包裝物透氧性測試標准概要

    隨著包裝行業發展的日新月異，輕巧且方便運輸的包裝容器，如 PET塑料瓶、紙塑鋁復合軟包裝等新型材料逐步取代了笨重、易碎的玻璃瓶包裝，然而這些新型包裝材料的性能，尤其是阻隔性能能否滿足產品包裝的質量要求呢？這是消費者、包裝產品的使用者及制造者、各級質檢機構共同關心的話題，同時也是急需解決的問題。目前國內尚沒有明確的包裝物透氧性測試方法標准，因此在進行相關測試時一般遵循ASTM F 1307標准。

本文結合 ASTM F 1307標准，對有關包裝容器的透氧性測試給以簡單介紹。

1、適用范圍

This test method covers a procedure for the determination of the steady-state rate of transmission of oxygen gas into packages. More specifically, the method is applicable to packages that in normal use will enclose a dry environment. ( 這個測試方法探討了一種用於確定氧氣滲透進入包裝物的穩定滲透速率的測試方法。更明確地說，這種測試方法適用於在通常使用時能夠封起一個乾燥空間的所有包裝物。 )

2、測試方法概要

This test method employs a coulometric oxygen sensor and associated equipment in an arrangement similar to that described in Test Method D 3985. Oxygen gas transmission rate ( O₂ GTR ) is determined after the package has been mounted on a test fixture and has equilibrated in the test environment. The package is mounted in such a way as to provide that the inside of the package is slowly purged by a stream of nitrogen while the outside of the package is exposed to a known concentration of oxygen. The package may be exposed in ambient room air which contains 20.8% oxygen, or immersed in an atmosphere of 100% oxygen. As oxygen permeates through the package walls 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 of time.（這種試驗方法按照與測試方法D 3985 所描述的相似方式使用庫侖氧氣傳感器及其相關設備。氧氣透過率（O₂ GTR）是將包裝物固定在測試裝置上並在測試環境中達到平衡後測定的。包裝物裝夾完成後能夠形成如下的測試環境：包裝物內側被氮氣流緩慢淨化、外側暴露在氧氣濃度已知的環境中。包裝物可以暴露在環境大氣中，它含有20.8％的氧氣，或者是浸在100％的氧氣環境中。當氧氣滲透通過包裝物壁進入載氣氮氣流中，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正比。）

    這種試驗方法中采用氧氣作為測試氣體，氮氣作為載氣氣體。在包裝物的外部和內部形成一定的氧濃度差，外部為氧濃度高的一側，而內部為氧濃度低的一側，在整個滲透過程中氧氣從包裝物外部透過包裝物壁向內部滲透。

3、包裝物透氧性測試數據的表示方法

Oxygen gas transmission rate ( O₂ GTR )——as applied to a package, is the quantity of oxygen gas passing through the surface of the package per unit of time… The SI unit of transmission rate is the mol/pkg·s. The test conditions, including temperature, oxygen partial pressure and humidity on both sides of the package, must be stated. A commonly used unit of O₂ GTR is the cm³( STP )/pkg·d, where 1 cm³ ( STP ) is 44.62×10 -6 mol.（包裝物的氧氣透過率是單位時間內滲透通過包裝物表面的氧氣總量。……它的SI單位是mol/pkg·s。必須寫明測試狀態，包括溫度、氧氣分壓差、以及包裝物兩側的濕度。O₂ GTR的常用單位是cm³( STP )/pkg·d，這裡1cm³ ( STP ) 等於 44.62×10 -6 mol。）Oxygen permeance ( PO₂ ' )——the ratio of the O₂ GTR to the difference between the partial pressure of O₂ on the two sides of the package wall.（氧氣滲透量是O₂ GTR 與包裝物壁兩側氧氣分壓差的比值。）由於在一定的環境條件下，透過的氧氣摩爾數與它的體積可互相轉換，因此無論是用摩爾數表示還是使用氣體體積表示，含義都是相同的。

