Что такое прибор для измерения кислородопроницаемости барьерных пленок?

Прибор для измерения кислородопроницаемости барьерных пленок определяет, насколько легко кислород проходит через материал в контролируемых условиях. Основным результатом обычно является скорость проникновения кислорода (OTR): объем кислорода, проходящий через заданную площадь за определенное время при указанных условиях испытания. Результаты обычно выражают в см³/(м²·сут), указывая рядом со значением температуру, влажность и условия по кислороду с обеих сторон образца.

OTR характеризует свойства испытанного образца при конкретных условиях; это значение не следует считать универсальной константой материала. Для однородного материала проницаемость можно рассчитать на основе данных о проницаемости, толщины и разности парциальных давлений кислорода, если соблюдаются допущения выбранного метода. Многослойные пленки, покрытия и материалы, чувствительные к влажности, требуют особого внимания, поскольку одной толщины может быть недостаточно для прогнозирования их барьерных свойств.

Испытания на OTR помогают разработчикам упаковки сравнивать возможные структуры, контролировать стабильность производства и выявлять изменения, способные повлиять на защиту продукта. Низкий OTR может быть важен для продуктов питания, фармацевтической продукции и электроники, чувствительных к кислороду, однако целевое значение зависит от продукта, площади упаковки, процесса фасовки и предполагаемого срока хранения. Данные по пленке следует рассматривать совместно с герметичностью швов и характеристиками готовой упаковки.

Как проводятся испытания на кислородопроницаемость

Образец зажимают между двумя камерами, задавая таким образом открытую для испытания площадь. Прибор создает разные условия по кислороду с обеих сторон, и кислород проходит через пленку в сторону с более низким парциальным давлением. В зависимости от метода детектор измеряет количество кислорода, поступающего в принимающую камеру, либо прибор отслеживает изменение давления. В ходе испытания контролируют или регистрируют температуру и, при необходимости, относительную влажность.

В распространенной конфигурации с датчиком газ-носитель переносит прошедший через материал кислород к детектору. ASTM D3985 описывает кулонометрический метод с датчиком для пластмассовых пленок и листов при заданных условиях, а ASTM F1927 — измерение проницаемости пластмассовых пленок и листов для кислорода с помощью кулонометрического детектора при контролируемой относительной влажности. ISO 15105-2 устанавливает метод равного давления для пластмассовых пленок и листов. Перед указанием метода испытания следует проверить актуальную редакцию стандарта и применимость метода.

Продолжительность испытания зависит от материала, толщины образца, условий в камерах и времени, необходимого для достижения конечной точки метода или критериев установившегося состояния. Перед принятием результата проверьте отсутствие утечек в области образца, достаточность кондиционирования, правильность калибровки или проверки прибора и стабильность условий окружающей среды. Результат, близкий к пределу обнаружения прибора, требует особого внимания; при сравнении пленок с высокими барьерными свойствами следует учитывать предел количественного определения и неопределенность измерений.

Основные типы приборов и выбор метода

Приборы для измерения проницаемости кислорода можно сравнивать по принципу измерения. Кулонометрические системы с датчиком широко применяются для измерения OTR пленок и, в зависимости от прибора, могут быть оснащены контролем влажности. В других системах используются методы, основанные на измерении давления, или другие типы кислородных датчиков. Выбранный метод определяет требования к газам, подготовке образца, диапазону измерений и сопоставимости с существующими спецификациями, поэтому одного лишь типа детектора недостаточно для оценки пригодности прибора.

ASTM D1434 описывает метод дифференциального давления для определения характеристик газопроницаемости пластмассовых пленок и листов; ISO 15105-1 также устанавливает метод дифференциального давления. Эти методы не обеспечивают автоматической сопоставимости результатов с результатами испытаний кислорода методом равного давления. Важны выбор газа, перепад давления, влажность и порядок расчета. При замене ранее применявшегося метода или квалификации поставщика согласуйте исследование корреляции на репрезентативных материалах при одинаковых условиях испытания.

Важна и конфигурация прибора. Одна испытательная ячейка может подойти для периодических исследований и разработки, а несколько ячеек способны увеличить производительность, если образцы можно испытывать в требуемых условиях. Проверьте, работают ли ячейки независимо, доступен ли контроль влажности с обеих сторон и поддерживает ли прибор необходимые лаборатории размеры образцов и единицы измерения. Для готовых упаковок могут потребоваться специальные приспособления или иной метод испытания, чем для плоских пленок.

Применение, стандарты и смежные испытания упаковки

Производители пленок используют данные OTR для контроля экструзии, нанесения покрытий, ламинирования и изменений материалов. Переработчики упаковочных материалов и владельцы брендов применяют их для сравнения структур и изучения различий между поступающими партиями. Специалисты по упаковке пищевой и фармацевтической продукции могут использовать результаты при разработке упаковки и проведении исследований стабильности. Производители электроники и других продуктов, чувствительных к влаге или кислороду, могут учитывать данные о барьерных свойствах при оценке защитных слоев, если условия испытания соответствуют предполагаемому применению.

