Статьи

Как выбрать метод измерения паропроницаемости WVTR: ASTM D6701, E96, F1249 и F3299

Для измерения паропроницаемости WVTR не существует одного универсального метода. Дышащие нетканые материалы, пищевая упаковка и высокобарьерные материалы для электроники могут отличаться по паропроницаемости на много порядков, поэтому для их испытаний используются разные методы и принципы измерения.

ASTM D6701 предназначен прежде всего для материалов с очень высокой паропроницаемостью, ASTM E96 использует классический гравиметрический подход, ASTM F1249 основан на инфракрасном определении водяного пара, а ASTM F3299 позволяет измерять сверхнизкие значения WVTR высокобарьерных материалов.

Подробнее о проницаемости материалов, единицах измерения и факторах, влияющих на результат, можно прочитать в статье «Что такое проницаемость?» .

Диапазоны измерения методов WVTR

Главное различие между методами — диапазон паропроницаемости, для которого они предназначены. Области применения частично перекрываются, но один метод, подходящий для дышащей мембраны, может быть совершенно непригоден для высокобарьерной плёнки.

Почему значения WVTR настолько различаются?

Требования к прохождению водяного пара зависят от назначения материала. Для некоторых изделий проникновение влаги необходимо максимально ограничить, а для других способность пропускать водяной пар является важной частью их функциональных свойств.

Например, электроника, OLED и фотоэлектрические элементы требуют очень высокой защиты от влаги. Упаковочные материалы занимают промежуточный диапазон, а дышащие нетканые материалы, наоборот, специально должны обеспечивать интенсивный отвод водяного пара.

Измерение WVTR применяется, в частности, для:

• пищевой упаковки — для поддержания необходимых условий хранения продукции;

• фармацевтической и медицинской упаковки — для защиты влагочувствительных препаратов и изделий;

• дышащих нетканых материалов — для СИЗ, средств личной гигиены и изделий, контактирующих с кожей;

• строительных мембран и теплоизоляционных материалов;

• электроники, OLED и фотоэлектрических элементов.

ASTM D6701 — дышащие материалы с высокой паропроницаемостью

ASTM D6701 применяется для измерения WVTR материалов с очень высокой паропроницаемостью. К ним относятся полимерные нетканые материалы и пористые мембраны, используемые в средствах индивидуальной защиты, средствах личной гигиены и строительстве.

Такие материалы должны пропускать водяной пар с высокой скоростью, но при этом препятствовать прохождению жидкой воды и капель.

Метод использует модифицированную схему перевёрнутой чашки с защитной плёнкой и высокоточным датчиком относительной влажности. Такая конструкция уменьшает влияние воздушного зазора, который может воздействовать на результат при испытаниях по ASTM E96.

Паропроницаемость определяется на основании концентрации водяного пара, расхода газа-носителя и температуры. По сравнению с гравиметрическим методом ASTM E96 инструментальный метод D6701 позволяет значительно быстрее получать результаты испытания.

Преимущества ASTM D6701

• предназначен для материалов с очень высокой паропроницаемостью;

• высокая воспроизводимость результатов между лабораториями;

• быстрое получение результатов по сравнению с гравиметрическим методом;

• подходит для производственного контроля дышащих материалов.

Ограничения ASTM D6701

• предназначен преимущественно для определённых типов высокопроницаемых материалов;

• результаты нельзя напрямую пересчитать в результаты других методов определения WVTR.

ASTM E96 — гравиметрический чашечный метод

ASTM E96 — один из наиболее известных методов определения паропроницаемости. Он основан не на измерении концентрации водяного пара датчиком, а на определении изменения массы испытательной чашки во времени.

Исследуемым материалом закрывают чашку, содержащую воду или осушитель. После этого чашку помещают в среду с контролируемыми температурой и влажностью и периодически взвешивают. WVTR рассчитывается по изменению массы во времени.

Метод с водой

В водном варианте внутри чашки поддерживается высокая влажность. Водяной пар проходит из чашки через исследуемый материал во внешнюю среду, а скорость потери массы используется для определения WVTR.

