Тестер кислородопроницаемости измеряет проницаемость бумаги с покрытием: одну сторону герметично закреплённого образца подвергают воздействию кислородсодержащего газа и определяют, сколько кислорода достигает другой стороны. Прибор рассчитывает скорость передачи кислорода (OTR) по измеренному потоку кислорода и площади открытой поверхности образца в заданных условиях.

Результат характеризует свойства испытанного листа, а не покрытия отдельно. На количество проходящего кислорода могут влиять волокна бумаги, равномерность покрытия, точечные отверстия, влажность, температура и герметичность образца. Низкое значение OTR указывает на более высокие барьерные свойства по кислороду в указанных условиях испытания, но само по себе не позволяет определить, как поведёт себя готовая упаковка.

Что происходит, когда кислород проходит через бумагу с покрытием?

Бумага с покрытием редко представляет собой идеально однородный барьер. Бумажная основа состоит из сети волокон и пор, а покрытие образует слой, предназначенный для сокращения путей прохождения газов. В зависимости от материала и процесса нанесения покрытия кислород может проходить через само покрытие, его тонкие или прерывистые участки, а также через дефекты, например точечные отверстия и трещины.

Движение газа обусловлено разницей парциального давления кислорода по обе стороны образца. При типичном измерении одну сторону подвергают воздействию кислорода, а на другой поддерживают более низкую концентрацию кислорода. Кислород перемещается в сторону с более низкой концентрацией, где прибор измеряет количество кислорода, поступающего за определённое время.

В неповреждённом и относительно однородном покрытии перенос кислорода может происходить за счёт растворения газа в покрытии и его диффузии через него. Однако в материалах на бумажной основе дополнительные пути переноса могут создавать дефекты и открытые пористые участки. Тестер измеряет их совокупное влияние на открытой площади, но автоматически не определяет, какой именно путь обусловил результат.

Совместная работа испытательной ячейки и датчика

Основной компонент тестера кислородопроницаемости бумаги с покрытием — испытательная ячейка, в которой образец зажимается между двумя камерами. Прокладка или другое уплотнение задаёт открытую площадь и не позволяет газу проходить вокруг краёв, а не через образец.

В распространённой схеме с датчиком кислород или содержащий кислород испытательный газ подают с одной стороны образца. Газ-носитель с низкой концентрацией кислорода проходит по другой стороне и переносит прошедший через образец кислород к детектору. Детектор выдаёт сигнал, связанный с количеством кислорода в потоке газа-носителя, а прибор преобразует этот сигнал в скорость потока кислорода.

В разных приборах используются различные системы обнаружения и схемы подачи газа. В одних применяется датчик, чувствительный к кислороду; в других методах скорость прохождения газа определяют по изменению давления. Поэтому особенности подачи газа, калибровки и расчётов зависят от прибора и метода испытания. Все эти методы требуют соблюдения контролируемых условий и позволяют отличить кислород, прошедший через образец, от кислорода, поступившего через утечку или оставшегося в системе.

Прибор не просто снимает показания сразу после зажима образца. Для удаления остаточного кислорода может потребоваться продувка ячейки и газовых линий, а образцу — время для достижения стабильных условий прохождения кислорода. Изменение сигнала может быть связано с газом, оставшимся в системе, изменением влажности бумаги или временем, необходимым для стабилизации переноса кислорода через материал. Момент, когда можно зафиксировать результат, определяется применимым методом и процедурой работы с прибором.

От подготовки образца до получения значения OTR

Для получения достоверного результата требуется репрезентативный образец. Если цель — сравнить составы покрытий, подойдёт лист, вырезанный из гладкого неповреждённого участка. Если требуется оценить материал после фальцовки или переработки, образцы должны отражать такую обработку. Это разные задачи, и соответствующие испытания нельзя считать взаимозаменяемыми.

