Einfache und Schnelle Permeabilitätsmessungen von Folien und Membranen
Technische Herausforderung
Durchlässige Materialien gibt es in einer Vielzahl von Anwendungen, z. B. bei Lebensmittelverpackungen, Hygiene- und Gesundheitsprodukten, und umfassen u. a. Papier, Karton, Kunststoff, Gummi und Baumwolle. Durchlässige Oberflächen enthalten Poren auf molekularer Ebene, durch die bestimmte Flüssigkeiten hindurchtreten können.
Die Permeabilität eines Materials ist kein Defekt, sondern eine allgemeine Eigenschaft des Materials. Die Permeation ist auf eine intrinsische Porosität des Materials zurückzuführen. Die Poren können groß (Mikrometerbereich) oder sehr klein (Subnanometerbereich) sein.
Je nach seiner "Chemie" kann das durchlässige Material recht selektiv sein und einige Flüssigkeiten durchlassen, während andere fast vollständig blockiert werden. Ein gängiges Beispiel sind hydrophobe Membranen wie PTFE, die flüssiges Wasser blockieren, aber Luft und Wasserdampf durchlassen.
Permeationsmessungen können bei vielen Anwendungen in der Polymer- und Papierherstellung von Vorteil sein, wo eindringende Flüssigkeiten die Eigenschaften (Haltbarkeit, Geruch, Geschmack) des Produkts verändern können. Da verschiedene Materialien unterschiedliche Permeationsfähigkeiten haben, ist die Kenntnis der Permeationsrate oft entscheidend für die Entwicklung neuer Produkte. Parameter, die die Permeation beeinflussen, sind die eindringende Flüssigkeit, der angewandte Druck, die Temperatur, die Materialdicke und die Oberfläche.
Die Permeation wird in SI-Einheiten von mol/(m s Pa) gemessen.
Die Permeation von Filmen und Membranen kann bestimmt werden, indem man beobachtet, wie die interessierenden Flüssigkeiten während einer bestimmten Zeitspanne durch das betreffende Material fließen. Diese Methode hat jedoch einige Nachteile, da sie zeitaufwändig und manchmal kompliziert ist.
Die INFICON Lösung
Eine alternative Methode für schnelle Messungen ist die Verwendung von Wasserstoff als Modellmolekül und die Messung von Gasmolekülen, die eine Membran durchdringen, mit Hilfe eines Lecksuchers von INFICON. Die hier erläuterte Lösung kann zur Materialqualitätskontrolle oder zur Bestimmung der Materialpermeabilitätseigenschaften eingesetzt werden. Letzteres erfordert umfangreiche Materialstudien einschließlich Korrelationsmessungen zwischen Wasserstoffgas und den interessierenden Fluiden für jede Membran oder Folie.
Neben einem Lecksuchgerät werden auch eine Prüfgasflasche und ein maßgeschneidertes System (Kammer und Halterung, die die Membran fixiert) benötigt.
Das Verfahren beginnt damit, dass die Prüfkammer unterhalb der Membran, mit Hilfe von der Prüfgasbefülleinheit TGF11 von INFICON, mit Wasserstoff als Prüfgas bis zu einem sehr geringen Überdruck gefüllt wird. Das Gas aus der Kammer dringt durch die Membran und sammelt sich in der Prüfkammer.
Der Permeationsprozess verläuft anfangs langsam und beschleunigt sich, sobald die Membran mit Gas gefüllt ist. Um einen möglichst hohen Permeationsfluss zu erzielen, empfiehlt es sich, vor Beginn der Messung zu warten, bis die Membran vollständig gesättigt ist. Sobald sie gesättigt ist, spülen Sie die Prüfkammer, um das Prüfgas zu entfernen, und beginnen Sie mit der Zeitmessung. Warten Sie und lassen Sie das Prüfgas sich in der Prüfkammer ansammeln, bevor Sie die Wasserstoffkonzentration in der Kammer mit Hilfe der AP29 ECO-Probenahmesonde und dem Sensistor ISH2000 Wasserstofflecksuchgerät messen. So lässt sich feststellen, wie viele mol/s durch die Membran geströmt sind. Wenn Sie die Membrandicke und den Druck des Prüfgases kennen, können Sie leicht Permeationswerte in der SI-Einheit mol/(m s Pa) berechnen.
Nach Abschluss der Messung entfernt die Prüfgasbefülleinheit TGF11das Prüfgas auf kontrollierte Weise, um eine Kontamination des Arbeitsbereichs zu vermeiden.
Das für die Permeationsmessungen verwendete Gas ist ein ungiftiges, 100% umweltfreundliches und nicht brennbares Gasgemisch (5% H2/95% N2).
Vorteile der Dichtheitsprüfung mit Geräten von INFICON
- Schnelle und einfache Messungen
- Keine subjektive Interpretation der Leckgröße durch den Bediener, sondern exakte Messung
- Trockenes Verfahren
Dieser Anwendungshinweis soll allgemeine Informationen liefern. Der Einfachheit halber wurden einige relevante Faktoren weggelassen oder nur am Rande behandelt. Für weitere Informationen zur Messung der Permeabilität von Membranen und Filmen kontaktieren Sie uns.