Метод с осушителем

При использовании осушителя под образцом создаётся среда с низкой влажностью. Водяной пар проходит из окружающей среды через исследуемый материал и поглощается осушителем, вызывая увеличение массы чашки.

Преимущества ASTM E96

• простой и широко применяемый принцип измерения;

• относительно простое испытательное оборудование;

• подходит для широкого спектра материалов со средней и высокой паропроницаемостью;

• возможны различные конфигурации испытания и условия влажности.

Ограничения ASTM E96

• испытание может занимать от нескольких дней до нескольких недель;

• метод требует больше ручного труда по сравнению с автоматизированными инструментальными методами;

• чувствительность ограничена возможностью точно определить небольшое изменение массы;

• для высокобарьерных материалов обычно удобнее использовать более чувствительные инструментальные методы.

ASTM F1249 — измерение WVTR с инфракрасным датчиком

ASTM F1249 предназначен для измерения паропроницаемости гибких барьерных плёнок и листовых материалов, включая однослойные и многослойные полимеры, фольгу и материалы с покрытиями.

Исследуемый образец герметично устанавливается между влажной и сухой камерами диффузионной ячейки. Водяной пар, прошедший через материал, смешивается с газом-носителем и направляется к инфракрасному датчику с модуляцией давления.

Датчик измеряет поглощение инфракрасного излучения водяным паром и формирует электрический сигнал, величина которого связана с концентрацией влаги. Полученный результат сравнивается с измерением эталонной плёнки с известным значением WVTR.

Преимущества ASTM F1249

• высокая чувствительность и воспроизводимость;

• автоматизированный контроль температуры и влажности;

• результаты получают быстрее, чем при испытаниях по ASTM E96;

• подходит для исследований, контроля качества и производственных испытаний.

Ограничения ASTM F1249

• при сверхнизких значениях WVTR чувствительность ниже, чем у ASTM F3299;

• требуется инструментальная система с ИК-датчиком и контролем параметров испытания.

ASTM F3299 — измерение сверхнизких значений WVTR

ASTM F3299 применяется прежде всего для материалов с высокими и очень высокими барьерными свойствами, когда необходимо определить очень низкие значения паропроницаемости.

Как и при ASTM F1249, образец устанавливается между влажной и сухой камерами. Водяной пар проходит через материал, после чего газ-носитель N₂ переносит его к электролитическому датчику P₂O₅.

В датчике молекулы воды под действием электрического тока разлагаются на водород и кислород. Электрический ток непосредственно связан с количеством прошедшего водяного пара, что обеспечивает высокую чувствительность при измерении очень низких значений WVTR.

Преимущества ASTM F3299

• очень высокая чувствительность при низких значениях WVTR;

• высокая точность и повторяемость измерений;

• подходит для высокобарьерных плёнок, покрытий и материалов для электроники;

• абсолютный кулонометрический принцип измерения.

Ограничения ASTM F3299

• испытания обычно занимают больше времени, чем по ASTM F1249;

• образцам может требоваться длительное время для дегазации и достижения установившегося состояния;

• метод ориентирован на низкие значения WVTR и не предназначен для высокопроницаемых материалов.

Сравнение методов ASTM для измерения WVTR

* Фактический диапазон измерения зависит от конкретного прибора, конфигурации, площади образца и условий испытания.

Какой метод выбрать на практике?

ASTM D6701 подходит для дышащих и нетканых материалов с очень высокой паропроницаемостью, когда требуется быстрое инструментальное измерение.

ASTM E96 — универсальный гравиметрический метод для материалов со средней и высокой паропроницаемостью, если продолжительность испытания не является критическим фактором.

ASTM F1249 подходит для большинства барьерных плёнок и упаковочных материалов, когда необходимы автоматизированные измерения с высокой чувствительностью и сравнительно быстрым получением результатов.

ASTM F3299 применяется для высокобарьерных материалов и сверхнизких значений WVTR, когда особенно важна высокая чувствительность метода.