DE2137656C3 - Meßgerät für die Gasdurchlässigkeit von Kunststoff-Folien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zur automatischen Bestimmung der Gasdurchlässigkeit von Kunststoff-Folien nach der volumetrischen Methode gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Kunststoff-Folien besitzen eine Durchlässigkeit für Gase, die je nach der verwendeten Kunststofftype verschieden hohe Werte besitzt. Die Durchlässigkeit der Folien für bestimmte Gase ist ein wichtiges Kriterium für die Verwendbarkeit der Folien als Verpackungsmaterial bei der Verpackung von Lebens- und Genußmitteln sowie pharmazeutischen und technischen Produkten.

Die ständige Entwicklung und Ausweitung der Anwendungsgebiete für Kunststoff-Folien bedingt einen steigenden Bedarf an Meßgeräten zur raschen und genauen Bestimmung der Durchlässigkeit von Folien für

Gase.

Es sind Geräte bekannt, die zur Messung der Gasdurchlässigkeit von Folien geeignet sind. Das Meßprinzip besteht darin, daß eine Meßzelle in zwei Räume ;·, von der zu untersuchenden Folie getrennt wird, beide so entstandenen Räume mit demjenigen Gas befülh werden, für welches die Durchlässigkeit der Folie bestimmt werden soll, und in diesen Räumen unterschiedliche Drücke eingestellt werden. Auf Grund des Druckgefälles, das von einem Raum zum anderen hin herrscht, erfolgt ein Gasaustausch durch die Folie und eine bestimmte Gasmenge pro Zeiteinheit wandert aus dem Raum höheren Druckes in den Raum mit niedrigerem Druck.

Die einzelnen bekannten Meßverfahren unterscheiden sich durch die Methoden zur Bestimmung der permeierenden Gasmenge. Es sind dies:

Die volumetrische Methode oder die Verfolgung der Volumenzunahme bei konstantem Druck: K.

Becker, Kunststoffe, Bd. 54 (1964), S. 155 bis 159. N. Buchner u. G. Schricker, Kunststoffe, Bd. 50 (1960), S. 156 bis 162. W. S c h r ü f e r, Kunststoffe Bd 46 (1956), S. 143 bis 147, sowie S. 270 bis 273 DlN 53 380 4.1.2.

Die volumetrisch-manometrische Methode oder die Bestimmung der gleichzeitigen Änderung von Volumen und Druck: A. C. S h u m a n, Ind. Engng. Chem., Bd. 16 (1944), S. 58 bis 60. W.E. Brown u. W. J. Sauber Technical Papers, Bd. 4 (1958), S. 373 bis 386 DIN 53 380 4.1.1; ASTM D 1434 bis 63.

Die Bestimmung der permeierten Gasmenge nach chemischen Verfahren:

H. Braunisch u. H. Lenhart, Kolloid-Z Bd 177 (1961), S. 24 bis 29.

Die gaschromatographische Erfassung der durchtretenden Gase:

H. L F r i c k e, Package Engng. (1962), S. 51 bis 55. DieAnalyse der Gaszusammensetzung mit Hilfe von Wärmeleitfähigkeitsmeßzellen:

H. Ly s sy, Tara, Bd. 172(1963).

Verwendet man eine auf der Grundlage einer der aufgezählten Meßmethoden arbeitende Mellvorrichtung, so ist wegen der recht geringen Diffusionsgeschwindigkeit der Gase durch die Kunststoff-Folien eine Vielzahl von Einzelmessungen notwendig, um den stationären Zustand der Permeation zu erfassen. Vor jeder Einzelmessung ist entweder ein Evakuieren der Meßberütte oder ein Spülen der Meßzellen mit einem Referenzgas erforderlich. Außer diesen recht umsiaüaliehen Arbeiten muß entweder der Bürettenstand fortlaufend abgelesen und notiert werden oder für jedes zu untersuchende Gas eine aufwendige Eichung vorgenommen werden.

