De noodzaak om de doorvoer van waterdamp door verpakkingsfolies of -barrières te meten - Industrial Physics De noodzaak om de doorvoer van waterdamp door verpakkingsfolies of -barrières te meten - Industrial Physics

Productaanvragen

Product(en) waarin ik geïnteresseerd ben

U heeft momenteel geen producten in uw winkelwagen, ga verder met browsen en selecteer een of meerdere producten.

Offerte aanvragen

Ga door met browsen

Kennisbank

De noodzaak om de doorvoer van waterdamp door verpakkingsfolies of -barrières te meten

Achtergrond

De doorvoer van waterdamp door verpakkingsfolies of -barrières heeft talrijke drijfveren. Het voor de hand liggende voorbeeld van typische levensmiddelenverpakkingen wordt nu goed bediend door gemakkelijk verkrijgbare instrumenten voor permeatiemeting. De hogere eisen die worden gesteld aan de films die voor de huidige commerciële generatie fotovoltaïsche zonnecellen worden gebruikt, liggen aantoonbaar binnen de grenzen van de huidige commerciële instrumenten. De noodzaak van extreme hermetischiteit voor waterdamp bij de constructie van organische LED-displays heeft de instrumentfabrikanten echter voor de nieuwste uitdaging gesteld. Naar verluidt zal een waterdamptransmissiesnelheid (de noodzaak om de WVTR te meten) van minder dan 10-5 g/m2/dag OLED-schermen een levensduur geven van beter dan 1 jaar (1), waarna de interne elektroden steeds meer aangetast zullen worden. Fabrikanten van barrières streven nu naar WVTR-prestaties van 10-7 g/m2/dag, om commerciële producten met een langere nuttige levensduur te kunnen leveren. Deze materialen kunnen momenteel alleen in meerlagige vorm worden geproduceerd, waarbij traditionele organische polymeerfilm wordt afgewisseld met anorganische metallische materialen. Op deze wijze worden, ondanks defecten in de afzonderlijke lagen, labyrintische paden (2)gecreëerd om de doorvoer van gas en damp tegen te houden.

Technieken voor meting

Traditioneel bestaat een systeem voor het meten van WVTR uit een natte en een aangrenzende droge kamer die van elkaar gescheiden zijn door een vel te testen barrièremateriaal. Strikte controle van de natte en droge omgeving, gecombineerd met vochtmetingen kunnen, met behulp van de Wet van Fick, worden gebruikt om de waterdoorlatendheid door de barrière te berekenen. De wet stelt eenvoudigweg dat diffusie door een barrière een lineaire functie is van de concentratiegradiënt over de barrière en de dikte ervan. Dus met kennis van de waterdampconcentratie aan beide zijden, en de afmetingen van de barrière, kan het WVTR worden gevonden. De taak wordt dus het meten van het vochtgehalte aan beide zijden van de te testen barrière. Om dit in perspectief te plaatsen: de 10-5 g/m2/dag WVTR die hierboven met betrekking tot OLED’s is genoemd, komt overeen met minder dan 0,2 ppbv waterdampgehalte in de droge kamer van een typische permeatie-instrumentconfiguratie.

Er zijn een aantal kandidaat-sensormethoden voor de meting van vocht, en uitsluitend de taak van het sporenniveau in een droge kamer met een laag vochtgehalte zal in aanmerking worden genomen. De meest gebruikelijke technieken voor het opsporen van water zijn infrarood (IR) licht spectrale absorptie, massaspectrometrie, metallisch Calcium oxidatiesnelheid en Coulometrische elektrochemische cellen. Hiervan kunnen de IR-technieken verder worden onderverdeeld in vier gemakkelijk te identificeren kanshebbers, Fourier transform IR, cavity ring down spectroscopy (CRDS), tuneable laser diode (TLD), en niet-dispersief of gefilterd IR.

