子滲透的證明。

> Figure: 只有當材料係數的測試條件與應用相符，且完整組件已在機械洩漏路徑受控的情況下完成測試，該係數才具有實用意義。

## 測試標準實際能證明什麼？

兩項現行參考標準清楚顯示其適用邊界：ASTM D1434-23 對塑膠薄膜與片材採用壓力計法；ISO 15105-2:2025 則規定薄膜、片材、積層材料、共擠材料或柔性塗層材料的等壓氣體傳輸測試方法。兩者的標題都未宣稱可驗證完整氣缸（[ASTM](https://store.astm.org/standards/d1434)，2023；[ISO](https://www.iso.org/standard/91001.html)，2025）。

ASTM D1434 可報告氣體傳輸速率、透氣率，以及適用均質材料的滲透係數。該標準也把這些量測稱為半定量估算，並提醒測試方法與實驗室都可能影響結果。ASTM 指出，買賣雙方若要把此方法用作仲裁依據，應先確認彼此量測的是同一個量。

ISO 15105-2:2025 提供等壓法，並說明適用的塑膠試片形式。供應商需要公認的試片測試方法時，此標準很有用；但結果仍須與實際密封配方、成型製程、壓縮量、幾何形狀、表面接觸及硬體條件建立關聯。

對動態氣缸密封而言，材料測試與元件測試應作為兩個獨立的證據層：

- 試片數據用於在受控條件下初篩配方；

- 尺寸檢查用於確認密封件與溝槽；

- 治具測試用於隔離特定密封配置；

- 氣缸測試涵蓋硬體、組裝、閥件、界面及運動；

- 應用測試確認實際溫度、工作循環、氣體及保壓要求。

採購規格應如何撰寫？先列明必要的測試方法與試片條件，再加入元件層級驗收測試，明確規定受控溫度、絕對壓力、有效容積、持續時間、容許總損失、閥件邊界及量測不確定度。

## 工程師選擇密封件前應明確規定哪些條件？

Parker 的近似模型需要 5 項明確輸入，但有效的應用評估不能只看方程式，還必須掌握確切配方、氣體、溫度、壓力歷程、幾何形狀、運動、表面狀況及測試邊界。缺少其中任何一項，都可能讓看似精確的滲透數值與已安裝氣缸毫無關聯（[Parker O 型環手冊](https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/Praedifa/Catalogs/Catalog_O-Ring-Handbook_PTD5705-EN.pdf)，2024）。

應提供密封件供應商下列資料：

- 密封位置與功能；

- 輪廓、尺寸、壓縮率、溝槽圖面及表面粗糙度；

- 確切配方代號與硬度；

- 氣體組成、純度、濕度及潤滑劑暴露；

- 最低、正常及最高溫度；

- 連續壓力、峰值、停留時間、循環及洩壓速率；

- 靜態、往復、旋轉或擺動運動；

- 可接受的總損失與保壓時間；

- 預定採用的試片、治具及組件測試方法；

- 量測不確定度與驗收權責。

對動態密封，還要加入速度、行程、潤滑狀態、對準、磨耗餘量及污染條件。[動態與靜態密封指南](/zh-hant/blog/how-do-dynamic-vs-static-cylinder-seals-impact-performance-and-reliability/)說明，適用於端蓋 O 型環的配方，為何未必適合活塞或活塞桿界面。

化學相容性仍是另一項獨立門檻。若低滲透配方在實際介質中膨潤、硬化、龜裂或失去潤滑，就不是良好選擇。核准材料前，請交叉檢查[密封相容性評估方法](/zh-hant/blog/ensuring-gasket-and-seal-compatibility-in-pneumatic-cylinders/)。

成本比較應放在最後，而且必須先確認容積單位正確。假設計算結果為每年 2,200 公升，則年損失容積是 V l o s s = 2.2   m 3 V_{\mathrm{loss}} = 2.2\ \mathrm{m^3} ，不是 2,200 立方公尺。若假設成本為每立方公尺 0.03 美元，年成本為 C a n n u a l = 2.2 × 0.03 = U S D   0.066 C_{\mathrm{annual}} = 2.2 \times 0.03 = \mathrm{USD}\ 0.066 。在宣稱節省成本前，應把此結果與材料價差比較。

這項算術往往會改變工作優先順序。即使能源成本很低，分子滲透仍可能對純度、真空、特殊氣體、長時間隔離保壓或安全要求具有決定性影響。但在一般壓縮空氣工廠中，修復可量測的機械洩漏，可能比採購較低滲透係數的配方帶來更高價值。

## 氣缸密封氣體滲透常見問題

Parker 的近似模型使用 5 項輸入，手冊並針對 4 種氣體提供各自的係數表；ASTM D1434 則警告，薄膜量測屬半定量估算，而且不測試密封件。以下回答把壓力衰減診斷、材料排名、壓縮率、標準及 RFQ 決策，限制在這些文件所支持的範圍內（[Parker](https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/Praedifa/Catalogs/Catalog_O-Ring-Handbook_PTD5705-EN.pdf)，2024；[ASTM](https://store.astm.org/standards/d1434)，2023）。

### 壓力衰減測試能否證明氣缸密封正在發生氣體滲透？

不能。壓力衰減量包含所選測量邊界內的溫度變化、儀器誤差、閥件洩漏、接頭洩漏、活塞旁通、表面通道及材料本體滲透。應控制溫度與容積、確認機械洩漏路徑，再將剩餘損失與特定配方的估算值比較。若氣體滲透本身是驗收標準，應使用專用治具。

### PTFE 一定是氣體滲透率最低的氣缸密封材料嗎？

不能在未指定氣體、PTFE 等級、蓄能元件、溫度、壓力、試片方法、幾何形狀及安裝接觸狀態時建立通用排名。原生、改質與填充 PTFE 的特性各不相同；材料滲透係數低，也不保證界面洩漏低或動態磨耗可接受。應在相同條件下比較確切產品數據，並測試完整密封配置。

### ASTM D1434 數據能否認證完整的氣動氣缸？

不能。ASTM D1434 適用於塑膠薄膜與片材的氣體傳輸，並明確指出其方法未包含密封件測試。當試片與條件已有記錄時，結果可用於材料初篩；完整氣缸仍須進行元件層級的保壓或洩漏測試，並明確規定溫度、容積、壓力、閥件邊界、持續時間與不確定度。

### 增加 O 型環壓縮率一定能降低氣體損失嗎？

不能。Parker 的近似模型包含壓縮率及潤滑修正，但仍是帶有幾何假設的粗略模型。過度壓縮可能提高摩擦、裝配力、熱量、磨耗及壓縮永久變形，也可能使溝槽容積不足。應遵循所選 O 型環的溝槽設計指引，並驗證實際動態工況，而不是為了追求單一計算值而盡量提高壓縮率。

### 密封件 RFQ 應包含哪些氣體滲透資料？

應指定確切配方、密封輪廓與尺寸、氣體與純度、濕度、潤滑劑、溫度、絕對壓力與壓差、浸泡及洩壓歷程、運動方式、壓縮率、表面粗糙度、認可的測試方法、試片厚度、單位、保壓時間、總損失上限、測量邊界與不確定度，並要求供應商分開提供試片證據與完整元件驗收結果。