先进测量方法改进WVTR测试技术

进步丈量方法改良WVTR测试技术

第1局部

摘要：包装设计中最症结的参数之一是水蒸汽对包装渗入渗出的控制。九十年代开始使用新的TAPPI和ASTM水蒸汽透过速率（WVTR）标准和改进的方法，以及产生正确产生测试湿度的改进方法。外界水蒸汽浸透进塑料或者涂料纸包装的干燥产品内,使饼干及土豆片受潮，同样，含水产品的包装会有水蒸汽透出, 比方转变静脉打针溶液袋内的pH。为了尽力知足货架期目的,这些是设计者所关注的阻隔包装最重要的问题之一。

WVTR测试标准的历史回想

美国的测量H₂O透过速率的尺度测试技巧开端于20世纪40年代早期。基于重量随时光变更增添或者减少，这些早期方式被归类为“分量剖析”测试，并且被良多产业协会所采取，比拟有名的是ASTM¹和TAPPI²。这些方法为人所知的名称多种多样，例如MVT(水蒸汽透过)，MVTR(水蒸汽透过速率)和严厉地说为WVTR(水蒸气透过速率)测试。首先，在1941年，北美开始采用两个阻隔包装标准ASTM E-96（量杯实验）和TAPPI T-464（重量分析测试）。

这些方法的实验室内重复性以及实验室间的反复性都很差。典范的是公司使用同样的膜在不同的实验室内很难得到雷同的结果，测试结果令人猜忌。因为不同实验室使用的设备有太多变数, 使得精确节制实验的相对湿度和温度非常艰苦 。

这些方法也无比地依附操作员。有教训的操作员用改进技能尚能得心应手，然而经验略微差的技术员可能会得出不同的结果，即便检测的是统一种材料。

ASTM组织了多个实验室间的对比实验，报导的现有的E-96方法有大约20%的误差（实验室之间）；然而TAPPI报导的方法T-464的误差大约23％。随着新材料的呈现, 阻隔性超过了传统的玻璃纸和蜡薄玻璃纸，该测试方法显得耗时耗力且极其不正确。 在20世纪70年代，终于代替于较好的测试方法：ASTM F-372个F-378；以及TAPPI T-523。

比起它们所取代的重量分析测试，这些新的测试方法被证明为更快、更精确和不依赖于于操作员。全部20世纪80年代，它们被用于测试聚丙稀、塑料薄膜和其它包装阻隔材料。然而跟着水汽阻隔材料的进一步改进，这些方法也开始变得陈腐。今天，这些仪器不再生产，这些标准也逐步被淘汰。然而，参考书或者贸易期刊可能偶然看到，当对比材料和阻隔数据时，晓得它们与E-96一样陈旧长短常主要的，由于它们不把持测试变量。

古代WVTR测试标准

到1990年，一种新的ASTM标准测试办法被采用，以满意增加的对测试装备更好更准确的需要。这种技术合并了固态电子学与专利脉冲调剂红外（PMIR）³技术,可检测(ppm）百万分之一水蒸汽。这类仪器可以疾速和精确测试多重样品，并且在六年后，测试与E-96相对比，成为美国最新WVTR标准的基本:TAPPI T-557(PM95)，1995年出版；和ASTM F-1249-90，1990年出版。

这些方法应用于MOCON PERMATRAN-W⁴ 产品。在13个不同的ASTM成员实验室之间，大批的多个实验室间对比研讨证实实验室之间获得的数据精度误差在正负3%。今天，这种方法在北美、欧洲和亚洲广被泛利用。在日本，其为标准方法JIS K-7129。

标准测试条件

标准WVTR测试环境能够不同，但是很多北美报导的食物普通条件是：

温度 相对湿度

100^oF(37.8℃) 90％RH

85^oF(29.8℃) 80％RH

在WVTR测试中，测试相对湿度称之为“推进力”。它是“湿”面的水蒸汽的部门压力浓度，试图透过“湿”面到“干”面。这个进程是在样品固定在安装器上之后产生的湿度的浓度梯度。