Стандартный метод испытания сам по себе не является разрешением на продажу и не заменяет требования, установленные для конкретного продукта. До проведения испытаний согласуйте с заказчиками редакцию стандарта, кондиционирование, температуру, относительную влажность, воздействие кислорода, единицы измерения и критерии приемки. Для регулируемой продукции отдельно оцените применимые требования к упаковке и продукту. Сравнивая отчеты разных лабораторий, изучайте полный метод и неопределенность измерений, а не только основное значение OTR.

Кислородопроницаемость — лишь один из параметров характеристик упаковки. На защиту также могут влиять проницаемость для влаги, прочность швов и утечки. В ассортимент оборудования Paratronix входят приборы для измерения проницаемости водяного пара, прочности на утечку и прочности сварных швов, а также приборы для неразрушающего контроля микропротечек; они могут использоваться для более комплексной оценки упаковки при условии, что оборудование подобрано с учетом соответствующего материала и метода. Покупателям, которым требуются испытания на проницаемость кислорода, следует напрямую уточнить у компании наличие подходящего прибора для измерения OTR и его характеристики.

Как выбрать, установить и обслуживать прибор для измерения OTR

Начните с ожидаемого диапазона OTR ваших материалов и предельного значения, установленного в спецификации. Запросите у поставщиков заявленный диапазон измерений прибора, предел обнаружения, данные о точности или неопределенности и условия, при которых эти показатели применимы. Убедитесь в совместимости с требуемым стандартом, настройками температуры и влажности, площадью испытания и толщиной образца. По возможности запросите демонстрацию или пробное испытание репрезентативных образцов с высокими, средними и низкими барьерными свойствами.

До установки обсудите с поставщиком требования к лабораторному помещению, электропитанию, чистоте и давлению газов, отводу отработанных газов, стабильности условий окружающей среды и подключению для передачи данных. Определите процедуры отбора, кондиционирования, обращения с образцами и их установки. Предусмотрите проверку уплотнений на повреждения и герметичности камер, поскольку утечки по краям могут исказить результаты испытания пленки. Документируйте обучение операторов и разработайте форму отчета, содержащую метод и условия испытания, идентификацию образца и любые отклонения.

Устанавливайте интервалы калибровки, проверки и технического обслуживания на основе инструкций производителя, применимых требований системы качества, интенсивности использования прибора и наблюдаемой стабильности. В плановые проверки могут входить использование подходящих эталонных материалов, проверка герметичности, осмотр уплотнений и газовых линий, а также оценка работы детектора. Ведите записи о сервисном обслуживании, замене расходных материалов и случаях выхода параметров за допустимые пределы. Если прибор не проходит проверку, оцените результаты, которые могли быть затронуты, прежде чем возобновить его эксплуатацию.

Общая стоимость, решения о закупке и будущие тенденции

Цена покупки — лишь часть общей стоимости прибора для измерения кислородопроницаемости барьерных пленок. Запланируйте расходы на установку, обучение, испытательные газы, эталонные материалы, уплотнения, датчики, калибровку, программное обеспечение и сервисное обслуживание. Учитывайте также время оператора, длительность испытания, подготовку образцов и простой оборудования. При выборе многокамерного оборудования сравнивайте стоимость одного пригодного к использованию результата при реалистичной загрузке, а не исходите из предположения, что максимальное число ячеек всегда обеспечивает наилучшую окупаемость.

Оцените целесообразность покупки, сравнив текущие затраты и сроки выполнения заказных испытаний с ожидаемым объемом исследований внутри компании, кадровыми ресурсами и требованиями к качеству. Собственная лабораторная возможность может сократить циклы разработки и расследования проблем, однако при небольшом количестве испытаний выгоднее могут оказаться внешние лаборатории. Запросите у потенциальных поставщиков письменное коммерческое предложение, в котором указаны конфигурация, поддерживаемые методы, сроки поставки, обучение, условия гарантии, доступность сервиса и регулярные расходы на расходные материалы. Уточните, какие заявленные характеристики можно подтвердить на ваших образцах.

Растущий спрос на перерабатываемые упаковочные структуры, более тонкие материалы и покрытия с более стабильными барьерными свойствами повышает необходимость оценки характеристик в реалистичных условиях влажности и обращения с материалом. Лаборатории могут также уделять больше внимания прослеживаемости цифровых записей и сопоставимости данных между площадками. Чтобы обсудить с paratronix более широкую программу испытаний упаковки, подготовьте спецификации материалов, требуемый диапазон OTR, применимые стандарты, объем образцов и желаемые сроки выполнения; запросите подтверждение наличия оборудования и поддержки для каждого испытания.