    如果將包裝物的測試結果單位與薄膜的測試結果單位相比較不難發現，測試面積沒有了，這表示它不再參與計算，取而代之的是一個 pkg單位。

3.1 pkg 的定義

    對於沒有接觸過包裝物阻隔性測試的人來講，會感到這個單位非常陌生，其實它就是一個適用於任何包裝物的數量單位，相當於件、包，是package的簡寫。例如，2.25L的PET瓶或是1L的PET瓶都是1pkg，不因體積、面積的不同而改變。

3.2 pkg單位的使用原因

    顧名思義，進行包裝物的透氧性測試就是為了獲取真實的包裝物整體透氧數據。以前為了獲得包裝物的透氧數據需要先檢測容器片材的氧氣透過量，然後按照容器的表面積以及容器各處的厚度來估算容器整體的透氣量。可是容器的壁厚很不均勻，外形很不規則致使難以准確測定容器的表面積，而且材料性質在包裝物的吹塑、注塑等生產過程中發生了一定的變化，因此容器透氣量的估算結果與實際檢測結果確實存在一定的差距，這樣直接檢測包裝物的透氧性就更加重要了。無論包裝物的外形如何、厚度是否均勻，都可以利用 pkg單 位表示出包裝物整體的氧氣阻隔性能，這對進行包裝物整體的阻隔性能分析是十分有利的。

4、設備的標定

The oxygen sensor used in this method is a coulometric device that yields a linear output as predicted by Faraday's Law…Experience has shown, however, that under some circumstances the sensor may become depleted or damaged to the extent that efficiency and response are impaired.（這種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。……經驗表明，在一些情況下會出現由於傳感器損耗、損壞達到一定程度而削弱傳感器的響應效率。）因此，測試系統需要周期標定。標定過程與試驗過程相同，標定數據用來計算校正因子Q。Q將直接參與正式試驗的結果計算，因此標定系數Q的准確與否直接影響到今後測試結果的准確性。

5、試驗過程

5.1 包裝物裝夾

The method by which a package is prepared for attachment to the instrument for testing depends upon the package shape, type, and test objectives. For a majority of tests, the package may be exposed to ambient air ( 20.8% O₂ ). If the package is an extremely good barrier, however, it may be helpful to increase the test gradient by immersing the package in 100% oxygen. This is accomplished by securing a plastic bag or other container around the package and flooding the bag with oxygen.（將包裝物裝夾到設備上的方法取決於包裝物的外形、類型以及測試對象。對於多數試驗，包裝物可以暴露在環境大氣中（20.8％氧氣）。但是如果包裝物的阻隔性很好，可以把包裝物浸入100％的氧氣環境中來增加測試濃度梯度，這對試驗更加有利。這可以通過用一個塑料袋或是其它容器罩在包裝物外面並向其中注入氧氣來實現。）圖1是標准中給出的包裝物裝夾示意圖，需要注意在容器封口處、以及各進氣管、出氣管的密封處理。

圖 1. 塑料瓶、桶的典型固定方式

    Labthink TOY-C1容器/薄膜透氧儀提供了一種方法來實現100％氧氣濃度的測試環境（圖2），操作簡單，重復使用性好。這種裝夾結構的最大優點是利用特殊設計輕松實現了包裝物兩側的氣流循環，而且無需管路支持循環，管路的接頭少了，也就減少了設備出現泄漏的可能性。相對於標准中給出的膠封結構（參見圖1），它不需要對進氣管和出氣管進行膠封，因此簡化了整套包裝物裝夾附件的安裝和拆卸。