FTIR, gebaseerd op meervoudige piekidentificatie in het spectrum, is lange tijd de techniek bij uitstek geweest voor onderzoek, maar is geen leider in de commerciële arena, omdat het een complexe en dure techniek is. CRDS is gebaseerd op het concept van meting van de vervaltijd van een zeer korte laserpuls die wordt afgevuurd in een resonantieholte die het te meten gas bevat. De IR-puls die spectraal voor water is geselecteerd, zal langzamer vergaan naarmate er minder water aanwezig is. De prestaties komen in de buurt van de huidige eisen voor WVTR-filmtests en in deze hoedanigheid is het ook gebruikt (3). Deze studie aan de NPL in het VK lijkt een “proof of concept” te zijn, en het is waarschijnlijk dat een commerciële toepassing duur zou zijn zonder duidelijk pad voor verbetering van de metingen.

  width=

TLD-spectroscopie, met de mogelijkheid van een zeer smalle bandbreedte, heeft het afgelopen decennium veel werk gekend, en is wellicht geschikt voor toekomstige permeatiemetingen. NDIR, gewoonlijk gebaseerd op de absorptie van een enkele optisch gefilterde piek, is een gevestigde waarde in permeatie-instrumenten van een aantal leveranciers. Commerciële instrumenten hebben echter een aantoonbaarheidsgrens die een orde van grootte hoger ligt dan de huidige eisen voor de prestaties van de barrière.

Massaspectrometrie is in staat vrijwel elke gassoort te meten, omdat zij het moleculaire gewicht van ionen in haar detector kan detecteren.

Het moet echter werken bij lage vacuümdrukken, en daarom moet een geavanceerd gasbemonsteringssysteem worden gebruikt om te kunnen werken bij bijna atmosferische drukken. Dit, te zamen met de complexiteit en de kosten, hebben het gebruik ervan tot dusver beperkt tot academisch onderzoek.

Calcium dunne films worden in de aanwezigheid van vocht omgezet in hydroxide, dat heel andere optische en elektrische eigenschappen heeft dan het metaal. Aanvankelijk leek dit een ruwe techniek, maar uit onderzoek waarbij gebruik werd gemaakt van zowel veranderingen in de weerstand als in de optische transmissie, blijkt dat hiermee de vereiste gevoeligheid voor het testen van de nieuwste barrières kan worden benaderd. Bovendien is onlangs aangetoond dat de vaak genoemde storing door zuurstof, dat ook met het Ca reageert, onbeduidend is (4). Het is echter alleen gebruikt voor eenmalige experimentele metingen in laboratoriumomstandigheden en leent zich niet gemakkelijk voor het ontwerpen van instrumenten. Een van de problemen is een zeer beperkt dynamisch bereik, beperkt tot het laagste permeatiebereik.

  width=

Coulometrische sensoren tenslotte, die gebaseerd zijn op de elektrolysestroom van de waterdamp die in een hygroscopisch materiaal wordt geabsorbeerd, zijn de technologie bij uitstek voor diverse fabrikanten van permeatie-instrumenten. Systech Illinois Instruments loopt al een aantal jaren voorop bij de ontwikkeling van deze sensoren, die een economische maar potentieel uiterst gevoelige oplossing bieden.

 

Kalibratie en standaarden

De meeste IR-absorptie-instrumenten hebben een karakteristieke respons op de waterdampconcentratie, die een functie is van het ontwerp van de detector van het instrument, en die in de loop van de tijd kan gaan afwijken. Bijgevolg moeten zij van tijd tot tijd worden gekalibreerd. Coulometrische sensoren daarentegen zijn onderworpen aan de Wet van Faraday, die de elektrochemische dissociatie van een watermolecuul relateert aan precies 2 elektronen, waardoor een stroom wordt geleverd die absoluut gerelateerd is aan de hoeveelheid verbruikt water. Tot op zekere hoogte kunnen ook calciumomzettingstechnieken aanspraak maken op absolute ijking wanneer de stoichiometrie van de chemische reactie in aanmerking wordt genomen, mits al het water wordt verbruikt.
Standaarden voor ijking zijn verkrijgbaar in de vorm van traceerbare gasflessen. Opnieuw zijn de NPL actief geweest op dit gebied(5), met de mogelijkheid om normen te produceren in het bereik van 5-2000 ppbv; ongetwijfeld zijn er alternatieve bronnen beschikbaar. Een andere standaard is een geijkte barrière van een soort die door de fabrikant van het instrument wordt verstrekt en die zelf weer is geijkt aan de hand van een herleidbare standaard.

