浸透

物理学および工学において、透過（浸透とも呼ばれる）とは、透過物（液体、気体、蒸気などの流体）が固体に浸透することである。これは、透過物の濃度勾配、材料の固有透過率、および材料の質量拡散率に直接関係している。^{[ 1 ]}透過は、フィックの拡散法則などの方程式によってモデル化され、ミニ透過計などのツールを使用して測定することができる。

透過とは、透過物質と呼ばれる分子が膜または界面を介して拡散する過程です。透過は拡散によって起こり、透過物質は界面を介して高濃度から低濃度へと移動します。半透膜が存在する場合、物質は半透性になります。このような膜を透過できるのは、特定の性質を持つ分子またはイオンのみです。これは、血管内の体液を調節・制御する必要がある生物学において非常に重要なメカニズムです。透過は、金属、セラミック、ポリマーなど、ほとんどの物質で起こり得ます。ただし、金属の透過性は、結晶構造と多孔性のため、セラミックやポリマーよりもはるかに低くなります。

ポリマーは高い透過性を持つため、多くのポリマー用途において透過性を慎重に考慮する必要があります。透過性は、相互作用の温度だけでなく、ポリマーと透過物質の両方の特性にも依存します。吸着プロセスを通じて、透過物質の分子は界面で吸着または脱着されます。物質の透過性は、特定の物質を透過する物質の透過性を定量化する様々な方法で測定できます。

拡散による透過率は、SI 単位の mol/(m･s･Pa) で測定されますが、Barrer も一般的に使用されます。拡散による透過率は、多孔質固体内の流体の流れによる透過率 (地球科学)と混同しないでください。透過率は Darcy で測定されます。^{[ 2 ] [ 3 ]}

• 透過性：固体内部を透過する物質、種、イオン、分子。
• 半透性：ある物質が、特定の物質に対してのみ透過性を持ち、他の物質に対しては透過性を持たず、透過性を持つ性質。
• 透過率測定：特定の物質に対する材料の透過性を定量化する方法。

• 包装：包装（材料、シール、蓋など）の透過性は、包装内容物の感度と指定された保存期間に合わせる必要があります。^{[ 4 ]}一部の包装はほぼ気密シールが必要ですが、他の包装は選択的に透過性があっても構いません（場合によってはそうする必要があります）。^{[ 5 ]}したがって、正確な透過率に関する知識は不可欠です。^{[ 6 ]}

• タイヤ：タイヤの空気圧はできるだけゆっくりと低下させるべきです。優れたタイヤとは、ガス漏れが最も少ないタイヤです。タイヤは時間の経過とともに浸透していくため、最も効率的なタイヤを作るには、タイヤを構成する素材のガス透過率を把握しておくことが重要です。
• 絶縁材料：絶縁材料の水蒸気透過性は、海底ケーブルの場合と同様に、導体を腐食から保護するために重要です。
• 燃料電池：自動車には、大気中の水素燃料と酸素を電気に変換するために、高分子電解質膜（PEM）燃料電池が搭載されています。しかし、これらの燃料電池が生成する電力は約1.16ボルト程度です。車両を動かすには、複数の燃料電池を積み重ねて使用します。この積み重ねた燃料電池の出力は、個々の燃料電池の数とサイズによって決まります。
• 熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂製の配管：高圧下で水を輸送することを目的とした配管は、配管壁を通して外面に水が浸透していることが検出された時点で、故障したとみなされます。
• 医療用途：浸透は、医療分野における薬剤送達にも見られます。ポリマー材料で作られた薬剤パッチには、溶解度を超える量の薬剤が充填された化学物質貯蔵部があり、接触によって体内に移行します。化学物質が体内に放出されるためには、濃度勾配に従ってポリマー膜を透過および拡散する必要があります。貯蔵部の溶解度が高すぎるため、薬剤の輸送はバースト・アンド・ラグ機構に従います。パッチが皮膚に接触すると薬剤の移行速度は速くなりますが、時間が経過するにつれて濃度勾配が確立され、薬剤の送達速度は一定になります。これは薬剤送達において非常に重要であり、Ocusertシステムなどの場合に利用されています。しかし、医療分野では逆のケースも見られます。アンプルには注射用の非常に敏感な医薬品が含まれている可能性があるため、使用される材料が医薬品へのあらゆる種類の物質の侵入や蒸発を防ぐことが重要です。このため、アンプルはガラスで作られることが多く、合成材料で作られることはあまりありません。
• 技術的な用途：ハロゲンランプの製造において、ハロゲンガスは非常に密閉された状態で封入する必要があります。アルミノケイ酸ガラスは、ガス封入のための理想的なバリアとなり得ます。この際、電極への移行が重要となります。しかし、ガラス本体と金属の熱膨張率が一致するため、移行は円滑に行われます。

フィルムや膜の透過は、任意の気体または液体で測定できます。^{[ 7 ]} 1 つの方法では、試験用フィルムで分離された中央モジュールを使用します。試験用ガスはセルの片側から供給され、透過したガスは掃引ガスによって検出器に運ばれます。右の図は、通常ステンレス鋼などの金属で作られたフィルムの試験用セルを示しています。写真は、リービッヒコンデンサーに似たガラス製のパイプの試験用セルを示しています。試験媒体（液体または気体）は内側の白いパイプに配置され、透過物はパイプとガラス壁の間の空間に収集されます。それは、掃引ガス（上下のジョイントに接続）によって分析装置に運ばれます。

