DIN 53380-4-2006 Testing of plastics - Determination of gas transmission rate - Part 4 Carbon dioxide specific infrared absorption method for testing of plastic films and plastic m.pdf

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1、November 2006DEUTSCHE NORM Normenausschuss Kunststoffe (FNK) im DINNormenausschuss Verpackungswesen (NAVp) im DINPreisgruppe 9DIN Deutsches Institut fr Normung e.V. Jede Art der Vervielfltigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e.V., Berlin, gestattet.ICS

2、83.140.10!,o|“9768993www.din.deDDIN 53380-4Prfung von Kunststoffen Bestimmung der Gasdurchlssigkeit Teil 4: Kohlenstoffdioxidspezifisches Infrarotabsorptions-Verfahren zurMessung an Kunststoff-Folien und Kunststoff-FormteilenTesting of plastics Determination of gas transmission rate Part 4: Carbon d

3、ioxide specific infrared absorption method for testing of plastic films andplastic mouldingsEssais des matires plastiques Dtermination du coefficient de transmission des gaz Partie 4: Mthode par absorption dans linfrarouge spcificit dioxyde de carbone pourles mesures sur feuilles et pices formes en

4、matires plastiquesAlleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin www.beuth.deGesamtumfang 15 SeitenDIN 53380-4:2006-11 2 Inhalt Seite Vorwort . 3 1 Anwendungsbereich 3 2 Normative Verweisungen. 3 3 Begriffe 4 4 Bezeichnung 4 5 Kurzbeschreibung des Verfahrens . 4 5.1 Folienmessung 4 5

5、.2 Hohlkrpermessung. 4 6 Herstellung und Anzahl der Probekrper 4 6.1 Folien . 4 6.2 Hohlkrper. 5 6.3 Anzahl der Probekrper . 5 7 Prfmittel . 5 7.1 Trgergas. 5 7.2 Kohlenstoffdioxidgas und Kohlenstoffdioxidgasgemische. 5 7.3 Vakuumfett 5 7.4 Klebstoffe 5 8 Kohlenstoffdioxiddurchlssigkeits-Prfgert . 5

6、 8.1 Allgemeines. 5 8.2 Pumpe 6 8.3 Gasanschlsse 6 8.4 Patrone zum Entfernen von Kohlenstoffdioxid aus dem Trgergas. 6 8.5 Strmungsmesser 7 8.6 Ventile 7 8.7 Kalibrierventil 7 8.8 IR-Detektor (Infrarot-Detektor). 8 8.9 Volumen des Trgergaskreislaufes 8 8.10 Auswertesystem . 8 9 Kalibrierung des Mess

7、gertes. 8 9.1 Kalibrierung fr die Folienmessung . 8 9.2 Kalibrierung fr die Hohlkrpermessung 9 9.2.1 Allgemeines. 9 9.2.2 CO2auerhalb des Hohlkrpers . 9 9.2.3 CO2innerhalb des Hohlkrpers 9 10 Prfung von Folien . 9 10.1 Permeationskammer 9 10.2 Durchfhrung 10 11 Prfung von Hohlkrpern 11 11.1 CO2-Einw

8、irkung von auen 11 11.2 CO2-Einwirkung von innen, Hohlkrper mit CO2gefllt . 12 12 Auswertung . 13 12.1 Flchenbezogene CO2-Durchlssigkeit qAin cm3/(m2dbar) 13 12.2 Hohlkrperbezogene CO2-Durchlssigkeit qHAin cm3/(dbar) bei Einwirkung des CO2von auen 13 12.3 Hohlkrperbezogene CO2-Durchlssigkeit qHIin c

9、m3/(dbar) bei Einwirkung des CO2von innen . 14 13 Prfbericht. 14 Literaturhinweise . 15 DIN 53380-4:2006-11 3 Vorwort Diese Norm wurde vom Normenausschuss Kunststoffe (FNK), NA 054-04-04 AA Kunststoff-Folien und kunststoffbeschichtete Flchengebilde (Kunstleder); Allgemeine Eigenschaften erstellt. DI

10、N 53380 Prfung von Kunststoffen Bestimmung der Gasdurchlssigkeit besteht aus: Teil 1: Volumetrisches Verfahren zur Messung an Kunststoff-Folien Teil 2: Manometrisches Verfahren zur Messung an Kunststoff-Folien Teil 3: Sauerstoffspezifisches Trgergas-Verfahren zur Messung an Kunststoff-Folien und Kun

11、ststoff-Formteilen Teil 4: Kohlenstoffdioxidspezifisches Infrarotabsorptions-Verfahren zur Messung an Kunststoff-Folien und Kunststoff-Formteilen 1 Anwendungsbereich Diese Norm legt ein Verfahren zur Bestimmung der Kohlenstoffdioxid-(CO2)-durchlssigkeit (Permeation von reinem Kohlenstoffdioxid oder

12、aus Kohlenstoffdioxidgasgemischen) von Kunststoff-Folien1)und Kunststoff-Hohlkrpern (z. B. Kunststoffgetrnkeflaschen) fest. Die Norm dient damit der Beurteilung der Eignung von Kunststoff-Folien und Kunststoff-Hohlkrpern fr Verpackungszwecke sowie fr technische Anwendungen. Die Kohlenstoffdioxiddurc

