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本文結合 ASTM D 3985 標准，簡單介紹了利用電量分析法（庫侖法）檢測薄膜、片材的透氧性，並詳細介紹了該方法的測試原理及試驗過程。 |
| 關鍵詞
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ASTM D 3985,庫侖傳感器,透過率,法拉第定律,電量分析法
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隨著貿易全球化速度的加快，一些用於美國商貿中的測試技術在我國也逐漸有所應用。自我國加入 WTO 之後，藥包材的檢測標准就增加了兩種傳感器類材料阻隔性檢測方法：用於薄膜透氧性測試的電量分析法（庫侖傳感器法），以及用於薄膜透濕性測試的電解分析法。這兩種方法由於並非我國國標中所采用的方法，所以在我國的應用還比較少。
YBB00082003 中對電量分析法的介紹相對較少，現結合 YBB00082003 的參照標准 ASTM D 3985 進行詳細介紹。
1、適用范圍
This test method covers a procedure for determination of the steady-state rate of transmission of oxygen gas through plastics in the form of film, sheeting, laminates, coextrusions, or plastic-coated papers or fabrics. [1] （本測試方法探討了一種用於確定氧氣滲透通過某些塑料的穩定滲透速率的測試方法，包括薄膜、薄片、層壓膜、擠出膜、涂塑紙張或織物。）本標准僅用於檢測試樣在乾燥狀態（相對濕度在 1％ RH 以下）的透氧性，在潮濕狀態下進行檢測可參見 ASTM F 1927，多數薄膜的透氧性會隨著濕度的變化出現顯著差異。
2、測試方法概要
The specimen is mounted as a sealed semi-barrier between two chambers at ambient atmospheric pressure. One chamber is slowly purged by a stream of nitrogen and the other chamber contains oxygen. As oxygen gas permeates through the film into the nitrogen carrier gas, it is transported to the coulometric detector where it produces an electrical current, the magnitude of which is proportional to the amount of oxygen flowing into the detector per unit time. [1] （試樣作為密封的半阻隔物，在環境大氣壓下裝夾於兩測試腔之間。一腔被氮氣流緩慢淨化，另一腔 充有氧氣。當氧氣滲透通過薄膜進入載氣氮氣流中，它會被載氣流攜帶至庫侖傳感器處，庫侖傳感器探測到氧氣會輸出電流，電流的大小與單位時間內流入傳感器的氧氣總量成比例。）其中氧氣為測試氣體，氮氣 為載氣氣體，上腔為氧濃度高的一側，而下腔為氧濃度低的一側（可參見圖 1），這樣就在試樣兩側形成一定的氧濃度差，在整個滲透過程中氧氣從上腔透過試樣向下腔滲透。
圖 1. 電量分析法設備原理圖
3、測試乾擾
The presence of certain interfering substances in the carrier gas stream may give rise to unwanted electrical outputs and error factors. Interfering substances include free chlorine and some strong oxidizing agents. Exposure to carbon dioxide should also be minimized to avoid damage to the sensor through reaction with the potassium hydroxide electrolyte. [1] （當載氣流中存在某些乾擾介質時可能會使輸出電信號增大，並增加誤差因素。乾擾物質包括游離氯以及一些強氧化劑。應盡量減少暴露在二氧化碳中，因為與氫氧化鉀電解液的反應會對傳感器產生損害。）
4、設備的標定
The oxygen sensor used in this test method is a coulometric device that yields a linear output as predicted by Faraday's Law. In principle, four electrons are produced by the sensor for each molecule of oxygen that passes into it. Experience has shown… under some circumstances the sensor may become depleted or damaged to the extent that efficiency and response are impaired. For that reason, this test method incorporates means for a periodic sensor evaluation. [1] （本測試方法中所使用的氧氣傳感器是一種按照法拉第定律產生線性輸出的庫侖裝置。在原理上，每個進入傳感器的氧分子可以使得傳感器輸出 4 個電子。經驗表明…在一些情況下會由於傳感器損耗、損壞達到一定程度而削弱傳感器的響應效率。因此，在本試驗方法中寫入了傳感器的周期評估方法。）標定設備時需要使用標准膜，由於標准膜的數據能夠直接影響到標定系數 Q 的測定，因此需要特別注意標准膜的准備以及標定試驗的重復性。本標准中使用 NIST 標准材料進行標定測試。