透過性は、断続的な接触によっても測定できます。この方法では、試験対象の化学物質のサンプルを採取し、透過性を観察する材料の表面に置き、同時に特定の量の試験対象化学物質を加えたり取り除いたりします。一定時間経過後、材料を分析して、その構造全体に存在する試験対象化学物質の濃度を調べます。化学物質が材料上に存在していた時間と試験対象材料の分析結果を組み合わせることで、試験対象化学物質の累積透過量を求めることができます。

以下の表は、シリコーン膜を透過する特定のガスの計算された透過係数の例を示しています。

* 1 Barrer = 10 ⁻¹⁰ cm ³ (STP) · cm /cm ² · s · cm-Hg

 特に明記されていない限り、透過率は 25 °C (RTP)で測定され報告され、 (STP) ではありません。 WL Robb 著「薄いシリコーン膜 - その透過特性といくつかの用途」、Annals of the New York Academy of Sciences  、第 146 巻、(1968 年 1 月) 第 1 号 Materials、pp. 119–137 ^{[ 8 ]}より引用。

固体を通過する透過物質の質量流量または流れは、フィックの第一法則によってモデル化することができる。

${\displaystyle {\bigg .}J=-D{\frac {\partial \varphi }{\partial x}}{\bigg .}}$

この方程式は、膜透過を近似する基本的な問題に使用できる非常に単純な式に修正することができる。

${\displaystyle {\bigg .}J=-D{\frac {C_{2}-C_{1}}{\delta }}{\bigg .}}$

どこ

• ${\displaystyle J}$「拡散流束」とは
• ${\displaystyle \,D}$拡散係数または質量拡散率
• ${\displaystyle C}$透過液の濃度
• ${\displaystyle \,\delta }$膜の厚さ

紹介できます${\displaystyle S}$この式に、吸着平衡パラメータ、すなわち圧力と圧力の比例定数を代入します（${\displaystyle p}$） そして${\displaystyle C}$この関係は次のように表すことができます。${\displaystyle C=Sp}$。

${\displaystyle {\bigg .}J=-D{\frac {S(p_{2}-p_{1})}{\delta }}{\bigg .}}$

拡散係数は吸着平衡パラメータと組み合わせることで、最終的な方程式の形が得られます。${\displaystyle P}$膜の透過性である。${\displaystyle P=SD}$

${\displaystyle {\bigg .}J=-{\frac {P(p_{2}-p_{1})}{\delta }}{\bigg .}}$

金属に浸透する気体を扱う実用例では、気体の圧力と濃度を関連付ける方法があります。多くの気体は気相では二原子分子として存在しますが、金属に浸透する際には単一のイオンとして存在します。シーベルツの法則によれば、二原子分子の形態の気体の金属への溶解度は、その気体の分圧の平方根に比例します。

この場合、フラックスは次の式で近似できる。

${\displaystyle {\bigg .}J=-D{\frac {(S_{1}-S_{2})}{\delta }}{\bigg .}}$

紹介できます${\displaystyle K}$この式に、反応平衡定数を表す値を代入します。${\displaystyle S={K{\sqrt {p_{N}}}}}$。

${\displaystyle {\bigg .}J=-D{\frac {K({\sqrt {p_{1}}}-{\sqrt {p_{2}}})}{\delta }}{\bigg .}}$

拡散係数を反応平衡定数と組み合わせると、最終的な方程式が得られる。${\displaystyle P}$膜の透過性である。${\displaystyle P=KD}$

${\displaystyle {\bigg .}J=-{\frac {P({\sqrt {p_{1}}}-{\sqrt {p_{2}}})}{\delta }}{\bigg .}}$

• 水蒸気透過率– 物質を通過する水蒸気の量を測定したもの
• 酸素透過率– 包装材の透過性の指標
• 二酸化炭素透過率
• 気密シール– 気密シール
• 透水性（地球科学）－多孔質材料が流体を通過させる能力の尺度

• Yam, KL、『包装技術百科事典』、John Wiley & Sons、2009年、ISBN 978-0-470-08704-6
• Massey, LK、『プラスチックとエラストマーの透過性特性』、2003年、Andrew Publishing、ISBN 978-1-884207-97-6
• ASTM F1249 変調赤外線センサーを用いたプラスチックフィルムおよびシートの透過水蒸気率の標準試験方法
• ASTM E398 動的相対湿度測定を用いたシート材料の水蒸気透過率の標準試験方法
• ASTM F2298 動的水分透過セルを用いた衣料材料の水蒸気拡散抵抗および空気流抵抗の標準試験方法
• F2622 各種センサーを用いたプラスチックフィルムおよびシートを介した酸素ガス透過率の標準試験方法
• G1383：断続接触条件下における保護服材料を介した液体および気体の透過に関する標準試験方法。
• Robb, WL (1968年1月)「薄いシリコーン膜 ― その透過特性といくつかの応用」ニューヨーク科学アカデミー紀要146 (1): 119–137 . Bibcode : 1968NYASA.146..119R . doi : 10.1111/j.1749-6632.1968.tb20277.x . PMID 5238627 . 
• 医薬品送達のための医薬品システム、David Jones; Chien YW. 第2版。ニューヨーク：Marcel Dekker, Inc; 1993年。新規医薬品送達システム。
• Malykh, OV; Golub, A.Yu.; Teplyakov, VV (2011年5月)「高分子膜材料：永久ガス、線状低級炭化水素、および一部の有毒ガスに関連するガス透過性パラメータの予測に対する経験的アプローチの新しい側面」Advances in Colloid and Interface Science . 164 ( 1–2 ): 89–99 . doi : 10.1016/j.cis.2010.10.004 . PMID 21094931 . 
• CheFEM 3 は、ポリマーとその複合材料の透過を予測するための状態方程式ベースの FEM ソフトウェアです。CheFEM 3 ソフトウェア。