Die von B e c k e r in Kunststoffe (I. c.) beschriebene Vorrichtung zur Messung der Gasdurchlässigkeit nach der volumetrischen Methode ist folgendermaßen aufgebaut: Eine Meßzelle wird durch die zu prüfende Folie in zwei Teilräume unterteilt. Durch den einen Teilraum wird bei Atmosphärendruck ein Probengasstrom geleitet, der andere Teilraum befindet sich unter einem konstanten Unterdruck. Das Gas diffundiert von der Seite des höheren Druckes durch die Folie auf die Seite des niedrigeren Druckes und bewirkt dort eine Volumenzunahmc, die durch die Wanderung eines Quecksilberfadens in einer Meßkapillare sichtbar und meßbar gemacht wird. An die Meßkapillare ist noch ein Volumenausgleichsgefäß angesetzt, dessen Rauminhalt wenigstens das Zweihundertfache des Rauminhalts der Meß-

kapillare beträgt. Im praktischen Betrieb hat jedoch diese Vorrichtung eine Reihe von erheblichen Nachteilen. So muß das Gerät vor jeder Meßreihe 5 Minuten lang auf 1,33 mbar (1 Torr) oder niedriger evakuiert werden. Für die Erzeugung eines derartigen Vakuums sind die in jedem Labor vorhandenen preiswerten Wasserstrahlpumpen nicht mehr geeignet, es muß eine wesentlich teurere ölpumpe benutzt werden. Der Stand des Quecksilberfadens muß in regelmäßigen Abständen abgelesen werden, die Meßwerte müssen auf Millimeterpapier aufgetragen werden und aus der sich ergebenden Kurve wird dann die Gasdurchlässigkeit errechnet; das Gerät bedarf somit einer ständigen Überwachung. Bei Messung in der von B e c k e r beschriebenen Vorrichtung ist die Diffusionsgeschwindigkeit vom Barometerstand abhängig (s. Formel (1), I.e.). Da während einer Meßreihe, die nach Becker (Abb. 4, I.e.) mehrere Tage dauern kann, Luftdruckschwankungen bis zu 20 mbar durchaus t.icht ungewöhnlich $ind, liegt hier eine systematische Fehlerquelle vor, es »ei denn, man würde die in kurzen Abständen abgelesenen Werte jeweils zusätzlich um den Barometerstand korrigieren oder sich auf Messungen an Tagen beschränken, an denen Veränderungen des Barometerstandes nicht zu erwarten sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung zu entwickeln, die die aufgezählten Nachteile der bekannten Meßgeräte für die Bestimmung der Gasdurchlässigkeit von Folien vermeidet.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßanordnung besteht darin, daß der Tauchkolben in Form eines Prismas ausgeführt ist.

Die mit der erfindungsgemäßen Meßanordnung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß das Volumen des permeierenden Gases automatisch registriert wird und die Einzelmessungen automatisch ausgeführt und wiederholt werden ohne daß Eingriffe von überwachenden Personen zwischen den Einzelmessungen notwendig wären, diese also auch nach dem Dienstende des Laborpersonals fortgesetzt werden können.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Meßanordnung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden nebst ihrer Funktionsweise näher beschrieben.

Das Meßzellenoberteil (27) ist durch die zu untersuchende Folie (1) vom Meßzellenunterteil (14) getrennt, mit einem Gaseinlaß (2) versehen und an einen Mano staten (3) angeschlossen. Das Meßzellenunterteil (14) ist an einen Schenkel (4) einer kalibrierten mit Quecksilber befüllten aus einem formstabilen Werkstoff wie Glas, Metall oder Kunststoff ausgeführten zweischenkligen Bürette (4,6) ohne Verwendung von beweglichen Verbindungsstücken aus Gummi o. ä. dicht angeschlossen. An seinem oberen Teil, in Höhe seines Gasraumes ist ein kleines U-Rohr-Koniaktmanometer (5) angebracht, welches zwei durch die Wandung geführte elek trische Kontakte (16, 17) besitzt und mit Quecksilber befüllt ist.

In dein anderen Schenkel (6) der Bürette ist ein Kolben (7) von sechseckigem bzw. vieleckigem Querschnitt passend eingeschoben. Dieser Kolben ist an seinem aus ⁶S diesem Schenkel (6) herausragenden Ende (15) mit einer Zahnstange (8) fest verbunden, diese Zahnstange ist in der Axialrichtung des Kolbens montiert und trägt an ihren Enden mechanische Geber (19) und (20). Mittels eines Rechts-Links-Elektromotors (9) kann die Zahnstange (8) und damit der Kolben (7) in dem Schenkel (6) über ein Zahnrad (10) in der Höhe verschoben werden. Auf der Motor- und Zahnradachse ist ein Poteniiometer (Jl) montiert. Die Verschiebung der Zahnstange wird auf das Potentiometer (11) übertragen und dessen Widerstand wird von einem Schreibet· (12) kontinuierlich registriert. Durch den elektromechanischen Zweipunkturnschalter (13) wird der Drehsinn des Motors (9) geändert.

