Trong thực phẩm, dược phẩm, hàng không vũ trụ và vật liệu phân hủy sinh học, khả năng cản khí của vật liệu quyết định trực tiếp hạn sử dụng, độ an toàn khi dùng và độ ổn định lâu dài. Máy đo GTR kiểu chênh áp và đẳng áp là hai loại thiết bị chủ đạo, và nhiều người nhầm lẫn khác biệt giữa chúng — có khi chọn sai phương pháp và làm lệch dữ liệu.
Vì sao tồn tại hai phương pháp
Hai phương pháp ra đời từ nhu cầu thử nghiệm và tiến trình tiêu chuẩn hóa của các ngành khác nhau. Phương pháp chênh áp hình thành trước, dựa trên đo áp suất chân không, và hoàn thiện thành GB/T 1038, ISO 15105-1 và ASTM D1434, lan rộng qua các viện kiểm định và trường đại học châu Á, châu Âu. Sau đó, phương pháp đẳng áp (đo coulomb) được phát triển riêng cho oxy, với các tiêu chuẩn như ASTM D3985, được áp dụng rộng rãi ở Bắc Mỹ và các khu vực giao thương chặt chẽ. Không phương pháp nào thay thế phương pháp kia — mỗi bên được tối ưu cho kịch bản, loại khí và đặc tính vật liệu khác nhau.
So sánh nguyên lý hoạt động
Phương pháp chênh áp. Mẫu chia buồng thử thành hai không gian độc lập. Cả hai được hút chân không; sau đó buồng áp thấp được đóng lại và khí thử được nạp vào buồng áp cao ở áp suất đặt, tạo chênh áp ổn định 0,1 MPa qua mẫu. Do gradien nồng độ, khí thấm từ phía áp cao sang phía áp thấp chân không; đồng hồ đo chân không chính xác cao theo dõi theo thời gian thực mức tăng áp suất phía áp thấp, và thiết bị tính tốc độ thấm từ diện tích và nhiệt độ — đồng thời còn cho hệ số hòa tan, khuếch tán và thấm.
Phương pháp đẳng áp (đo coulomb). Hai buồng luôn giữ áp suất khí quyển bằng nhau, không có chênh áp. Oxy tinh khiết cao (hoặc hỗn hợp chứa oxy) chảy một bên và nitơ tinh khiết cao làm khí mang bên kia; oxy xuyên qua màng được khí nitơ đưa đến cảm biến coulomb, tạo dòng điện tỷ lệ với nồng độ oxy, cho ra tốc độ thấm oxy. Với bao bì thành phẩm, cho nitơ vào trong khi oxy chảy ngoài là hoàn tất phép thử oxy toàn bộ bao bì.
Vật liệu, độ chính xác và tốc độ
Vật liệu phù hợp. Phương pháp chênh áp rất đa năng: màng nhựa, màng ghép, tấm cản cao, lá kim loại, độ kín khí của cao su và lốp, màng thấm, màng phân hủy sinh học, vật liệu túi khí hàng không, giấy và bìa, màng sơn, vải thủy tinh và tấm ống mỹ phẩm — và đặc biệt tin cậy với vật liệu cản cao, có gá mẫu tùy chỉnh cho lớp phủ dạng tấm hoặc dạng kem. Phương pháp đẳng áp phù hợp kịch bản lấy oxy làm trọng tâm, cần mô phỏng sát điều kiện áp suất thường, như bao bì thực phẩm tươi, bao bì nạp oxy, bao bì y tế vô trùng, và vải dệt, màng thoáng khí có lưu lượng lớn.
Độ chính xác. Phương pháp chênh áp có lý thuyết chín muồi và chạy trong hệ chân không kín với nhiễu tạp rất thấp, cho độ lặp và ổn định tuyệt vời ở thử đa khí và cản cao. Ưu thế chính xác của phương pháp đẳng áp nằm ở thử chuyên oxy: cảm biến coulomb nhận diện oxy mạnh và rất chính xác trên màng cản thường, nhưng với vật liệu cản cao, lượng oxy vi lượng khó được khí mang đưa trọn đến cảm biến, nên kết quả có thể dao động.
Tốc độ. Phương pháp chênh áp vào phép thử chính thức ngay sau khi lắp mẫu, chu kỳ mỗi mẫu ngắn, lý tưởng cho sàng lọc lưu lượng cao. Phương pháp đẳng áp cần trước đó thổi sạch đường khí bằng khí mang trong thời gian dài và chờ đường nền ổn định, nên một mẫu thường mất gấp nhiều lần thời gian.
Loại khí đo được và mức ưu tiên của dược điển
Loại khí đo được. Phương pháp chênh áp không kén khí: oxy, cacbon dioxit, nitơ, không khí, hydro, metan và các khí vô cơ thường gặp khác đều đo trực tiếp được, một máy phủ được các hạng mục đa khí. Cảm biến trung tâm của máy đo coulomb thường chỉ dành riêng cho oxy, chỉ đo được oxy; khí khác cần thay cảm biến và đường khí chuyên dụng, chi phí cao.
Ưu tiên của dược điển. Trong các tiêu chuẩn bao bì dược phẩm và quy phạm dược điển Trung Quốc, phương pháp chênh áp là phương pháp chủ đạo được khuyến nghị. Bao bì dược phẩm gồm vật liệu phức tạp, cần thử đa vật liệu đa khí, nơi tính đa năng của phương pháp chênh áp cùng sự tương thích GB/T 1038 với thực tiễn dược điển nội địa khiến nó dùng được trực tiếp cho đăng ký và QC hằng ngày.
Chọn theo ngành
Trong bao bì thực phẩm và dược phẩm, nếu nhu cầu cốt lõi là kiểm soát cản đa khí nhanh trên lô màng lớn, hãy chọn phương pháp chênh áp; với bao bì cao cấp nạp oxy cho thực phẩm tươi cần dữ liệu oxy mô phỏng sát áp suất thường, hãy thêm phương pháp đẳng áp để kiểm chứng chuyên biệt. Hàng không vũ trụ, vật liệu phân hủy sinh học và trường đại học thường cần đo đồng thời oxy, nitơ và cacbon dioxit cùng lấy hệ số khuếch tán, hòa tan, khiến phương pháp chênh áp gần như là lựa chọn duy nhất; nhà xuất khẩu nhắm Bắc Mỹ mà khách yêu cầu báo cáo oxy theo ASTM D3985 có thể chọn máy đẳng áp để khớp tiêu chuẩn địa phương.
Tóm lại: phòng thí nghiệm thử nhiều loại khí cho nghiên cứu hay dược điển nên ưu tiên phương pháp chênh áp; công việc chuyên oxy mô phỏng môi trường trưng bày áp suất thường thì hợp phương pháp đẳng áp.
