Тестер WVTR для биоразлагаемых пленок измеряет скорость прохождения водяного пара через пленку, когда обе ее стороны подвергаются заданным условиям. Результат, называемый скоростью передачи водяного пара, показывает массу водяного пара, проходящего через заданную площадь за определенное время. Обычно его выражают в граммах на квадратный метр в сутки (g/m²/day).

Более низкое значение WVTR указывает на то, что при заданных условиях испытания через пленку проходит меньше водяного пара. Этот показатель помогает оценить барьерные свойства материала по отношению к влаге, но сам по себе не определяет, защитит ли пленка конкретный продукт и насколько быстро она будет биоразлагаться. Для интерпретации результата важны условия испытания, толщина пленки, структура материала и предполагаемые условия эксплуатации упаковки.

Что показывает измерение

При испытании WVTR образец пленки разделяет две среды с разными условиями по водяному пару. Водяной пар перемещается со стороны с более высоким парциальным давлением водяного пара на сторону с более низким давлением. Тестер определяет количество пара, прошедшего через образец за определенное время, а результат соотносится с открытой площадью пленки.

Измеренная скорость характеризует испытанный образец. Например, биоразлагаемая пленка из одного материала может иметь значение WVTR, отличное от многослойной пленки, содержащей тот же материал с влагостойким покрытием. Указанное значение отражает свойства всей испытанной структуры, включая ее толщину, покрытия и любые дефекты на открытом участке.

WVTR характеризует передачуводяного пара. Он не измеряет напрямую прохождение жидкой воды, кислорода, ароматических веществ или жира. Пленка, устойчивая к брызгам, все же может пропускать водяной пар, а высокий кислородный барьер не обязательно обеспечивает столь же высокий барьер для влаги.

Почему условия испытания влияют на результат

Температура и относительная влажность являются частью измерения, а не второстепенными деталями. Значение WVTR без этих данных сложно сопоставить с другими результатами или соотнести с условиями хранения.

Разница во влажности по обе стороны пленки создает движущую силу для передачи пара. Большая разница часто приводит к более высокой скорости передачи, хотя зависимость не всегда пропорциональна. Многие биоразлагаемые материалы поглощают влагу, а их структура и характер переноса могут меняться при повышении влажности. Поэтому результат, полученный при сухой среде с одной стороны и высокой влажности с другой, нельзя автоматически пересчитать для меньшей разницы во влажности.

Температура также влияет на давление водяного пара и перемещение молекул воды через материал. Повышение температуры испытания может увеличить измеренную скорость передачи. Если упаковка будет подвергаться воздействию теплых и влажных условий при хранении или транспортировке, значение, измеренное при более умеренных условиях, может недооценивать значимое для применения воздействие влаги.

Для сравнения в двух отчетах должны быть указаны температура и относительная влажность по обе стороны пленки либо приведены сведения, позволяющие определить градиент влажности. Также следует указать, получено ли приведенное значение после стабилизации измерений и какой метод испытания использовался.

Биоразлагаемые пленки по-разному реагируют на влагу

Биоразлагаемые пленки — это широкая категория материалов, а не один конкретный барьерный материал. Их поведение в условиях влажности зависит от используемых полимеров и добавок, способа производства пленки, а также наличия покрытий и других слоев.

Некоторые структуры на основе крахмала или целлюлозы чувствительны к влажности окружающей среды, поскольку их компоненты легко взаимодействуют с водой. По мере поглощения влаги материал может набухать или становиться более гибким, изменяя путь прохождения водяного пара. Значение барьерных свойств, измеренное после кондиционирования в сухой среде, может отличаться от результата для той же структуры после уравновешивания при более высокой влажности.

Другие биоразлагаемые полимеры можно смешивать или покрывать для изменения их влагостойкости. Характеристики готовой пленки по-прежнему зависят от ее полной структуры. Тонкое покрытие может снизить скорость передачи, тогда как трещины, неполное покрытие или повреждения от сгибания могут создать более легкие пути для прохождения пара. Изменение состава, повышающее гибкость, также может повлиять на барьерные свойства, поэтому этот эффект необходимо определять для готовой структуры.

Эти наблюдения не означают, что биоразлагаемость служит показателем WVTR. Биоразложение относится к распаду материала в определенных условиях, а WVTR — к передаче пара в заданной среде испытания. Ни один из этих результатов сам по себе не позволяет предсказать другой.

Толщина, паропроницаемость и проницаемость материала

WVTR — это скорость передачи для образца испытанной толщины. Две пленки одного состава могут иметь разные значения WVTR только из-за различия в толщине. Для достаточно однородной пленки при сопоставимых условиях увеличение толщины часто снижает скорость передачи, хотя на эту зависимость могут влиять обработка, дефекты и изменения материала.

Это различие важно при сравнении новой биоразлагаемой пленки с существующей упаковочной пленкой. Если биоразлагаемый образец толще и имеет более низкое значение WVTR, результат характеризует характеристики именно этих двух образцов; он не доказывает, что биоразлагаемый материал обладает intrinsically более высокими барьерными свойствами при одинаковой толщине.