圖 2. TOY-C1包裝容器固定方式示意圖

5.2 測試過程

Preparation of apparatus… The system can then be dried by slowly purging overnight using dry carrier gas ( sensor bypass )… Attachment of the package… Purging the system. Start the nitrogen gas flow and purge air from the package using a flow rate of 50 to 60 mL/min. Maintain this rate for a period determined by the volume of the package… Reduce the rate to a value between 5 and 15 mL/min. Maintain this rate for the next 30 min ( sensor bypassed )… Divert the flow of nitrogen carrier gas to the sensor… When consecutive sensor readings begin to yield the same value, the operator should record this value and label it E e ( package )… Put the sensor in bypass once again. Remove the package from the package fittings and install a stainless steel “perfect package” loop between the carrier gas fittings. After 10 to 15min, divert the flow of carrier gas to the sensor. Maintain this configuration for 30min, or until the sensor output current has descended to a constant low value. Note this value and record as E o ( package )… Place the instrument in a standby condition.（准備設備…然後整夜用乾燥載氣流緩慢乾燥系統（繞開傳感器）。…完成包裝物附加裝置的裝夾。…吹洗整個系統。開啟50～60mL/min的氮氣流淨化包裝物內的空氣，淨化時間取決於包裝物的體積。…降低氮氣流速至5～15mL/min並保持30min（繞開傳感器）。…將氮氣流引入傳感器。…當傳感器的連續輸出值開始穩定不變時，操作者就可以記下這個值了，這個值就是E e（包裝物）。…再次繞開傳感器。移走包裝物，並在載氣裝置間插入一個不鏽鋼材質的“高阻隔包裝物”回路。10～15min後，再將載氣流引入傳感器。保持這種配置30min，或是當傳感器的輸出電流減小並穩定在一個較低的值上後，就可以把這個值作為Eo（包裝物）記錄下來。…將設備置於備用狀態。）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。

5.3 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.（最好不要出現空氣反向滲透進入系統的情況。）這是因為空氣中約21％的氧氣濃度會使傳感器損耗較大，因此在不使用傳感器時最好在其內部始終保持有一低流速的氮氣流。

    其次，進行低阻隔性包裝物的檢測時可適當降低混合測試氣體中的氧氣含量。High oxygen concentrations in the carrier gas, as encountered when testing poor barriers, will tend to produce detector saturation. One way to avoid this problem is to immerse the package in a test-gas mixture that provides a lower concentration of oxygen than is found in air. Any subsequent data conversions will require that the O₂ partial pressure of such a test gas be known.（當測試阻隔性差的包裝物時，載氣流中的氧氣含量就會很高，這容易引起傳感器的飽和。解決這個問題的一條有效途徑是將包裝物放置在一種混合測試氣體中，其中的氧氣濃度比空氣中的氧氣濃度都要低。可以利用測試氣體中的氧氣分壓值進行之後的測試結果換算。）這需要在包裝物外面加套塑料袋來保證袋內的氧含量，而且塑料袋的阻隔性要很好，否則由於塑料袋兩側（一側為空氣，另一側為混合氣體）存在氧氣濃度差，也會增加袋內的氧氣含量，這對於控制測試氣體中的氧氣含量是不利的，更不利於得出客觀准確的試驗結果。

    再次，需要控制環境溫度。The oxygen transmission rate of most plastic materials will vary 3 to 9%/℃. Since the package test attachment does not provide means for control of package temperature, it will prove advantageous from the standpoint of data reproducibility to locate the instrument in a draft-free, constant-temperature environment.（多數塑料的氧氣透過率每攝氏度能變化3～9％。由於包裝物測試附加裝置並沒有提供控溫功能，因此從試驗數據上來看把設備放在沒有溫漂的恆溫環境中更有利於數據的再現性。）

6、總結

    ASTM F 1307是目前用於檢測包裝物透氧性的標准方法。它采用傳感器法測試原理；測試結果以包裝物為單位，方便對包裝物進行整體評價；Reference Package（參考包裝物）標定系統得校正因子Q，是測試的重要步驟之一；試樣裝夾過程繁雜，但是裝夾的效果卻直接影響到試驗結果， Labthink TOY-C1提供的試樣裝夾方式是解決這個問題的有效方法之一。