Как работает прибор для измерения кислородопроницаемости по ASTM D3985?

Как производителям определить, насколько эффективно упаковочный материал защищает от кислорода? Прибор для измерения кислородопроницаемости по ASTM D3985 определяет скорость проницаемости пластиковой пленки и листового материала для кислорода с помощью кулонометрического датчика. Образец разделяет камеру с кислородом и камеру с газом-носителем, а прибор в контролируемых условиях обнаруживает кислород, проходящий через материал. Понимание этого процесса помогает исследователям и специалистам по качеству оценивать барьерные свойства и выбирать подходящие материалы для чувствительной продукции.

Этот результат полезнее, чем простое описание вроде «высокие барьерные свойства». Он представляет собой измеряемую скорость, полученную при заданных условиях. Однако это уточнение имеет большое значение: проницаемость для кислорода зависит от материала, температуры, влажности и условий испытания. Число без этих сведений легко истолковать неверно.

Принцип измерения: прохождение кислорода через пленку

ASTM D3985 описывает метод измерения проницаемости пластиковой пленки и листового материала для кислорода с помощью кулонометрического датчика. В типичной испытательной ячейке образец герметично закрепляют между двумя камерами. С одной стороны подают кислород или испытательный газ, содержащий кислород, а с другой пропускают не содержащий кислорода газ-носитель.

Разница парциального давления кислорода по обе стороны образца создает движущую силу для его проникновения. Молекулы кислорода растворяются в материале, диффундируют через него и выходят со стороны газа-носителя. Затем газ-носитель переносит их к кулонометрическому датчику.

В датчике кислород участвует в электрохимической реакции, генерирующей электрический сигнал. Сигнал пропорционален количеству кислорода, поступившему к детектору, что позволяет прибору рассчитать скорость проницаемости для кислорода через открытую площадь образца. Прибору не требуется выявлять видимые отверстия или отслеживать отдельные молекулы: он измеряет количество кислорода, поступившего на выходную сторону.

Важно различать проницаемость сплошной пленки и утечку через дефектный шов. Оба явления могут привести к попаданию кислорода в упаковку, но это разные механизмы, для оценки которых могут потребоваться разные испытания.

Что происходит во время испытания?

Подготовка начинается до помещения образца в ячейку. Образец должен представлять оцениваемый материал, не иметь случайных повреждений и быть подготовлен в соответствии с применимой процедурой. Складки, загрязнения или царапины могут исказить результат, особенно если материал обладает очень низкой кислородопроницаемостью.

Оператор устанавливает пленку в испытательную ячейку и герметизирует ее по периметру заданной открытой площади. Сторону газа-носителя продувают, чтобы удалить остаточный кислород, после чего прибор устанавливает заданную температуру и другие условия испытания. Затем на противоположную сторону образца подают испытательный газ, содержащий кислород.

Отклик датчика обычно меняется со временем. Необходимо удалить кислород, уже присутствующий в системе, а проницаемость материала должна выйти на стабильный уровень. В зависимости от материала и условий стабилизация может занимать значительную часть времени испытания. Если завершить измерение только потому, что прошло удобное количество времени, есть риск зафиксировать переходное значение вместо достоверного результата для установившегося режима.

После выполнения заданных критериев приемки прибор выдает скорость проницаемости для кислорода, обычно обозначаемую сокращением OTR. Лабораториям следует соблюдать требования соответствующей редакции ASTM D3985 и инструкции к прибору при подготовке и кондиционировании образцов, калибровке, измерениях и оформлении результатов. При передаче результатов следует указывать редакцию стандарта и любые согласованные отклонения от него.

Как интерпретировать результат OTR, не делая чрезмерных выводов

OTR характеризует объем кислорода, проходящего через заданную площадь материала за определенное время при указанных условиях испытания. Обычно показатель выражают в единицах, например см³/(м²·сут). Более низкий OTR означает, что при этих условиях через испытанный материал проходит меньше кислорода.

Это не означает автоматически, что одна упаковка обеспечит более длительный срок хранения, чем другая. У упаковки есть швы, определенная площадь поверхности и свободный объем, а продукт обладает собственной чувствительностью к кислороду. Помимо проницаемости пленки, значение могут иметь остаточный кислород внутри упаковки и кислород, проникающий через крышки или швы.

Для корректного сравнения учитывайте не только основное числовое значение:

• Температура: Проницаемость зависит от температуры. Результаты, полученные при разных температурах, нельзя считать напрямую сопоставимыми.
• Влажность: Влага может существенно влиять на некоторые барьерные материалы. Проверьте влажность с обеих сторон образца, а также возможность прибора контролировать и регистрировать ее для выбранного метода.
• Парциальное давление кислорода: Состав испытательного газа и разница давлений влияют на движущую силу проникновения.
• Толщина и структура: Сравнивайте фактически испытанные образцы, по возможности учитывая структуру слоев. Пленки из одного и того же номинального материала, но разной толщины, могут иметь разные значения OTR.
• Условия представления результатов: Уточните единицы измерения, открытую площадь, условия кондиционирования, метод испытания и то, относится ли результат к отдельному образцу или представляет собой сводное значение по повторным измерениям.

Значения проницаемости, приведенные к толщине, могут быть полезны при сравнении подходящих однородных материалов, однако их не следует механически применять ко всем многослойным структурам. В ламинате состав и целостность тонкого барьерного слоя могут иметь большее значение, чем общая толщина.