家喻户晓，直接测量胜于间接测量。在WVTR测试情形下，通常在特定掌握的湿度和温度这两个要害参数下进行直接测量的结果更精确。

产生合适的RH

最常用的相对湿度产生方法有四种如表1所示。为WVTR精确测试，在测试过程中保持湿度梯度本不变是非常关键的。这象征着“湿”面必需是恒定的已知百分RH，同时“干”面也是恒定的已知低湿度。发明这些条件并不那么容易。

表1. 产生合适%RH推能源技术

方法 优点 毛病

盐溶液 异常精确 腐化,操作误差

系数换算法100％RH 容易，不腐蚀 对亲水性材料不精确

外部蒸发喷雾器 使用容易 不产生合适测试RH，间接方法

发生精确RH 直接方法，在准确RH下测试 无

1）盐溶液法 -- 从1975年到大约1985年，饱和盐溶液被用于创造80%到90%的RH推动力。可怜的是，这些盐能腐蚀测试设备，并且比较杂乱，对操作员的依赖性大。并且它们所创造的RH是人为的方法。例如，在实际生涯食品应用中，简直不膜裸露于硫酸锌（90％RH盐）中。

2）系数换算法 — 大概在1985年，工业出产中开始采用非盐的过渡绝对湿度方法，称为“系数换算法”。这种方法在膜的“湿”面，应用蒸馏水作为百分之百 RH环境。操作员而后通过恰当的倍数来换算他们所想得到的RH 环境下值的终极结果。

对照试验表明这种方法是可行的。如图1中所示最先四组实验，说明了盐溶液跟系数换算法得到的成果有很好的相干性。四组一般包装膜资料的测试值看起来十分类似，不论是盐溶液法仍是系数换算法。

使用系数换算法存在相称多的长处，包含：打消混乱、变幻无常盐溶液：极大地减少了仪器腐蚀的可能性；以及增长仪器操作的轻易性。这种方法测试无盐溶液在今天普遍运用。

然而，大约1990年，它开始显著地表示出这种技术并不是对所有阻隔材料和许多亲水聚合物都是实用。在这些情况下，水蒸汽非常容易在材料中溶解，甚至于“系数换算法”变得不正确。尼龙-6是这种景象地一个很好的例子。从图1可以显明的看到亲水聚合物例如EVOH和某些尼龙随着百分RH推动力的变化，相应的WVTR的不再浮现线性关联。

3）鼓泡法 － 这一技术包括一烧杯水，里面有氮气流畅过水鼓泡，使氮气湿润。取得的潮湿的数目取决于多少个因素，包括流速、水纯度、测试温度和鼓泡器温度下的水的蒸汽压。

例如，在室温72°F（23℃），下，当氮气迟缓鼓泡通过水，水的蒸汽压是21mmHg(毫米汞柱)。在鼓泡器所处的环境温度下，分开鼓泡器的氮气气流含100%RH水汽。然而，气流下游的WVTR试样，处在北美通常采用的实验条件 100°F（37.8℃）。当气流到达样品时，它在100°F下的相对湿度仅仅为38%RH。它在WVTR90％RH时的值必须用数学方法外推。这引入了误差和不精确，因为不是所有材料的透过速率/%RH表现出线性行动。

通常在精确的、已知的、适合的RH和温度下，而不是人造的前提下测试更好。下面谈的天生的RH方法是实现这一测试的最好方法。

4）生成的RH方法－ 到1992年后期，开发了一种新的WVTR测量使用仪器，第一次引进可能在测试样品的“湿”面产生精确的RH，而不使用盐、鼓泡器或者“系数换算”。这一新功效，称为“G”方法(G 为Generated的英文简写) 。该法使操作员仅仅简略地调节通过蒸馏水湿度调节器上的测试气压，就能产生合适的相对湿度。使用双压力法原理，精确的RH便产生了。（专利：Mayer等，1989年8月1日；Mayer和Neiss,1992年4月28日；Mayer和Neiss