ASTM D3985 и ISO 15105-2 описывают методы с использованием датчиков для измерения проницаемости пластиковых пленок и листовых материалов для кислорода. Полученные результаты полезны для оценки барьерных свойств, однако общий принцип измерения не означает, что два приведенных значения можно автоматически считать взаимозаменяемыми. На результат влияют температура, влажность, разность парциальных давлений кислорода, подготовка образца, калибровка и критерий установления стационарной скорости проницаемости.

При сравнении методов или выборе анализатора кислородопроницаемости для барьерных пленок решающее значение имеет соответствие всех условий испытания предполагаемому применению и требованиям указанной редакции стандарта. Одного обозначения стандарта недостаточно, чтобы определить все условия, необходимые для воспроизведения измерения.

В чем методы совпадают и чем различаются

В обоих методах одну сторону закрепленного образца подвергают воздействию испытательного газа, содержащего кислород, и измеряют количество кислорода, прошедшего через материал на другую сторону. Газ-носитель переносит прошедший кислород к датчику. После стабилизации скорости переноса в выбранных условиях прибор рассчитывает скорость пропускания кислорода, обычно обозначаемую аббревиатурой OTR.

ASTM D3985 связан с кулонометрическим методом измерения с помощью датчика для пластиковых пленок и листовых материалов. ISO 15105-2 охватывает метод равного давления с использованием датчика кислорода и допускает применение различных принципов работы датчиков в рамках своей области применения. Конкретные требования определяются применимой редакцией стандарта и документированной процедурой прибора. Поэтому одних лишь характеристик датчика недостаточно, чтобы подтвердить, что конкретная конфигурация соответствует всем требованиям любого из этих методов.

В таблице указаны подходы к измерению, а не заменен нормативный текст. Прежде чем заявлять о соответствии, проверьте редакцию стандарта, действующую для данной работы, и соблюдайте ее требования к аппаратуре, кондиционированию, процедуре, расчетам и оформлению результатов. Спецификация заказчика или план квалификации материала также могут устанавливать конкретные условия в рамках метода.

Равное давление не означает отсутствия движущей силы

Кислород проходит через образец из-за разности его парциальных давлений по разные стороны пленки. Общее давление газа с обеих сторон может быть почти одинаковым, хотя концентрация кислорода высока со стороны испытательного газа и низка со стороны газа-носителя. Эта разница концентраций создает движущую силу для проницаемости.

Баланс давления важен, поскольку значительная разница общего давления может деформировать тонкий образец, нарушить герметичность уплотнения или вызвать поток через дефекты. Она также меняет условия измерения. Стабильное значение OTR на дисплее менее убедительно, если пленка выгнута, ячейка негерметична или расходы газа не подходят для измерительной схемы прибора.

Состав испытательного газа следует указывать вместе с результатом. Измерения, выполненные при существенно различающейся концентрации кислорода, имеют разный градиент парциального давления, даже если температура и влажность совпадают. Деление OTR на этот градиент может помочь при сравнении, если отклик материала достаточно пропорционален, однако это допущение следует подтвердить для конкретного материала и условий. Его не следует применять без проверки к многослойным структурам или условиям, при которых свойства материала меняются.

OTR, коэффициент проницаемости и проницаемость — разные величины

OTR — это количество кислорода, проходящего через заданную площадь пленки за определенное время при заданных условиях. Результаты часто выражают в кубических сантиметрах на квадратный метр в сутки. При сравнении значений из разных источников должны быть ясны условия, к которым приведен объем газа.

Коэффициент проницаемости для кислорода связывает измеренную скорость пропускания с разностью парциальных давлений кислорода. Его единицы включают единицу давления. Проницаемость дополнительно учитывает толщину образца; этот показатель наиболее просто интерпретировать для однородного материала с известной толщиной.

Для однородной пленки в подходящих условиях проницаемость обычно рассчитывают, умножая OTR на толщину и деля результат на разность парциальных давлений кислорода. Такой расчет предполагает, что приведенное значение OTR нормировано по площади и времени и используются согласованные единицы измерения. Расчет не может исправить нестабильные показания, неверно заданную открытую площадь или утечку по краям.

Нормировать результат по толщине сложнее для ламинатов и пленок с покрытием. Тонкое барьерное покрытие может определять основную часть сопротивления проникновению кислорода, тогда как на гораздо более толстый несущий слой приходится большая часть общей толщины. Умножение OTR на общую толщину дает расчетное значение, но не превращает многослойную структуру в однородный материал. Для сравнения готовых многослойных пленок OTR, измеренный в совпадающих условиях, зачастую является более наглядным показателем эффективности.

Аналогично, низкий OTR толстой пленки сам по себе не доказывает, что ее составляющий материал имеет меньшую внутреннюю проницаемость, чем более тонкая пленка. Для сравнения необходимо учитывать структуру материала, толщину и соответствующие условия испытания.

Влажность и температура могут изменить соотношение результатов

Температура влияет на диффузию кислорода в полимерах, а также может влиять на растворимость газа. Результат, полученный при одной температуре, не следует считать эквивалентным результату при другой температуре без подтверждающих данных. Это особенно важно при сравнении лабораторных сертификатов с характеристиками упаковки, предназначенной для хранения в охлажденных условиях или при повышенной температуре.

Относительная влажность может быть не менее важна для барьерных слоев, чувствительных к влаге. При сухом испытании материал может демонстрировать высокую стойкость к кислороду, тогда как воздействие влаги снижает барьерные свойства структуры с гидрофильным слоем. Влагостойкие слои с обеих сторон пленки могут замедлить это изменение, поэтому важны как история воздействия влажности и его продолжительность, так и номинальная заданная влажность.

