包裝（zhuāng）物透氧性測試標準概要

    隨著包裝（zhuāng）行（háng）業發展的日新月（yuè）異，輕巧且方便運輸的包裝容器，如 PET塑料瓶、紙塑鋁（lǚ）複合軟包裝等新（xīn）型材料逐步取代了笨（bèn）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（shì）阻隔性能能否滿足（zú）產品包裝的質量要（yào）求呢（ne）？這是消費者、包裝產品的使用者及製造者、各級（jí）質檢機構共同關心的話題，同時也是急需解決（jué）的問題。目前國內尚沒有明（míng）確的包裝物透（tòu）氧性測試方法標準，因此在進行相關測試（shì）時一般遵循ASTM F 1307標準。

　本文結合（hé） ASTM F 1307標準，對有關包裝（zhuāng）容器的透氧性測試給以簡單介紹。

1、適用範圍

　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（zhè）個測試方法探討了一種用於確定氧（yǎng）氣滲透進（jìn）入包裝物的穩定（dìng）滲透速率的（de）測試方法。更明確地說，這種測試方法（fǎ）適用於在（zài）通常使用（yòng）時（shí）能（néng）夠封起一（yī）個幹（gàn）燥（zào）空間的所有包裝物。 )

2、測試方法概（gài）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（miáo）述的相（xiàng）似方式使用（yòng）庫侖氧（yǎng）氣傳感器及其相關設備。氧氣（qì）透過率（O₂ GTR）是（shì）將包裝（zhuāng）物固定在測試裝置上並在測試環境中達到平衡後測定的（de）。包裝物裝夾完（wán）成後能夠形成如下的測試環境：包裝物內側被氮氣流緩（huǎn）慢淨（jìng）化、外（wài）側暴露在氧氣濃度已知的環境中。包裝物（wù）可以暴露在環（huán）境大氣中，它含有（yǒu）20.8％的氧氣，或者是浸在100％的氧（yǎng）氣環境中。當氧氣滲透通過包裝物壁進入載氣（qì）氮（dàn）氣流中（zhōng），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（yǔ）單位時間（jiān）內流入傳感器的（de）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（wù）的外部和內部形成一定的氧濃度差，外（wài）部為（wéi）氧濃度高的一側，而（ér）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（wù）壁向內（nèi）部滲透（tòu）。

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（zhuāng）物的氧氣透過率是單位時間內（nèi）滲透通過包裝物表麵的氧（yǎng）氣（qì）總量。……它的SI單位是（shì）mol/pkg·s。必須寫明測試狀態，包括溫（wēn）度、氧氣（qì）分（fèn）壓（yā）差、以及包裝物兩側的濕度。O₂ GTR的常用單位是cm³( STP )/pkg·d，這裏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（shì）O₂ GTR 與包裝物壁兩側氧氣分壓差的比值。）由於在一定的（de）環境條（tiáo）件下，透過的氧氣摩爾數與（yǔ）它的體（tǐ）積可互相轉換，因此無論是用摩爾數表示還是使用氣體（tǐ）體積表示，含（hán）義都是相同的。

    如（rú）果將包裝物的測試結果單位與薄膜的測試結（jié）果單位相比較（jiào）不難發現，測試麵積沒有了，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（yǒu）接觸過包裝物阻隔性測（cè）試的人來講，會感到這個單位非常（cháng）陌生，其實它就是（shì）一個適用於任何包裝（zhuāng）物的數量單位，相當於件、包，是（shì）package的簡寫。例如，2.25L的PET瓶或是1L的PET瓶都是1pkg，不因體（tǐ）積、麵積的不同而改變。

3.2 pkg單（dān）位的（de）使用原因

    顧名思義（yì），進行包裝物的透氧性測（cè）試就是為（wéi）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（jù）需要先檢測容器片材的（de）氧氣（qì）透過量，然後按照容器的表麵積以及容器各處的厚度來（lái）估算容器整體的（de）透氣量（liàng）。可是容器的壁厚（hòu）很不均勻，外形很不規則致使難以準確測定容器的表麵積，而且材料性質在包裝物的吹塑、注塑等生（shēng）產過程中發生了一（yī）定的變（biàn）化，因此容器透氣量的估算結果與實際檢測結果（guǒ）確實存在一（yī）定的差距，這樣直（zhí）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（néng），這對（duì）進行包裝物整體的阻隔性能（néng）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（shēng）線性輸出的庫（kù）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（huài）達到一定程度而削弱傳感器的響應效（xiào）率。）因此，測試係（xì）統需要周期標定。標定過程與試驗過程（chéng）相同，標（biāo）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（cǐ）標定係數Q的準確與否直接影響到今後（hòu）測試結果的準確性（xìng）。