Naast het aspect vochtmeting moet de methodologie van de karakterisering van de barrière zorgvuldig worden overwogen om de nadelen van lekken, vallen, verontreinigende gassen enz. te vermijden. Daartoe zijn verscheidene nationale normen opgesteld om algemene regels vast te stellen voor het ontwerp en de werking van instrumenten; twee daarvan zijn bijvoorbeeld ASTM F-1249 voor gemoduleerde NDIR-instrumenten en ISO 15106-3 voor elektrolytische (Coulometrische) instrumenten.

Vergelijking van commerciële instrumenten

Er zijn twee klassen commerciële permeatiemeetinstrumenten algemeen verkrijgbaar. Dit zijn de NDIR-spectroscopische absorptieontwerpen en de coulometrische instrumenten.

NDIR-instrumenten bieden gemakkelijke, gebruiksvriendelijke metingen met weinig onderhoud en relatief gebruiksgemak. Sommige kunnen ook de dubbele functie van Zuurstofoverdrachtssnelheid en WVTR vervullen. Deze permeatiemetingen zijn niet absoluut, zodat periodieke kalibratie ten opzichte van een standaard noodzakelijk zal zijn om eventuele drift tegen te gaan en de nauwkeurigheid te handhaven. Het huidige NDIR-aanbod lijkt nu de detectiegrens van ongeveer 10-3 g/m2/dag te hebben bereikt, zonder dat het waarschijnlijk is dat de gevoeligheid nog zal toenemen.

Coulometrische WVTR-metingen vergen gewoonlijk een beetje meer huishouding in de vorm van sensoronderhoud, maar verder zijn moderne digitale instrumenten ongecompliceerd en gebruiksvriendelijk. Zij hebben ook het grote voordeel dat de metingen absoluut zijn, dus rechtstreeks verband houden met de precieze hoeveelheid waterdamp die wordt doorgelaten, en dat er geen standaard voor nodig is. De nieuwste instrumenten hebben de gevoeligheid van de NDIR-types reeds overtroffen en verdere verbeteringen liggen binnen bereik. Systech Illinois Instruments heeft zich, met het oog op bredere ontwikkelingen, gespecialiseerd in dit type permeatiemeting en kan met zijn bypass sensing ontwerp een lineaire respons geven over het volledige bereik. Met een beleid van voortdurende ontwikkeling van hun eigen sensoren en instrumenten, hebben zij de behoeften van de OLED gemeenschap stevig in hun vizier.

DOWNLOAD DE PDF

BEKIJK ONZE SYSTECH PRODUCTEN

Voetnoten
1 S. Schubert, H. Klumbies, L. Müller-Meskamp, and K. Leo, Rev. Sci. Instrum. 82, 094101 (2011)
2 G. L. Graff, R. E. Williford, and P. E. Burrows, J. Appl. Natuurkunde. 96, 1840 (2004)
3 P. J. Brewer, B. A. Goody, Y. Kumar, and M. J. T. Milton, Rev. Sci. Instrum. 83, 075118 (2012)
4 Matthew O. Reese, Arrelaine A. Dameron, and Michael D. Kempe, Rev. Sci. Instrum. 82, 085101 (2011)
5 P. J. Brewer, B. A. Goody, P. T. Woods, and M. J. T. Milton, Rev. Sci. Instrum. 82, 105102 (2011)

December 2012
Door Ken Evans MEng CEng MIET