搜索
概要：本文结合ASTMD3985标准，简单介绍了利用电量分析法（库仑法）检测薄膜、片材的透氧性，并详细介绍了该方法的测试原理及试验过程。关键词：ASTMD3985，库仑传感器，透过率，法拉第定律，电量分析法随着贸易全球化速度的加快，一些用于美国商贸中的测试技术在我国也逐渐有所应用。自我国加入WTO之后，药包材的检测标准就增加了两种传感器类材料阻隔性检测方法：用于薄膜透氧性测试的电量分析法（库仑传感器法），以及用于薄膜透湿性测试的电解分析法。这两种方法由于并非我国国标中所采用的方法，所以在我国的应用还比较少。YBB00082003中对电量分析法的介绍相对较少，现结合YBB00082003的参照标准ASTMD3985进行详细介绍。1、适用范围Thistestmethodcoversaprocedurefordeterminationofthesteady-staterateoftransmissionofoxygengasthroughplasticsintheformoffilm,sheeting,laminates,coextrusions,orplastic-coatedpapersorfabrics.[1]（本测试方法探讨了一种用于确定氧气渗透通过某些塑料的稳定渗透速率的测试方法，包括薄膜、薄片、层压膜、挤出膜、涂塑纸张或织物。）本标准仅用于检测试样在干燥状态（相对湿度在1％RH以下）的透氧性，在潮湿状态下进行检测可参见ASTMF1927，多数薄膜的透氧性会随着湿度的变化出现显著差异。2、测试方法概要Thespecimenismountedasasealedsemi-barrierbetweentwochambersatambientatmosphericpressure.Onechamberisslowlypurgedbyastreamofnitrogenandtheotherchambercontainsoxygen.Asoxygengaspermeatesthroughthefilmintothenitrogencarriergas,itistransportedtothecoulometricdetectorwhereitproducesanelectricalcurrent,themagnitudeofwhichisproportionaltotheamountofoxygenflowingintothedetectorperunittime.[1]（试样作为密封的半阻隔物，在环境大气压下装夹于两测试腔之间。一腔被氮气流缓慢净化，另一腔充有氧气。当氧气渗透通过薄膜进入载气氮气流中，它会被载气流携带至库仑传感器处，库仑传感器探测到氧气会输出电流，电流的大小与单位时间内流入传感器的氧气总量成比例。）其中氧气为测试气体，氮气为载气气体，上腔为氧浓度高的一侧，而下腔为氧浓度低的一侧（可参见图1），这样就在试样两侧形成一定的氧浓度差，在整个渗透过程中氧气从上腔透过试样向下腔渗透。图1.电量分析法设备原理图3、测试干扰Thepresenceofcertaininterferingsubstancesinthecarriergasstreammaygiverisetounwantedelectricaloutputsanderrorfactors.Interferingsubstancesincludefreechlorineandsomestrongoxidizingagents.Exposuretocarbondioxideshouldalsobeminimizedtoavoiddamagetothesensorthroughreactionwiththepotassiumhydroxideelectrolyte.[1]（当载气流中存在某些干扰介质时可能会使输出电信号增大，并增加误差因素。干扰物质包括游离氯以及一些强氧化剂。应尽量减少暴露在二氧化碳中，因为与氢氧化钾电解液的反应会对传感器产生损害。）4、设备的标定TheoxygensensorusedinthistestmethodisacoulometricdevicethatyieldsalinearoutputaspredictedbyFaraday'sLaw.Inprinciple,fourelectronsareproducedbythesensorforeachmoleculeofoxygenthatpassesintoit.Experiencehasshown…undersomecircumstancesthesensormaybecomedepletedordamagedtotheextentthatefficiencyandresponseareimpaired.Forthatreason,thistestmethodincorporatesmeansforaperiodicsensorevaluation.