Zu Beginn einer Meßserie wird das Meßzellenoberteil entfernt und der Gasraum in dem Bürettenschenkel (4) mit dem Gas gespült, für welches die Durchlässigkeit für die Folie gemessen werden soll. Anschließend wird der Kolben (7) soweit in den anderen Bürettenschenkel (6) eingeführt, daß der Zweipunktumschalter von dem oberen Geber (20) der Zahnstange betätigt wird und somit der Drehsinn des Rechts-Links-Elektromotors sich geändert hat. Das Quecksilber bemißt man im Vorversuch so, daß es jetzt in dem Bürettenschenke! (4) bis kurz unterhalb des Ansatzes vom U-Rohr-Kontaktmanometer (5) steht. Dann wird die Folie (1) eingelegt und das Meßzellenobertei! (27) aufgesetzt. Über der. Gaseinlaß (2) wird nun in dem Meßzellenobenti! ein Gasüberdruck eingestellt und durch den Manostaten (3) während des gesamten Meßvorganges konstant gehalten. Für Quecksilber als Sperrflüssigkeit beiragt der sich einstellende Druck Hi + B (Torr), wo H\ den Unterschied der beiden Quecksilberniveaus im Manostaten in Millimetern und B den Barometerstand, gemessen in Torr bedeuten. Der zu Beginn der Messung in der Gasbürette (4) herrschende Gasdruck ist gleich B. Da an der Folie von einer Seite zur anderen eine Druckdifferenz H\ + B - B herrscht, erfolgt nun die Permeation des Gases durch die Folie in den Bürettenschenkel (4) und führt dort zu einem Druckanstieg. Sobald der Druck den durch die Anordnung der Kontakte im Manometer (5) festgelegten Wert B + Hi (wo Hi die Niveaudifferenz vom Quecksilber in Millimetern in den beiden Schenkeln des U-Rohr-Kontaktmanometers ist) erreicht hat, sind die Kontakte (16, 17) geschlossen, der Motor (9) eingeschaltet und der Kolben (7) aus dem Bürettenschenkel (6) herausgezogen, was dann zu einem Absinken des Quecksilberniveaus in den Bürettenschenkeln (4, 6) führt. Dadurch wird das Gasvolumen im Bürettenschenkel (4) solange vergrößert und der Druck verkleinert, bis der Kontakt im U-Rohr-Kontaktmanomeier (5) unterbrochen wird, der Motor (9) und damit der Kolben (7) zum Stillstand kommt.

Der beschriebene Vorgang wiederholt sich solange, bis der am unteren Ende der Zahnstange (8) angebrachte mechanische Geber (19) den Zweipunktumschalter (13) betätigt, letzt ändert sich der Drehsinn des Rechls-Links-Motors (9) und der Kolben (7) wird in den Bürettenschenkel (6) eingefahren. Dadurch steigt der Druck im Gasraurn des Bürettenschenkels (4) und baut -ich über eine trichterförmige zur Außenatmosphäre offene Erweiterung (18) des U-Rohr-Kontaktmanometers (5) in die freie Atmosphäre ab.

Wird der Zweipunktumschalter (13) durch den am oberen linde der Zahnstange angebrachten Geber (20) erneut betätigt, so wiederholt sich der Meßvorgang.

Die elektrische Schaltung der Meßanordnung verbindet die U-Rohr-Manometerkontakte (16, 17). den Zweipunktumschalter (13), den Rechts-Links-Motor (9) die Spannungsversorgung (25, 26) den Schreiber (12) und das Potentiometer (H). Der Zweipunktumschalter

(13) ist mit seinem Eingang (21) an dem ersten Pol (26) der Spannungsversorgungsquelle angeschlossen. Mit seinem ersten Ausgang (24) ist er mit dem Kontakt (18) des U-Rohr-Kontaktmanometers (5) verbunden und mit seinem zweiten Ausgang (23) an dem Eingangsleiter des Rechts-Links-Motors (9) angeschlossen. Der Motor (9) ist mit seinem dritten Eingang an den anderen Kontakt (16) des U-Rohr-Kontaktmanometers (5) und mit seinem zweiten Eingang an den zweiten Pol (25) der Spannungsversorgungsquelle angeschlossen. Das Potentiometer (11) ist an den Spannungsschreiber (12) angeschlossen.