Если метод и оборудование позволяют независимо регулировать влажность, регистрируйте ее с каждой стороны образца. Пленка, на одну сторону которой подается влажный газ, а на другую — сухой газ-носитель, испытывает иной градиент влажности, чем пленка, одинаково кондиционированная с обеих сторон. В случае асимметричного ламината изменение ориентации образца меняет сторону, обращенную к влажной среде. Это может повлиять на время стабилизации результата и измеряемые характеристики в заданных условиях.

Одного совпадения заданной влажности в камере недостаточно, чтобы подтвердить, что пленка достигла равновесия по влажности. Толстые образцы, образцы с покрытием и многослойные образцы могут реагировать медленно. Кратковременное испытание может зафиксировать переходное состояние, отражающее условия предыдущего хранения, а не заданные условия воздействия.

Стационарное состояние, фоновый сигнал и пределы обнаружения

Кислород не обязательно начинает проходить через пленку с постоянной скоростью сразу после подачи газов. Измеряемый сигнал может меняться, пока образец и газовый тракт не придут в равновесие. Для обоснованного определения конечного результата требуется критерий стабильности, установленный применимым методом или процедурой испытания; удобное время выдержки не заменяет этот критерий.

При очень низкой скорости переноса значительную часть измеряемого сигнала может составлять фоновый кислород. Его источниками могут быть остаточный кислород в тракте газа-носителя, утечки в соединениях, проникновение газа через уплотнения и загрязнение, попавшее внутрь при открывании ячейки. Измерение холостого образца или иная оценка фонового сигнала, выполненная согласно процедуре для оборудования, помогает установить, можно ли отличить сигнал образца от вклада системы.

Предположим, что показания двух пленок с высокими барьерными свойствами близки к подтвержденному нижнему пределу измерительных возможностей прибора. Небольшая разница между ними может быть следствием колебаний фонового сигнала или повторяемости измерений, а не достоверным различием характеристик пленок. Результат следует интерпретировать с учетом подтвержденного диапазона прибора, применимой неопределенности и любых ограничений на отчетность, предусмотренных процедурой.

Утечка в испытательной ячейке также может имитировать низкие барьерные свойства. Если результат неожиданно высок, проверьте уплотнение образца, открытую площадь и поверхность пленки, прежде чем приписывать значение материалу. Складки, частицы, попавшие под прокладку, точечные отверстия и повреждения от резки могут создавать пути, не связанные с проникновением кислорода через неповрежденную пленку. Напротив, кажущийся низким результат, полученный до достижения равновесия, может завышать барьерные свойства.

Подготовка образца влияет на смысл результата

Открытая испытательная площадь должна быть известна и надлежащим образом герметизирована. Неправильно заданная площадь напрямую влияет на расчет OTR, а поврежденная уплотняемая поверхность может пропускать кислород в обход предназначенной для испытания области образца. Образцы должны быть репрезентативны для оцениваемого материала; следует фиксировать историю их кондиционирования и любые видимые дефекты.

Для асимметричных структур важна ориентация пленки, особенно если обе стороны подвергаются воздействию различной влажности или газовой среды. Укажите, какая сторона обращена к газу, содержащему кислород, и сохраняйте эту ориентацию при сравнительных испытаниях. Если пленка имеет покрытие, печатный слой или обработку поверхности, значимые для конечного применения, укажите, присутствует ли эта особенность на открытой для испытания площади.

Следует учитывать и локальную неоднородность. Один небольшой образец может не выявить дефекты покрытия, вариации толщины или различия по ширине производственного полотна. Образцы для повторных измерений, отобранные из заданных зон, дают более полезную информацию о стабильности характеристик, чем повторные измерения на одном необычно однородном участке. Количество образцов и порядок их обработки для получения официального результата определяются применимым стандартом и спецификацией материала.

Сравнение результатов по двум стандартам

Сравнение наиболее обоснованно, если оба испытания проводят на образцах из одной партии материала, подготовленных и кондиционированных одинаковым образом. Согласуйте температуру, относительную влажность с каждой стороны, состав испытательного газа, разность парциальных давлений кислорода, правила определения открытой площади и ориентацию образца. Для каждого измерения документируйте принцип работы датчика, подход к калибровке, учет фонового сигнала и критерий стабильности.

Даже при согласованных условиях совпадение результатов необходимо подтвердить, а не предполагать. Различия в подаче газа, отклике датчика, уплотнениях и определении конечной точки могут влиять на результаты вблизи практических пределов метода. Повторные измерения и подходящий эталонный материал помогают отличить систематическое смещение метода от обычной вариации измерений. Эталонный материал должен подходить для оцениваемого диапазона OTR и условий испытания.

Если два отчета расходятся, сначала выясните, относятся ли они к сопоставимым величинам. Значения OTR и проницаемости имеют разные единицы и смысл; результат для сухих условий и результат для влажных условий описывают разное воздействие. Если эти детали совпадают, прежде чем заключать, что какой-либо метод непригоден, проверьте кондиционирование, стабилизацию и фоновый сигнал системы.

Технически полезный отчет указывает стандарт и его редакцию, описание и толщину образца, условия испытания, результат и единицы измерения, а также соответствующие отклонения от процедуры. Если результат близок к пределу отчетности или образец имеет асимметричную структуру, рядом со значением следует привести информацию, необходимую для понимания этого ограничения.