Образец должен подходить к испытательной ячейке и не иметь складок или повреждений в области уплотнения. Герметизировать бумагу с покрытием может быть сложнее, чем гладкую пластиковую плёнку, поскольку её поверхность может быть шероховатой или неровной. Плохое уплотнение может привести к кажущемуся повышению скорости прохождения газа, даже если само покрытие эффективно. И наоборот, если область измерения не охватывает локальные дефекты, неоднородный материал на большом листе может показаться более качественным, чем он есть на самом деле.

Перед испытанием образец кондиционируют в соответствии с выбранным методом. Бумага и многие материалы покрытий реагируют на влажность, поэтому важны температура, относительная влажность и история кондиционирования. Затем образец устанавливают в ячейку, задают испытательные газы и условия окружающей среды, а измерение продолжают до достижения конечной точки, предусмотренной методом.

Значение OTR обычно выражают как объём кислорода, прошедшего через единицу площади за единицу времени, например см³/(м²·сут). В отчёте также следует указать условия, при которых получено это значение, включая температуру, относительную влажность, воздействие кислорода или разницу парциального давления, а также метод испытания. Условия, к которым приведён объём газа, могут иметь значение при сравнении результатов из разных источников.

Например, значение OTR, полученное при воздействии чистого кислорода на одну сторону образца, нельзя напрямую сравнивать без оговорок со значением, полученным при другой концентрации кислорода. Движущая сила переноса в этих случаях различается. Аналогично, одинаковые на вид единицы измерения не гарантируют совпадения влажности и других условий испытания.

Почему влажность может изменить результат

Влажность особенно важна для бумаги с покрытием, поскольку и основа, и некоторые барьерные покрытия взаимодействуют с водой. Покрытие, эффективно ограничивающее прохождение кислорода в сухом состоянии, при повышенной относительной влажности может стать менее эффективным, если поглощённая влага изменит его структуру и облегчит перенос газа. Бумага также может поглощать влагу, изменяя свои размеры и влияя на покрытие или контакт между слоями.

Разные покрытия реагируют по-разному. Результат при одном уровне влажности характеризует свойства материала именно при этом уровне; без подтверждающих данных его нельзя надёжно использовать для прогнозирования свойств при другой влажности. Для материалов, которым предстоит работать в условиях изменяющейся влажности, измерения при соответствующих её уровнях позволяют определить, сохраняет ли кислородный барьер стабильность или чувствителен к влаге.

Значение может иметь и влажность с каждой стороны образца. Методы испытаний и приборы различаются по способам контроля или задания влажности, поэтому отчёт, в котором просто указана «высокая влажность», менее информативен, чем отчёт с конкретными условиями. По той же причине важно время кондиционирования: бумаге и покрытию нужно время, чтобы адаптироваться к выбранной среде.

Что показывает результат измерения о покрытии — и чего он не показывает

Значение OTR характеризует прохождение кислорода через весь образец в пределах испытательной площади. Если покрытие нанесено только на одну сторону, измеряемый лист всё равно включает и покрытие, и бумажную основу. Если структура содержит грунтовочные слои, дополнительные покрытия или ламинированные слои, учитывается их совокупный вклад.

Это различие важно при сравнении составов. Более низкое значение OTR у одной бумаги с покрытием не доказывает, что её химический состав покрытия сам по себе лучше, если у двух образцов также различаются сорт бумаги, масса покрытия или состояние поверхности. Для более достоверного сравнения следует, насколько это практически возможно, сохранять эти параметры одинаковыми и фиксировать оставшиеся различия.

Толщина покрытия и его равномерность — связанные, но не тождественные характеристики. Увеличение количества покрытия может улучшить равномерность слоя или увеличить расстояние, которое должен пройти кислород, однако эффект зависит от того, насколько равномерно сформирован слой и остались ли в нём дефекты. Даже покрытие с благоприятной средней массой может иметь локальные слабые места на шероховатой поверхности бумаги. Испытание на проницаемость учитывает влияние этих слабых мест на открытой площади, однако для их обнаружения и определения характера требуется отдельное исследование.