Паропроницаемость связывает скорость передачи с разницей парциального давления водяного пара по обе стороны пленки. Проницаемость материала дополнительно учитывает толщину пленки и обычно используется для описания характера переноса в однородном материале при заданных условиях. Ни один из этих терминов не следует считать взаимозаменяемым с WVTR; кроме того, в отчетах могут использоваться разные единицы измерения. Для чувствительных к влажности материалов значение проницаемости также может меняться в зависимости от условий, при которых оно определяется.

Приведение к толщине не так просто для многослойной структуры. Пленка с покрытием может состоять из слоев с очень разными барьерными свойствами, и простое умножение измеренной скорости передачи на общую толщину не превращает ее в собственное свойство одного материала. Если речь идет о характеристиках упаковки, часто полезнее сравнивать готовые структуры при толщине, предусмотренной для их применения.

Как тестер определяет значение WVTR

Различные методы испытания по-разному определяют количество прошедшего водяного пара. При гравиметрическом методе пленку герметично устанавливают на испытательную ячейку и в течение времени измеряют изменение массы по мере прохождения водяного пара через образец. В зависимости от процедуры в ячейке может находиться осушитель или вода. Направление изменения массы и интерпретация результата зависят от выбранной схемы испытания.

В инструментальных методах используется контролируемая испытательная ячейка и датчик, измеряющий водяной пар, достигший принимающей стороны. В зависимости от прибора и метода принимающая сторона может обдуваться газом-носителем. По измеренному сигналу рассчитывают передачу пара через открытую площадь образца.

Оба подхода требуют надежной герметизации пленки по краям. Утечка по краю позволяет водяному пару обходить образец и может привести к завышенному результату. На измерение также могут влиять складки, сквозные отверстия, царапины и загрязнения. Если при установке образец растянули, он может перестать соответствовать исходному состоянию пленки.

До достижения стабильной скорости передачи влага может поглощаться пленкой или выделяться из нее. Это особенно важно для чувствительных к влаге биоразлагаемых материалов. Слишком ранняя регистрация значения может смешать переходное поведение материала со скоростью прохождения пара через пленку. Поэтому история кондиционирования и критерий определения стабильного результата помогают объяснить различия между отчетами.

Интерпретация и сравнение результатов испытаний

Для содержательной интерпретации результата WVTR недостаточно одного числового значения. В описании материала следует указать, является ли образец однослойной пленкой или структурой с покрытием либо ламинированием, а также привести измеренную толщину. Для интерпретации результата необходим контекст: температура и влажность при испытании, метод, открытая площадь и сведения о кондиционировании. Для асимметричной пленки в отчете следует указать, какая ее поверхность была обращена к стороне с более высокой влажностью.

Например, для двух пленок могут быть указаны одинаковые значения WVTR, но одно из них могло быть получено для более толстого образца при меньшем градиенте влажности. Эти значения не подтверждают эквивалентность барьерных свойств при одинаковых условиях. И наоборот, более высокая указанная скорость не обязательно говорит о худших свойствах материала, если измерение проводилось при более высокой температуре или влажности.

Повторные измерения позволяют получить дополнительную информацию, если пленка неоднородна или содержит локальные дефекты. Значительный разброс результатов для разных образцов может указывать на колебания толщины, неоднородность покрытия, сквозные отверстия или утечки при установке; одно только значение WVTR не позволяет определить причину. Осмотр образцов и проверка процедур герметизации и подготовки помогают отличить проблему материала от проблемы испытания.

Если значение близко к пределу измерений метода или прибора, следует обратить внимание на заявленную точность. Очень низкое значение может свидетельствовать о высоких барьерных свойствах, но результат ниже установленного предела обнаружения или отчетности не следует считать точным численным измерением. Сравнения наиболее полезны, когда чувствительности метода достаточно для оценки рассматриваемых скоростей передачи.

От плоской пленки к характеристикам упаковки

WVTR плоской пленки характеризует перенос пара через испытанный участок пленки. В готовой упаковке появляются дополнительные пути и условия: термосварные швы, сгибы, застежки, проколы и площадь открытой поверхности — все это может влиять на проникновение или потерю влаги. Хороший результат испытания пленки не подтверждает герметичность плохо выполненного шва.

Важно также учитывать направление перемещения влаги. Сухой продукт во влажной среде может набирать влагу, тогда как влажный продукт в сухой среде может ее терять. Соответствующий градиент влажности может меняться при хранении по мере обмена влагой между продуктом и воздухом внутри упаковки. Испытание пленки дает определенную точку сравнения, а не полную картину изменений во времени.

Поэтому пригодность упаковки требует соотнести результат испытания пленки с чувствительностью продукта к влаге, ожидаемыми условиями окружающей среды и конструкцией готовой упаковки. Если этого требует применение, испытания готовой упаковки и мониторинг влажности продукта с течением времени дают дополнительные данные, выходящие за рамки измерения плоской пленки.