Как влажность влияет на результаты измерений на анализаторе скорости газопроницаемости

Влажность может изменять барьерные свойства упаковочной пленки по отношению к газам, поэтому контроль влажности необходим для правильной интерпретации результатов измерений на анализаторе скорости газопроницаемости. Нестабильные условия влажности могут затруднить содержательное сравнение результатов, усложнить квалификацию материала и снизить уверенность в защитных свойствах упаковки. Эффект зависит от материала, испытуемого газа, температуры и влажности с обеих сторон образца, а не только от условий окружающей среды в лаборатории.

Это важно, когда материал проходит входной контроль, но показывает другой результат при квалификации поставщика. Прежде чем считать расхождение производственным дефектом, проверьте, испытывали ли обе лаборатории материал с одинаковым содержанием влаги. Измерение сухой пленки и измерение увлажненной пленки могут быть технически корректными, но отвечать на разные вопросы об упаковке.

Влага изменяет образец, а не только условия испытания

Для многих плотных полимерных пленок газопроницаемость обычно описывают моделью растворения и диффузии: газ растворяется в материале, а затем диффундирует через него. Вода, поглощенная полимером, может изменять подвижность молекул и растворимость газа. Поэтому скорость газопередачи может измениться, даже если толщина образца, площадь воздействия и номинальное давление газа остаются прежними.

EVOH наглядно демонстрирует практическую проблему. Его кислородобарьерные свойства чувствительны к влажности: поглощенная вода может нарушать взаимодействие между полимерными цепями и повышать их подвижность. Сухая структура, содержащая EVOH, может обеспечивать отличную защиту от кислорода, тогда как воздействие влаги способно ухудшить эти свойства. Полиамиды также могут демонстрировать зависимость свойств от влажности, хотя реакция зависит от марки, структуры, температуры и газа.

Не следует превращать это в правило «чем выше влажность, тем выше газопроницаемость». Некоторые полимеры реагируют слабее, а вода может по-разному влиять на диффузию и растворимость. В пленках с покрытием или многослойной структурой измеряемая реакция также зависит от целостности покрытия, расположения слоев и скорости проникновения влаги к барьерному слою.

Результат измерения скорости пропускания кислорода не позволяет автоматически прогнозировать пропускание углекислого газа при той же влажности. Взаимодействие газа с полимером различается. Аналогично, результат измерения газобарьерных свойств не заменяет измерение скорости паропроницаемости.

Фраза «испытано при относительной влажности 50%» не описывает условия полностью

Чтобы указание относительной влажности имело смысл, необходимо указать температуру и место ее измерения. Относительная влажность 50% — это условие в лаборатории, настройка камеры кондиционирования или влажность газа, контактирующего с образцом? Применялась ли она со стороны испытательного газа, со стороны газа-носителя или с обеих сторон?

Например, поток, обогащенный кислородом и имеющий относительную влажность 50%, с одной стороны образца и номинально сухой поток газа-носителя с другой не создают такой же профиль влажности, как относительная влажность 50% с обеих сторон. В первом случае влага проходит через образец под действием градиента. Во втором пленка может достичь более равномерного состояния по влажности. Эти условия могут давать разные результаты измерения скорости пропускания кислорода, даже если ни один прибор не работает неисправно.

Температура не менее важна. Относительная влажность выражает давление водяного пара относительно давления насыщенного пара при местной температуре. Если увлажненный поток проходит по более холодной линии, он может достичь точки росы и сконденсироваться. При появлении жидкой воды заданные условия воздействия водяного пара перестают соблюдаться; капли также могут нарушить поток или работу детектора — в зависимости от прибора.

Для сопоставимости отчетов указывайте температуру образца, влажность с обеих сторон, состав газа, условия давления и ориентацию пленки. Относительная влажность в помещении полезна как справочная информация, но не заменяет данные об условиях внутри испытательной ячейки.

Время кондиционирования и время измерения — разные задачи

Образец, извлеченный из герметичной упаковки, не приобретает мгновенно содержание влаги, соответствующее камере кондиционирования. Поглощение воды зависит от толщины, химического состава полимера, конструкции ламината и предшествующих условий воздействия. В многослойной структуре внешние слои могут замедлять доступ влаги к заглубленному барьерному слою, даже если открытая поверхность уже пришла в равновесие.

Это приводит к распространенной ошибке: оператор выдерживает все пленки в одинаковых условиях в течение фиксированного времени и предполагает, что каждая из них готова к испытанию. Практическое время кондиционирования следует определять по применимому методу или подтвержденной внутренней процедуре. Если это допустимо и подходит для задачи, стабильность массы может помочь оценить достижение равновесия по влажности, но сама по себе она не подтверждает установившуюся скорость газопередачи.

После установки образец может продолжать изменяться. Пленка, кондиционированная во влажной среде и помещенная между потоками сухого газа, может постепенно высыхать во время измерения. И наоборот, у сухого образца, подвергнутого воздействию влажного газа, скорость газопередачи может меняться по мере проникновения влаги в структуру. Прибор может регистрировать изменение свойств материала, а не просто стабилизацию детектора.

Сохраняйте полную кривую зависимости газопередачи от времени. Числовой результат, полученный до выполнения критерия стабильности, установленного методом, не следует считать эквивалентным значению в установившемся режиме. Плоский участок кривой также требует проверки, если влажность еще не стабилизировалась.

Выбирайте метод в соответствии с задачей измерения при заданной влажности

Для испытаний на пропускание кислорода с помощью кулонометрического датчика применимы ASTM D3985 и ASTM F1927, однако их не следует считать взаимозаменяемыми обозначениями. ASTM F1927 специально регламентирует измерение скорости пропускания кислорода, проницаемости и коэффициента проницаемости при контролируемой относительной влажности. ASTM D3985 широко применяется для испытаний на пропускание кислорода с кулонометрическим датчиком; применимые условия и процедуры следует проверять по используемой редакции стандарта.

