ASTM D3985 est la méthode d'essai standard pour le taux de transmission de gaz d'oxygène (OTR) des films en plastique, des feuilles, des stratifiés, des coextrusions et du papier ou des tissus revêtus de plastique à l'aide d'un capteur coulométrique, avec l'édition actuelle désignée D3985-24. L'échantillon divise une cellule de diffusion en deux chambres: l'oxygène pur coule d'un côté tandis qu'un gaz porteur d'azote balaie l'autre, et l'oxygène qui pénètre le film est quantifié par un capteur coulométrique travaillant sur la loi de Faraday. Une fois l'état d'équilibre atteint, l'instrument lit directement le taux de transmission. Dans les conditions normales de 23 °C, 0 % d'humidité relative et une surface d'essai de 50 cm², les résultats sont rapportés en cm³/(m²·jour), avec la perméabilité à l'oxygène et, pour les matériaux homogènes, le coefficient de perméabilité. Comme la détection est absolue plutôt que comparative, la méthode est largement utilisée pour les emballages alimentaires, pharmaceutiques et médicaux sensibles à l'oxygène, où la durée de conservation dépend directement de l'entrée d'oxygène.
1. Comment le capteur coulométrique transforme l'oxygène en courant
Le capteur coulométrique fonctionne selon la loi de Faraday de l'électrolyse : chaque molécule d'oxygène entrant dans le capteur participe à une réaction électrochimique qui libère une quantité fixe de charge électrique, de sorte que le courant du capteur est directement proportionnel au flux d'oxygène arrivant du film. Cette relation absolue est la raison pour laquelle la chimie des capteurs n'a pas besoin de courbe d'étalonnage empirique, et dans la pratique elle distingue la détection coulométrique des méthodes de capteurs relatifs, où chaque lecture dépend de la valeur présumée d'un film d'étalonnage. Le gaz porteur est de l'azote contenant 0,5 à 3,0 pour cent d'hydrogène avec pas plus de 100 ppm d'oxygène - la petite fraction d'hydrogène maintient la cathode du capteur dans son état actif réduit - tandis que le gaz d'essai est de l'oxygène d'au moins 99,5 pour cent de pureté. La détection est continue et non destructive, de sorte que l'instrument peut regarder le signal monter et confirmer exactement quand l'échantillon atteint la perméation à l'état stable.
2. Spécimens et conditions d ' essai standard
La zone d'essai exposée dans la cellule de diffusion est de 50 cm², l'épaisseur de l'échantillon est enregistrée comme la moyenne d'au moins cinq mesures et les échantillons présentant des rides, des plis ou des trous à épingles sont disqualifiés. L'édition actuelle exige que les échantillons soient pré-conditionnés dans un séchoir pendant au moins 48 heures, car l'état standard est de 23 °C et 0 % d'humidité relative avec une température contrôlée à ± 0,5 °C; d'autres combinaisons de température et d'humidité sont autorisées par accord. Cette option est importante pour les barrières sensibles à l'humidité telles que l'EVOH, dont la transmission d'oxygène augmente fortement à une humidité relative élevée. Le défaut sec surprend souvent les laboratoires habitués au travail de WVTR à 90% RH - pour OTR, l'état standard isole délibérément le film de l'humidité afin que les résultats restent comparables entre les laboratoires. La déclaration des conditions de conditionnement et d'essai à côté de chaque résultat fait partie de la méthode, car les valeurs OTR prises à différents niveaux d'humidité ne sont pas interchangeables.
La course commence par la purge: les deux chambres cellulaires sont rincées avec de l'azote à 50 à 60 mL/min pendant 3 à 4 minutes pour éliminer l'air, le débit du support est ensuite réduit à 5 à 15 mL/min et maintenu pendant 30 minutes, et la lecture zéro E0 est enregistrée. L'oxygène est ensuite mis sur le côté du gaz d'essai - un débit d'environ 60 ± 10 mL/min est typique - et le courant du capteur monte jusqu'à ce qu'il se stabilise à Ee. L'OTR s'obtient par OTR = (Ee − E0) × Q / (A × RL), où Q est la constante du système, A la surface d'essai et RL la correction de fuite, exprimée en cm³/(m²·day). Les films minces à coefficients de diffusion élevés atteignent l'état d'équilibre en 30 à 60 minutes, tandis que les structures plus épaisses ou plus complexes nécessitent généralement plusieurs heures avant que la lecture ne s'installe.
3. Calibration, contrôle de qualité et résultats typiques
L'étalonnage du système utilise des films de référence certifiés traçables au NIST pour établir la constante de l'instrument, et la méthode s'attend à ce que l'efficacité du capteur se situe dans la bande de 95 à 98 %. Un contrôle de fuite de routine exécute une feuille métallique imperméable à l'oxygène comme spécimen: un système sain lit essentiellement zéro. Les données interlaboratoires publiées avec la méthode montrent des valeurs OTR d'environ 0,06 cm³/(m²·jour) pour le PET aluminisé et d'environ 0,30 pour un stratifié EVOH avec une bonne répétabilité et reproductibilité - des chiffres qui illustrent également les couvertures de détection coulométrique de plage dynamique, des structures métallisées à haute barrière aux films non revêtus plusieurs ordres de grandeur plus élevés. Ces contrôles appartiennent à toute routine de laboratoire : un capteur dérivant hors de sa bande d’efficacité ou un joint de cellule qui fuit produit des chiffres plausibles qui surestiment ou sous-estiment tranquillement la vraie performance de barrière du film.
4. Choix entre méthodes à pression égale et à pression différentielle
ASTM D3985 est une méthode à pression égale: les deux côtés du film sont à pression ambiante, la force motrice est la différence de pression partielle de l'oxygène, et l'échantillon ne porte aucune contrainte mécanique - ce qui convient aux matériaux minces et à haute barrière. Son homologue international est ISO 15105-2, la méthode à égale pression avec détecteur coulométrique. Les méthodes à pression différentielle telles que ASTM D1434 ou ISO 2556 tirent un vide ou appliquent une pression d'un côté pour créer environ une atmosphère de force motrice; Les films très doux peuvent se déformer et les conditions du côté vide sont difficiles à concilier avec un emballage réel. Une norme coulométrique nationale équivalente joue le même rôle d'arbitrage pour les films stratifiés et les pochettes dans les normes de produits chinoises. Les deux approches rapportent la même quantité physique, de sorte que les tables de comparaison entre méthodes sont courantes dans les fiches de données des fournisseurs. Quelle que soit la méthode choisie, elle doit correspondre aux spécifications du client et être indiquée par numéro dans le rapport d'essai.
- ASTM D3985-24 : méthode de capteur coulométrique pour la vitesse de transmission d'oxygène des films plastiques, des feuilles et des stratifiés
- Condition standard: 23 °C, 0 % RH, température à ±0,5 °C, surface d'essai de 50 cm², préconditionnement sec ≥48 h
- Gaz porteur: azote + 0,5-3,0% d'hydrogène (≤100 ppm d'oxygène); gaz d'essai: oxygène ≥99,5%
- Séquence: purger 50-60 mL/min pendant 3-4 min → support 5-15 mL/min, maintenir 30 min → E0 → oxygène sur → Ee
- OTR = (Ee − E0) × Q / (A × RL) en cm³/(m²·jour); Le contrôle des fuites de foile métallique devrait lire ≈ 0
- homologue internationale ISO 15105-2; une norme coulométrique nationale équivalente sert de méthode d'arbitrage pour les films stratifiés