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（jiāng）包裝物裝夾到（dào）設（shè）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（zài）環境大氣中（20.8％氧氣）。但是如果包裝物的阻隔性很好（hǎo），可以把包裝物浸入100％的氧氣環境中來增（zēng）加（jiā）測（cè）試濃度（dù）梯度，這對試驗更加有利。這可以（yǐ）通過用一個塑料袋或是其它容器罩在包裝物外麵並向其中（zhōng）注入氧氣來實現。）圖1是（shì）標（biāo）準（zhǔn）中給出的包裝物裝夾（jiá）示（shì）意圖，需要注意在容器（qì）封（fēng）口處、以及各進氣管、出氣管（guǎn）的密封（fēng）處理。

圖 1. 塑料瓶、桶的典型固定方式

    Labthink TOY-C1容器/薄膜透（tòu）氧儀提供（gòng）了一種（zhǒng）方（fāng）法來實現100％氧氣濃度（dù）的測試環境（圖2），操作簡單，重（chóng）複使用性好。這種（zhǒng）裝夾結構的（de）最大優點是利（lì）用特（tè）殊設計輕鬆實現（xiàn）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（de）可能性。相對於標準中（zhōng）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（de）安裝和拆卸（xiè）。

圖 2. TOY-C1包裝（zhuāng）容器固定方式（shì）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.（準備設備（bèi）…然後整夜用幹燥（zào）載氣流緩慢（màn）幹燥係（xì）統（繞開傳感器）。…完成包裝物附加（jiā）裝置的裝夾。…吹洗整個係統。開啟50～60mL/min的氮氣流淨化包裝物內的空氣，淨化時（shí）間取決於包（bāo）裝物的體積。…降低氮氣流速至5～15mL/min並保持30min（繞（rào）開傳感器（qì））。…將（jiāng）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（zhí）了，這個值就是E e（包裝物（wù））。…再次繞開傳感器。移走包裝物，並（bìng）在載氣裝置間插入一個不鏽鋼材質的“高阻隔包（bāo）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（shì）當傳感器的輸出電流減小（xiǎo）並穩定在一個較（jiào）低的值上後（hòu），就（jiù）可以把這個值作（zuò）為Eo（包裝物）記錄下來。…將（jiāng）設（shè）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，必須按照標準精確調節。

5.3 其它注意事項

    首（shǒu）先，采用（yòng）的氧氣傳感器是消耗型（xíng）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（guò）標定係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係統的情況。）這是因為空氣中約21％的氧氣濃度會使傳感器損（sǔn）耗較大，因（yīn）此（cǐ）在不使用傳感器時（shí）最好在其內部始終保持有一低（dī）流速的氮氣流。

    其次，進行低阻（zǔ）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（qì）流中的氧（yǎng）氣含量就會很高，這容易引起傳感器的飽（bǎo）和。解決這個問題的一條有（yǒu）效（xiào）途徑是將包裝（zhuāng）物（wù）放置在一種混合測試（shì）氣體中，其（qí）中的氧（yǎng）氣濃（nóng）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（guǒ）換算。）這需要在包（bāo）裝物外麵加套塑料袋來保證袋內的（de）氧含量（liàng），而且塑料袋的阻（zǔ）隔性要很好，否則由（yóu）於（yú）塑料袋兩側（一（yī）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（de）氧氣含量，這對於控（kòng）製測試氣體中的氧氣含量是不利的，更不利（lì）於得出客觀準確的試驗結（jié）果。

    再次，需要控製（zhì）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（néng）變化3～9％。由於包裝物測試附加裝置（zhì）並沒有提供控溫（wēn）功能，因（yīn）此從試驗數據上來看把設備放在沒有溫漂的恒（héng）溫環境中更有利於數據的再現性。）

6、總結

    ASTM F 1307是目（mù）前用於（yú）檢測包裝（zhuāng）物透氧（yǎng）性的標準方法。它采用傳感器法測試原理（lǐ）；測試結果以（yǐ）包裝物為單位，方便對（duì）包裝物進行整體評價；Reference Package（參考包裝物）標（biāo）定係統得校正因子Q，是（shì）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（yàn）結果， Labthink TOY-C1提供的試樣裝夾方式是解決這個問題的（de）有效方法之一。