ASTM D3985 là phương pháp tiêu chuẩn xác định độ thấm oxy (OTR) của màng nhựa, tấm, màng ghép, đồng đùn và giấy hoặc vải phủ nhựa bằng cảm biến coulometric, bản hiện hành D3985-24. Mẫu thử chia buồng khuếch tán thành hai khoang: một bên cấp oxy nguyên chất, bên kia được khí mang nitơ rửa sạch, và oxy thấm qua màng được cảm biến coulometric định lượng theo định luật Faraday. Khi đạt trạng thái ổn định, máy đọc trực tiếp tốc độ truyền qua. Trong điều kiện chuẩn 23 °C, độ ẩm tương đối 0% và diện tích thử 50 cm², kết quả được báo theo cm³/(m²·day), kèm độ thẩm thấu oxy và hệ số thẩm thấu đối với vật liệu đồng nhất.
1. Nguyên lý: định luật Faraday biến oxy thành dòng điện
Cảm biến coulometric vận hành theo định luật điện phân Faraday: mỗi phân tử oxy đi vào cảm biến tham gia phản ứng điện hóa giải phóng một lượng điện tích cố định, nên dòng điện của cảm biến tỷ lệ thuận với thông lượng oxy đến từ màng. Mối quan hệ tuyệt đối này là lý do bản chất hóa học của cảm biến không cần đường chuẩn thực nghiệm, và trên thực tế nó phân biệt detection coulometric với các phương pháp cảm biến tương đối, nơi mỗi số đọc phụ thuộc vào giá trị giả định của một màng hiệu chuẩn. Khí mang là nitơ chứa 0,5–3,0% hydro với oxy không quá 100 ppm — lượng hydro nhỏ giữ cathode của cảm biến ở trạng thái khử hoạt tính — còn khí thử là oxy độ tinh khiết ít nhất 99,5%. Việc phát hiện liên tục và không phá hủy cho phép máy theo dõi tín hiệu tăng dần và xác nhận chính xác khi mẫu đạt trạng thái thấm ổn định.
2. Mẫu thử và điều kiện chuẩn
Diện tích thử tiếp xúc trong buồng khuếch tán là 50 cm², độ dày mẫu được ghi bằng giá trị trung bình của ít nhất năm điểm đo, và mẫu có nếp nhăn, vết gấp hoặc lỗ kim loại bị loại. Bản hiện hành yêu cầu tiền xử lý mẫu trong bình hút ẩm ít nhất 48 giờ, vì điều kiện chuẩn là 23 °C và độ ẩm tương đối 0% với nhiệt độ kiểm soát trong ±0,5 °C; các tổ hợp nhiệt độ và độ ẩm khác được phép theo thỏa thuận. Tùy chọn này quan trọng với vật liệu chặn nhạy với độ ẩm như EVOH, có độ thấm oxy tăng mạnh ở độ ẩm cao. Mặc định khô thường gây bất ngờ cho phòng lab quen làm WVTR ở 90% RH — với OTR, điều kiện chuẩn cố tình tách màng khỏi hơi nước để kết quả so sánh được giữa các phòng thí nghiệm.
Quy trình bắt đầu bằng rửa sạch: cả hai khoang buồng được thổi nitơ 50–60 mL/min trong 3–4 phút để loại không khí, sau đó giảm lưu lượng khí mang còn 5–15 mL/min và giữ 30 phút, ghi số đọc số không E0. Oxy được chuyển sang phía khí thử — lưu lượng khoảng 60 ± 10 mL/min là điển hình — và dòng điện cảm biến tăng dần cho đến khi ổn định tại Ee. OTR tính theo công thức OTR = (Ee − E0) × Q / (A × RL), trong đó Q là hằng số hệ thống, A là diện tích thử và RL là hệ số hiệu chỉnh rò rỉ, đơn vị cm³/(m²·day). Màng mỏng khuếch tán cao đạt trạng thái ổn định trong 30–60 phút, còn cấu trúc dày hoặc phức tạp thường cần vài giờ.
3. Hiệu chuẩn, kiểm soát chất lượng và dữ liệu điển hình
Hiệu chuẩn hệ thống dùng màng chuẩn chứng nhận truy nguồn NIST để xác lập hằng số máy, và phương pháp kỳ vọng hiệu suất cảm biến nằm trong khoảng 95–98%. Kiểm tra rò rỉ định kỳ chạy một lá kim loại không thấm oxy làm mẫu: hệ thống khỏe cho số đọc gần bằng không. Dữ liệu liên phòng thí nghiệm công bố cùng phương pháp cho thấy OTR khoảng 0,06 cm³/(m²·day) với PET phủ nhôm và khoảng 0,30 với màng ghép EVOH, có tính lặp lại và tái lập tốt — các con số này cũng minh họa dải động mà detect coulometric bao phủ, từ cấu trúc phủ kim loại chặn cao đến màng chưa phủ cao hơn vài bậc độ lớn. Đây là những kiểm tra nên có trong thói quen của mọi phòng thí nghiệm: cảm biến trôi khỏi dải hiệu suất hoặc gioăng buồng rò rỉ sẽ cho ra những con số trông hợp lý nhưng âm thầm phóng đại hoặc đánh giá thấp khả năng chặn thực của màng.
4. Lựa chọn giữa phương pháp áp suất bằng nhau và chênh áp
ASTM D3985 thuộc nhóm áp suất bằng nhau: hai bên màng đều ở áp suất thường, lực đẩy là chênh lệch áp suất riêng của oxy, và mẫu không chịu ứng suất cơ học — phù hợp với vật liệu mỏng và chặn cao. Đối tác quốc tế là ISO 15105-2, phương pháp áp suất bằng nhau với detector coulometric. Các phương pháp chênh áp như ASTM D1434 hay ISO 2556 tạo chân không hoặc gia áp một bên để tạo lực đẩy khoảng một atmosphere; màng rất mềm có thể biến dạng và điều kiện phía chân không khó tương thích với bao bì thực tế. Một tiêu chuẩn coulometric quốc gia tương đương giữ vai trò trọng tài như nhau cho màng và túi ghép trong hệ tiêu chuẩn sản phẩm của Trung Quốc. Phương pháp nào được chọn phải khớp với đặc kỹ thuật của khách hàng và được ghi rõ số phương pháp trong báo cáo.
- ASTM D3985-24: phương pháp cảm biến coulometric xác định độ thấm oxy của màng nhựa, tấm và màng ghép
- Điều kiện chuẩn: 23 °C, 0% RH, nhiệt độ trong ±0,5 °C, diện tích thử 50 cm², tiền xử lý khô ≥48 giờ
- Khí mang: nitơ + 0,5–3,0% hydro (oxy ≤100 ppm); khí thử: oxy ≥99,5%
- Trình tự: rửa 50–60 mL/min trong 3–4 phút → khí mang 5–15 mL/min giữ 30 phút → E0 → cấp oxy → Ee
- OTR = (Ee − E0) × Q / (A × RL) theo cm³/(m²·day); kiểm tra rò rỉ bằng lá kim loại phải đọc ≈ 0
- Đối tác quốc tế ISO 15105-2; tiêu chuẩn coulometric quốc gia tương đương giữ vai trò trọng tài cho màng ghép