Jede Bewegung des Tauchkolbens (7) und die dieser Bewegung direkt proportionale Vergrößerung des Gasvolumens in der Bürette (4) wird durch das lineare Potentiometer (11) in eine wiederum diesen Größen proportionale Widerstandsänderung transformiert und mit einem Schreiber (12) als zeitabhängige Größe registriert. Bei stationärem Zustand der Gaspermeation ergeben sich so Geraden, aus deren Winkel zu der Zeitkoordinate die Gasdurchlässigkeit nach einmaliger Eichung direkt entnommen werden kann. Die aktive

Fläche der Folienprobe (1), die für den Permeationsvorgang verantwortliche Druckdifferenz H\ bis H2 sowie der innere Querschnitt der Bürettenschenkeln (4) und die Charakteristik des Potentiometers (11) sind dabei einfach zu bestimmende Apparatekonstanten, die zur direkten Eichung des Schreibers (12) herangezogen werden.

Üblicherweise haben Büretten eine kreiszylindrischc Form. Wählt man den Tauchkolben (7) ebenfalls zylindrisch, so benötigt man außenliegende Führungen, um eine zentrische Lage des Tauchkolbens zu bewerkstelligen. Diese ist deshalb nötig, um ein über den gesamten Bürettenschenkelquerschnilt gleichbleibendes Niveau des Quecksilberspiegels zu gewährleisten. Am einfachsten bedient man sich eines kantigen, d. h. prismatischen Tauchkolbens, der so dimensioniert ist, daß die Prismenkanten als an der Innenwand der Büretten gleitende Führungen dienen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde ein Sechskant benutzt. Es sind aber auch andersgeformte Tauchkolben voi. anderen Querschnitten möglich, solche die z. B. an der Innenwand der Bürette gleitende Abstandsstücke besitzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Meßanordnung zur automatischen Bestimmung der Gasdurchlässigkeit von Kunststoff-Folien nach 4er volumetrischen Methode, enthaltend eine durch die Folie in zwei Teilräume mit jeweils konstantem »ber unterschiedlichen Meßgasdruck unterteilte Meßzelle, deren Teilraum mit dem niedrigeren Druck mit einem als Bürette ausgebildeten Schenkel eines U-förmigen mit Quecksilber befüllten Rohres aus formstabilem Werkstoff wie Glas, Metall oder Kunststoff verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Oberteil des Schenkels (4) in Höhe seines Gasraumes ein quecksiiberbefülltes U-Rohr-Kontaktthermometer (5) angebracht ist, welches mit zwei durch die Wandung geführten elektrischen Kontakten (16,17) versehen ist und an seinem dem Schenkel (4) abgewandten Ende eine trichterförmige, zur Außenatmosphäre offene Erweiterung (18) trägt, der andere Schenkel (6) der Bürette einen Tauchkolben (7) beinhaltet, welcher an seinem aus diesem Schenkel (6) herausragenden Ende (15) eine in Axialrichtung des Tauchkolbens (7) angebrachte Zahnstange (8) trägt, die mit einem Zahnrad (10) gekoppelt ist, wobei dieses Zahnrad (10) auf der einem elektrischen Rechts-Links-Motor (9) und einem Potentiometer (11) gemeinsamen Achse montiert ist und die Zahnstange (8) an ihren beiden Enden mechanische Geber (19, 20) trägt, welche sich wechselweise mit dem elektromechanischen Zweipunktumschalter (13) im Kontakt befinden, der Zweipunktumschalter mit seinem Eingang (21) an den ersten Pol (26) der Spannungsversorgungsquelle angeschlossen ist, mit seinem ersten Ausgang (24) mit dem Kontakt (18) des U-Rohr-Kontaktmanometers (5) verbunden ist, mit seinem zweiten Ausgang (23) an den Eingangsleiter des Rechts-Links-Motors (9) angeschlossen ist, dieser Motor (9) mit seinem dritten Eingang an den anderen Kontakt (16) des U-Rohr-Kontaktmanometers (5) und mit seinem zweiten Eingang an den zweiten Pol (25) der Spannungsversorgungsquelle angeschlossen ist, und das Potentiometer (11) an einen Spannungsschreiber (12) angeschlossen ist.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tauchkolben (7) in Form eines Prismas ausgeführt ist.