[1]（本测试方法中所使用的氧气传感器是一种按照法拉第定律产生线性输出的库仑装置。在原理上，每个进入传感器的氧分子可以使得传感器输出4个电子。经验表明…在一些情况下会由于传感器损耗、损坏达到一定程度而削弱传感器的响应效率。因此，在本试验方法中写入了传感器的周期评估方法。）标定设备时需要使用标准膜，由于标准膜的数据能够直接影响到标定系数Q的测定，因此需要特别注意标准膜的准备以及标定试验的重复性。本标准中使用NIST标准材料进行标定测试。5、试验过程Preparationofapparatus…Heatingtheapparatuswillspeedthedryingandoutgassingprocess…Insertingthespecimen…Purgingthesystem…purgeairfromtheupperandlowerdiffusioncellchambers,usingaflowrateof50to60mL.After3or4min,reducetheflowratetothedesiredvaluebetween5and15mL/min.Maintainthisconfigurationfor30min…INSERTTHESENSORsothatthecarriergaswhichhaspassedthroughbothsidesofthediffusioncellisdivertedintothesensor…EstablishE0…SwitchOXYGENintothetest-gassideofthediffusioncell…Thesensoroutputcurrentshouldincreasegradually,ultimatelystabilizingataconstantvalue.Whilesomethinfilmswithhighdiffusioncoefficientsmayreachequilibriumin30to60min,thickerormorecomplexstructuresmayrequireanumberofhourstoreachasteadystateofgastransmission.Thesteady-statevoltagevalueoftheoxygentransmissionrateshallberecordedandlabelledEe.[1]（准备设备。…对设备进行加热可加速干燥过程以及脱气过程。…插入试样。…吹扫系统…用50～60mL的氮气流净化上下腔内的空气。3、4分钟后将氮气流流速降至5～15mL/min内某一理想流速。保持这种配置30分钟。…将设备调至INSERTTHESENSOR状态，这样就可以将流经上下腔中的载气气流引入传感器。…确定E0。…将扩散腔中试验气体一侧调至OXYGEN状态。…传感器输出电流将逐渐增大，最终稳定在一恒定值上。对于较薄且扩散系数大的薄膜达到渗透平衡可能仅需30～60分钟，但对较厚且结构复杂的薄膜要达到稳定渗透的状态可能需要数小时。记录氧气渗透稳定时的电压值，并将它标为Ee。）在整个试验过程中，载气流的流速是否合适是至关重要的，必须按照标准精确调节。试验结束后，可按照标准中给出的公式由试验中得到的E0和Ee计算得出试样的氧气透过系数。6、其它注意事项首先，采用的氧气传感器是消耗型传感器，当传感器的输出信号出现了明显的衰减且无法通过标定系统来弥补时就需要更换传感器。Backdiffusionofairintotheunitisundesirable.[1]（最好不要出现空气反向渗透进入系统的情况。）因为空气中的氧会消耗传感器，缩短其使用时间。其次，Highoxygenconcentrationsinthecarriergas,fromthetestingofpoorbarriers,willtendtoproducedetectorsaturation.[1]（测试低阻隔性试样时，载气流中的氧含量高，这将使传感器趋于饱和。）这样会缩短传感器的使用时间。有两个方法可以解决这个问题，一种是将氧气和氮气混合以降低测试气体中的氧气含量（测试时试样两侧的氧浓度差降低），另一种是用胶粘剂或环氧树脂将由薄金属片或铝箔制成的遮挡板粘贴在试样两侧以减少试样的面积，这时试样面积等于遮挡板上的开口面积。再次，需要控制测试温度。TemperatureisacriticalparameteraffectingthemeasurementofO2GTR.[1]（温度是影响试样氧气透过性测试的关键参数。）严格控温可以减小由于温度波动给测试结果带来的影响。7、总结ASTMD3985是目前使用氧传感器检测薄膜透氧性的常用标准，也是YBB00082003中电量分析法的参照标准，对于这条标准的深入理解将有助于更好地执行YBB00082003。温度和湿度是影响最终试验数据的关键参数，因此对试验环境进行有效控制是提高试验精度及效率的有效手段