先进测量方法改进WVTR测试技术

先进测量方法改进WVTR测试技术

第1部分

摘要：包装设计中最关键的参数之一是水蒸汽对包装渗透的控制。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。外界水蒸汽渗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, 比如改变静脉注射溶液袋内的pH。为了努力满足货架期目标,这些是设计者所关注的阻隔包装最重要的问题之一。

WVTR测试标准的历史回顾

美国的测量H₂O透过速率的标准测试技术开始于20世纪40年代早期。基于重量随时间变化增加或者减少，这些早期方法被归类为“重量分析”测试，并且被很多工业协会所采用，比较著名的是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)和严格地说为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重复性都很差。典型的是公司使用同样的膜在不同的实验室内很难得到相同的结果，测试结果令人怀疑。由于不同实验室使用的设备有太多变数, 使得精确控制实验的相对湿度和温度非常困难 。

这些方法也非常地依赖操作员。有经验的操作员用改进技巧尚能得心应手，但是经验稍微差的技术员可能会得出不同的结果，即使检测的是同一种材料。

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％。随着新材料的出现, 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准确。 在20世纪70年代，终于取代于较好的测试方法：ASTM F-372个F-378；以及TAPPI T-523。

比起它们所代替的重量分析测试，这些新的测试方法被证实为更快、更精确和不依赖于于操作员。整个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。然而随着水汽阻隔材料的进一步改进，这些方法也开始变得陈旧。今天，这些仪器不再生产，这些标准也逐渐被淘汰。然而，参考书或者商业期刊可能偶尔看到，当对比材料和阻隔数据时，知道它们与E-96一样陈旧是非常重要的，因为它们不控制测试变量。

现代WVTR测试标准

到1990年，一种新的ASTM标准测试方法被采用，以满足增长的对测试设备更好更精确的需求。这种技术合并了固态电子学与专利脉冲调整红外（PMIR）³技术,可检测(ppm）百万分之一水蒸汽。这类仪器能够快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标准的基础: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，大量的多个实验室间对比研究证明实验室之间取得的数据精度误差在正负3%。今天，这种方法在北美、欧洲和亚洲广被泛应用。在日本，其为标准方法JIS K-7129。

标准测试条件

标准WVTR测试环境可以不同，但是许多北美报导的食品普通条件是：

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“推动力”。它是“湿”面的水蒸汽的部分压力浓度，试图透过“湿”面到“干”面。这个过程是在样品固定在装置器上之后产生的湿度的浓度梯度。

众所周知，直接测量胜于间接测量。在WVTR测试情况下，通常在特定控制的湿度和温度这两个关键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，在测试过程中维持湿度梯度本不变是非常关键的。这意味着“湿”面必须是恒定的已知百分RH，同时“干”面也是恒定的已知低湿度。创造这些条件并不那么容易。

表1. 产生合适%RH推动力技术

盐溶液                            非常精确              腐蚀,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

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。不幸的是，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，在实际生活食品应用中，几乎没有膜暴露于硫酸锌（90％RH盐）中。

2）系数换算法 — 大约在1985年，工业生产中开始采用非盐的过渡相对湿度方法，称为“系数换算法”。这种方法在膜的“湿”面，使用蒸馏水作为百分之百 RH环境。操作员然后通过适当的倍数来换算他们所想得到的RH 环境下值的最终结果。

对比实验表明这种方法是可行的。如图1中所示最先四组实验，阐明了盐溶液和系数换算法得到的结果有很好的相关性。四组普通包装膜材料的测试值看起来非常相似，不管是盐溶液法还是系数换算法。

使用系数换算法具有相当多的优点，包括：消除杂乱、变幻无常盐溶液：极大地减少了仪器腐蚀的可能性；以及增加仪器操作的容易性。这种方法测试无盐溶液在今天广泛应用。

然而，大约1990年，它开始明显地表现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适用。在这些情况下，水蒸汽非常容易在材料中溶解，以至于“系数换算法”变得不正确。尼龙-6是这种现象地一个很好的例子。从图1可以明显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的不再呈现线性关系。

3）鼓泡法 － 这一技术包括一烧杯水，里面有氮气流通过水鼓泡，使氮气潮湿。获得的潮湿的数量取决于几个因素，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，当氮气缓慢鼓泡通过水，水的蒸汽压是21mmHg(毫米汞柱)。在鼓泡器所处的环境温度下，离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℃）。当气流达到样品时，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表现出线性行为。

通常在精确的、已知的、合适的RH和温度下，而不是人造的条件下测试更好。下面谈的生成的RH方法是完成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，第一次引进能够在测试样品的“湿”面产生精确的RH，而不使用盐、鼓泡器或者“系数换算”。这一新功能，称为“G”方法(G 为Generated的英文简写) 。该法使操作员仅仅简单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