Для других газов или принципов измерения требуются иные методы. Например, ASTM D1434 описывает характеристики газопроницаемости пластиковых пленок и листов, однако одна лишь ссылка на этот стандарт не подтверждает, что конкретный прибор способен поддерживать влажные условия, необходимые для проекта. Проверяйте метод, конфигурацию прибора и подтвержденный рабочий диапазон в совокупности.

Испытание в сухих условиях остается полезным, если спецификация намеренно определяет характеристики в сухом состоянии. Ошибка заключается в том, чтобы использовать такой результат как подтверждение работы во влажной среде без соответствующих данных. И наоборот, добавление влажности в уже установленное приемочное испытание изменяет процедуру и может потребовать пересмотра приемочных пределов, а не прямого сравнения с историческими результатами сухих испытаний.

Также различайте скорость газопередачи и проницаемость. Скорость газопередачи описывает прохождение газа через испытуемый образец при заданных условиях. Для пересчета в значение проницаемости материала необходимо учитывать соответствующую толщину и давление. Для многослойных структур единое значение, нормированное по толщине, может скрывать вклад отдельных слоев.

Что проверить, если результаты испытаний во влажных условиях выглядят неверными

Если после увлажнения результат увеличился, чувствительность материала к влаге вполне возможна, однако это не должно быть первым и единственным объяснением. Используйте характер сигнала и проверки оборудования, чтобы отличить поведение образца от проблем измерения.

• Постепенное изменение в течение длительного испытания: прежде чем заключать, что пленка дефектна, проверьте достижение равновесия по влажности, историю кондиционирования и стабильность газового потока.
• Резкий скачок после переключения влажности: проверьте переходные процессы при переключении, возмущение давления, конденсацию или нарушение герметичности крепления образца.
• Неожиданно высокие показания для пленки с высокими барьерными свойствами: проверьте утечки, герметизацию краев, фоновый сигнал, а также то, не находится ли результат вблизи подтвержденного диапазона измерительных возможностей системы.
• Разные результаты после переворачивания образца: проверьте ориентацию слоев и распределение влажности. При переворачивании асимметричного ламината профиль влажности может измениться.
• Низкая повторяемость после испытаний во влажных условиях: проверьте процедуры продувки, остаточную влагу, требования к детектору, а также состояние уплотнений и трубок.

Увлажнение также изменяет состав газа. Если кислород смешивается с водяным паром при неизменном общем давлении, его парциальное давление отличается от давления в случае сухого газа. Используйте расчет, предписанный методом, и документированный для прибора учет влажности на влажной или сухой основе; не применяйте самостоятельно разработанную поправку на влажность.

При очень низких скоростях газопередачи относительное влияние небольших утечек и фоновых сигналов становится более значительным. Эталонная пленка, надлежащая проверка герметичности и контроль влажности принесут больше диагностической пользы, чем многократное испытание дополнительных образцов на установке, параметры которой не проверены.

Составьте спецификацию, позволяющую другой лаборатории воспроизвести испытание

Закупочная спецификация, в которой указано только «скорость пропускания кислорода ниже согласованного предела», оставляет слишком много возможностей для разногласий. Укажите метод и его редакцию, температуру, влажность с обеих сторон, условия по газу и давлению, процедуру кондиционирования, ориентацию образца, единицы измерения и критерий стабильности. Также укажите испытываемую структуру и толщину.

Для упаковки, чувствительной к влаге, полезно разделять обычные приемочные испытания и квалификацию для конкретного применения. Строго контролируемые эталонные условия позволяют сравнивать партии. Дополнительные испытания во влажных условиях показывают, сохраняет ли структура достаточные барьерные свойства при предполагаемом воздействии. Эти испытания решают разные задачи; одно не должно незаметно подменять другое.

Для фармацевтической упаковки данные о газопередаче на уровне пленки помогают выбрать материал, но сами по себе не подтверждают защиту готовой упаковки. Также имеют значение швы, укупорочные элементы, повреждения при формовании, геометрия упаковки, условия хранения и чувствительность продукта. Высокие барьерные свойства плоской пленки не исключают утечек или ухудшения барьерных свойств после преобразования материала в упаковку.

Выбирайте оборудование с учетом условий воздействия, которые необходимо воспроизвести

При выборе анализатора скорости газопередачи выясните не только, предусмотрена ли в нем настройка влажности. Уточните, с какой стороны можно увлажнять газ, где измеряется влажность, как регулируется температура, как предотвращается конденсация и какие газы и детекторы совместимы с предлагаемыми условиями. Запросите подтверждение характеристик в требуемом диапазоне газопередачи именно при этих условиях, а не только при работе в сухой среде.

Paratronix Instruments Co., Ltd. разрабатывает и производит приборы для испытаний упаковки, предназначенные для фармацевтической упаковки, пластиковых упаковочных материалов и решений с высокими барьерными свойствами. При обсуждении оборудования с производителем полезно начать с полной структуры образца и предполагаемого протокола испытаний. Возможности конкретной конфигурации по контролю влажности следует подтвердить отдельно, а не выводить из общей категории продукции.

Прежде чем одобрить материал на основании результата, полученного во влажных условиях, выполните последнюю проверку: сможет ли другая лаборатория воспроизвести воздействие влаги, располагая только данными из отчета? Если нет, уточните недостающие условия до использования результата для приемки поставщика или принятия решений о защите упаковки.