Почему стабильные условия особенно важны для материалов с высокими барьерными свойствами

Датчик может быть достаточно чувствительным для обнаружения очень малых количеств кислорода, но прибор все равно должен отличать кислород, прошедший через образец, от кислорода, попавшего в систему другим путем. Для пленки с высокими барьерными свойствами даже небольшая утечка вокруг уплотнения или остаточный фоновый сигнал могут составлять значительную часть показания.

Поэтому низкий предел обнаружения, указанный в спецификации, — лишь часть общей картины. Чистота газа, герметичность ячейки, проверка фонового сигнала, стабильность температуры и техническое обслуживание влияют на то, сможет ли лаборатория достоверно проводить измерения в нижней части предполагаемого диапазона. Важно спросить не только «Насколько низкое значение способен показывать датчик?», но и «Может ли вся система надежно измерить этот образец в наших условиях испытания?»

Проверка холостого опыта или другая системная проверка, предусмотренная применимой процедурой и инструкцией к прибору, может помочь выявить вклад фонового сигнала. Проверка на утечки также полезна, если результат неожиданно высок или не стабилизируется. Повторное измерение с новым образцом может помочь отличить проблему образца от ошибки установки или неисправности системы, однако само по себе совпадение повторных результатов не доказывает отсутствия систематической погрешности.

Испытание пленки — это не то же самое, что испытание готовой упаковки

Испытание плоской пленки хорошо подходит для разработки материалов, сравнения поступающих партий и контроля изменений структуры пленки. Оно позволяет оценить заданную площадь материала и упрощает анализ влияния изменений рецептуры или процесса на проницаемость для кислорода.

В готовом пакете, лотке или контейнере появляются дополнительные переменные. На проникновение кислорода могут влиять условия запайки, конструкция застежки, напряжения при формовании и локальные дефекты. Результаты испытания пленки могут помочь в оценке упаковки, но сами по себе не подтверждают барьерные свойства готовой упаковки.

Например, если значения OTR у двух образцов пленки близки, а готовые пакеты показывают разные результаты, дальнейшее исследование можно направить на целостность швов или конструкцию упаковки, а не исходить из предположения, что испытание материала было ошибочным. И наоборот, надежный шов не компенсирует неподходящую для продукта и предполагаемого срока хранения кислородопроницаемость пленки.

Для измерения проницаемости целой упаковки и проверки ее целостности могут применяться другие стандарты, приспособления и методы измерения. ASTM D3985 не следует представлять как универсальный метод для любых форм и размеров готовой упаковки. Подходящий метод зависит от объекта измерения и самого образца.

Сравнение приборов и методов испытания

Кулонометрическое обнаружение — один из способов измерения проницаемости для кислорода. В других приборах могут применяться иные принципы измерения или другие методы испытания. В некоторых случаях результаты сопоставимы, но нельзя исходить из их совпадения лишь потому, что в обоих отчетах указано «OTR». На сравнение могут влиять различия в условиях подачи газа, контроле влажности, подготовке образцов, расчетах и представлении результатов.

При оценке прибора для измерения кислородопроницаемости по ASTM D3985 в первую очередь учитывайте образцы, с которыми предстоит работать, а не максимальное количество функций. У лаборатории, проводящей скрининг обычных пластиковых пленок, требования могут отличаться от требований группы, измеряющей многослойные материалы с очень высокими барьерными свойствами. В обоих случаях заявленный диапазон измерений прибора должен охватывать предполагаемый OTR при фактической открытой площади и условиях испытания, а не только при неуказанных демонстрационных условиях.

Также стоит проверить, как контролируются температура и влажность, какие газы и расходные материалы необходимы, как выполняются калибровка и проверка фонового сигнала и какие данные сохраняет программное обеспечение. Для регулярного контроля качества практические вопросы герметизации, датчиков, запасных частей и обучения операторов могут быть не менее важны, чем чувствительность. При разработке материалов большую ценность могут иметь гибкость настройки условий и удобный доступ к истории измерений.

Paratronix Instruments Co., Ltd. разрабатывает и поставляет приборы для испытаний упаковки, предназначенные, в частности, для применения в производстве пластиковой и фармацевтической упаковки, а также материалов с высокими барьерными свойствами. При обсуждении прибора целесообразно начать с описания образца: структуры материала, ожидаемого уровня барьерных свойств, необходимых условий испытания и цели — сравнения материалов или оценки готовой упаковки.

Что делать, если результат выглядит неправдоподобным

Неожиданно высокий OTR не всегда означает, что рецептура пленки не соответствует требованиям. Проверьте образец на повреждения и складки, убедитесь в правильности его установки, а также проверьте уплотнение ячейки и газовые соединения. Затем оцените фоновый сигнал, условия испытания и состояние калибровки. Возможен и незаметный дефект барьерного слоя в ламинате, который внешне выглядит целым, поэтому важно учитывать место отбора образца и условия обращения с ним.

Необычно низкий или нестабильный результат также требует проверки. Возможно, образец еще не достиг необходимого состояния измерения, были выбраны неверные условия испытания или результат приближается к практическому пределу возможностей системы. Динамический сигнал прибора и результаты диагностических проверок информативнее, чем одно итоговое значение.

Прежде чем использовать результат для приемки материала или сравнения поставщиков, согласуйте условия испытания, отбор образцов и формат представления результатов. Если решение касается защиты продукта, а не только качества пленки, используйте измерение пленки как один из исходных параметров и определите, нужны ли также испытания на уровне готовой упаковки.