5、試驗過程
Preparation of apparatus… Heating the apparatus will speed the drying and outgassing process… Inserting the specimen… Purging the system… purge air from the upper and lower diffusion cell chambers, using a flow rate of 50 to 60 mL. After 3 or 4 min, reduce the flow rate to the desired value between 5 and 15 mL/min. Maintain this configuration for 30min… INSERT THE SENSOR so that the carrier gas which has passed through both sides of the diffusion cell is diverted into the sensor… Establish E 0 … Switch OXYGEN into the test-gas side of the diffusion cell… The sensor output current should increase gradually, ultimately stabilizing at a constant value. While some thin films with high diffusion coefficients may reach equilibrium in 30 to 60 min, thicker or more complex structures may require a number of hours to reach a steady state of gas transmission. The steady-state voltage value of the oxygen transmission rate shall be recorded and labelled E e . [1] （准備設備。…對設備進行加熱可加速乾燥過程以及脫氣過程。…插入試樣。…吹掃系統…用 50 ～ 60mL 的氮氣流淨化上下腔內的空氣。3、4 分鍾後將氮氣流流速降至 5 ～ 15mL/min 內某一理想流速。保持這種配置 30 分鍾。…將設備調至 INSERT THE SENSOR 狀態，這樣就可以將流經上下腔中的載氣氣流引入傳感器。…確定 E 0。…將擴散腔中試驗氣體一側調至 OXYGEN 狀態。…傳感器輸出電流將逐漸增大，最終穩定在一恆定值上。對於較薄且擴散系數大的薄膜達到滲透平衡可能僅需 30 ～ 60 分鍾，但對較厚且結構復雜的薄膜要達到穩定滲透的狀態可能需要數小時。記錄氧氣滲透穩定時的電壓值，並將它標為 E e。）在整個試驗過程中，載氣流的流速是否合適是至關重要的，必須按照標准精確調節。
試驗結束後，可按照標准中給出的公式由試驗中得到的 E 0 和 E e 計算得出試樣的氧氣透過系數。
6、其它注意事項
首先，采用的氧氣傳感器是消耗型傳感器，當傳感器的輸出信號出現了明顯的衰減且無法通過標定系統來彌補時就需要更換傳感器。Back diffusion of air into the unit is undesirable. [1] （最好不要出現空氣反向滲透進入系統的情況。）因為空氣中的氧會消耗傳感器，縮短其使用時間。
其次， High oxygen concentrations in the carrier gas, from the testing of poor barriers, will tend to produce detector saturation. [1] （測試低阻隔性試樣時，載氣流中的氧含量高，這將使傳感器趨於飽和。）這樣會縮短傳感器的使用時間。有兩個方法可以解決這個問題，一種是將氧氣和氮氣混合以降低測試氣體中的氧氣含量（測試時試樣兩側的氧濃度差降低），另一種是用膠粘劑或環氧樹脂將由薄金屬片或鋁箔制成的遮擋板粘貼在試樣兩側以減少試樣的面積，這時試樣面積等於遮擋板上的開口面積。
再次，需要控制測試溫度。Temperature is a critical parameter affecting the measurement of O2 GTR. [1] （溫度是影響試樣氧氣透過性測試的關鍵參數。）嚴格控溫可以減小由於溫度波動給測試結果帶來的影響。
7、總結
ASTM D 3985 是目前使用氧傳感器檢測薄膜透氧性的常用標准，也是 YBB00082003 中電量分析法的參照標准，對於這條標准的深入理解將有助於更好地執行 YBB00082003。溫度和濕度是影響最終試驗數據的關鍵參數，因此對試驗環境進行有效控制是提高試驗精度及效率的有效手段。