Следует также фиксировать ориентацию листа. Для идеального однородного слоя, испытанного в одинаковых условиях, переворачивание листа не обязательно изменит установившееся значение барьерных свойств. Однако реальная бумага с покрытием может быть асимметричной, и её переворачивание может изменить поверхность, контактирующую с прокладкой, или сторону, подвергаемую воздействию определённой влажности. Сохранение одинаковой ориентации позволяет корректно интерпретировать сравнения.

Почему повторные образцы могут давать разные результаты

Свойства бумаги с покрытием могут различаться по длине рулона или по площади листа. Различия в шероховатости основы, распределении покрытия, образовании складок или повреждениях при обращении могут быть незаметны при осмотре, но влиять на прохождение кислорода. Испытание только одного небольшого образца даёт результат для конкретного образца и участка, а не полную картину вариаций материала.

Повторные образцы, взятые из определённых мест, помогают отличить стабильные свойства материала от единичного дефекта или проблемы с подготовкой. Если один результат значительно выше остальных, его не следует автоматически отбрасывать. Возможные причины — утечка в уплотнении, повреждённый образец или локальный дефект покрытия; перед выводами следует проверить запись об испытании и состояние образца.

Низкие показания также требуют интерпретации. Когда количество кислорода, проходящего через образец, приближается к пределу обнаружения или отчётности прибора, остаточный кислород и утечки в системе оказывают относительно большее влияние на сигнал образца. Результат, указанный как ниже установленного предела, означает, что при данных условиях прибор и метод не позволили количественно определить проницаемость ниже этого уровня. Это не означает, что кислород вообще не проходил через материал.

Как стандарты обеспечивают сопоставимость испытаний

Опубликованные методы помогают лабораториям определять условия испытания, подготовку образцов, проверки оборудования и правила оформления результатов. Например, ASTM D3985 описывает измерение скорости передачи кислорода через пластиковую плёнку и листовые материалы с помощью кулонометрического датчика. ASTM F1927 устанавливает измерение скорости передачи кислорода через барьерные материалы с помощью кулонометрического детектора при заданных температуре и относительной влажности.

Не каждый стандарт автоматически подходит для любой конструкции бумаги с покрытием. Шероховатость материала, его жёсткость, ожидаемый диапазон проницаемости и возможность надёжно герметизировать образец — всё это влияет на пригодность конкретного метода и прибора. В отчёте следует указать фактически применённый метод и сообщить о существенных отклонениях, а не подразумевать применимость стандарта только потому, что использовался датчик кислорода.

Не менее важны проверка прибора и калибровка. Проверка системы на утечки помогает определить, может ли газ проходить в обход образца, а соответствующие эталонные материалы и другие проверки позволяют убедиться в надлежащей работе прибора. Конкретные процедуры зависят от оборудования и метода.

Как результат для листа соотносится с характеристиками готовой упаковки

Значение OTR для бумаги с покрытием полезно для сравнения материалов и контроля стабильности барьерных свойств, обеспечиваемых процессом нанесения покрытия. Оно не равно скорости проникновения кислорода в готовую упаковку. В готовую упаковку кислород может попадать через швы, сгибы, застёжки или повреждённые участки, а также через основной материал.

Это различие особенно важно, если бумага с покрытием складывается, бигуется или запаивается термическим способом. Механическая деформация может вызвать трещины или локально изменить покрытие, а в области шва присутствуют материалы и границы раздела, не представленные испытанием плоского листа. Поэтому низкое значение OTR, измеренное на неповреждённом образце, характеризует материал в условиях данного испытания, но не доказывает герметичность готовой упаковки.

Наиболее полезная интерпретация связывает измерение с поставленным вопросом: испытание плоского образца в контролируемых условиях показывает, как испытуемый лист пропускает кислород; если вопрос касается свойств упаковки в готовом виде, требуются дополнительные испытания переработанного материала или целых упаковок.