13、hlssigkeit wird unter definierten Bedingungen durch Messung der Menge des durch den Probekrper hindurch gewanderten Kohlenstoffdioxids bestimmt. Das Prfverfahren ist fr die Bestimmung der Kohlenstoffdioxiddurchlssigkeit von Kunststoff-Folien im Bereich von etwa 0,05 cm3/(m2dbar) bis 5 000 cm3/(m2dba

14、r), und von Hohlkrpern im Bereich von etwa 0,000 5 cm3/(dbar) bis 50 cm3/(dbar) anwendbar2). 2 Normative Verweisungen Die folgenden zitierten Dokumente sind fr die Anwendung dieses Dokuments erforderlich. Bei datierten Verweisungen gilt nur die in Bezug genommene Ausgabe. Bei undatierten Verweisunge

15、n gilt die letzte Ausgabe des in Bezug genommenen Dokuments (einschlielich aller nderungen). DIN 53370, Prfen von Kunststoff-Folien Bestimmung der Dicke durch mechanische Abtastung 1) Begriff siehe DIN 16922. 2) d: Einheitenzeichen fr den Einheitsnamen Tag; 1 d = 24 h DIN 53380-4:2006-11 4 3 Begriff

16、e Fr die Anwendung dieses Dokuments gelten die folgenden Begriffe. 3.1 flchenbezogene Kohlenstoffdioxiddurchlssigkeit bei flchigen Probekrpern mit konstanter Dicke (z. B. Folien) das auf den Normzustand3)bezogene Volumen an CO2, das je Zeit, Flche und Kohlenstoffdioxid-Partialdruck durch den Probekr

17、per hindurchgeht 3.2 hohlkrperbezogene Kohlenstoffdioxiddurchlssigkeit bei Hohlkrpern, deren Oberflche nicht genau bestimmt werden kann und/oder deren Wanddicke nicht konstant ist, das auf den Normzustand bezogene Volumen an CO2, das je Zeit und Kohlenstoffdioxid-Partialdruck durch den Probekrper hi

18、ndurchgeht 4 Bezeichnung Bezeichnung des Verfahrens zur Bestimmung der Gasdurchlssigkeit nach dem kohlenstoffdioxidspezifischen Infrarotabsorptions-Verfahren (I): Prfung DIN 53380 I 5 Kurzbeschreibung des Verfahrens 5.1 Folienmessung Bei Folien wird der Probekrper zwischen die beiden Teile der Perme

19、ationskammer gasdicht eingespannt. Durch den einen Kammerteil wird Luft (Trgergas) im Kreislauf gepumpt, durch den anderen Kammerteil strmt langsam Kohlenstoffdioxid. Das durch die Folie in den Trgergaskreislauf gewanderte Kohlenstoff-dioxid bewirkt einen Konzentrationsanstieg, der mit einem Infraro

20、tdetektor gemessen wird. 5.2 Hohlkrpermessung Werden Hohlkrper untersucht, dann kann der Trgergasstrom direkt durch den Hohlkrper geleitet werden, und das Kohlenstoffdioxid wirkt von auen auf den Hohlkrper ein. In vielen Fllen wird jedoch der Probekrper (z. B. Kunststoffgetrnkeflaschen) mit CO2gespl

21、t und eventuell mit Druck beaufschlagt. 6 Herstellung und Anzahl der Probekrper 6.1 Folien Aus der Probe werden gleichmig ber die Flche verteilt Probekrper entnommen. Diese sollten reprsentativ fr die Folie sein und drfen keine fehlerhaften Stellen (z. B. Lcher) und keine sichtbare Beschdigungen (z.

22、 B. geknitterte Stellen) aufweisen. Die Dicke der Probekrper wird mit einem Dicken-messgert nach DIN 53370 ermittelt. Besteht der Probekrper aus mehreren, fest miteinander verbundenen Schichten (Verbund), so sind seine Seiten zu markieren und im Prfbericht ist die Einwirkseite des CO2anzugeben. 3) B

23、egriff siehe DIN 1343. DIN 53380-4:2006-11 5 6.2 Hohlkrper Die Hohlkrper, insbesondere Verpackungsbehltnisse mit Fllgut, sollten reprsentativ fr das Erzeugnis sein. Hufig ist eine Entleerung des Verpackungsbehltnisses vor der Prfung ntig. Diese hat so vorsichtig wie mglich zu geschehen. Die dazu in

24、das Behltnis geschnittene ffnung sollte nur so gro wie ntig sein und muss an solcher Stelle angebracht werden, an der sie leicht mittels eines Zweikomponenten-Klebstoffes wieder gasdicht verschlossen werden kann. 6.3 Anzahl der Probekrper Es sind mindestens 3 Probekrper in einer Durchlassrichtung zu

25、 prfen. 7 Prfmittel 7.1 Trgergas Das Trgergas besteht aus Luft oder Stickstoff. 7.2 Kohlenstoffdioxidgas und Kohlenstoffdioxidgasgemische Das Kohlenstoffdioxidgas muss trocken sein und einen Volumenanteil an CO2von mindestens 99,5 % aufweisen. Werden Gasgemische (vorzugsweise Kohlenstoffdioxid mit S

26、tickstoff) benutzt, dann muss der Kohlenstoffdioxidgehalt, angegeben als Volumenanteil, auf mindestens 0,2 bekannt sein. 7.3 Vakuumfett Zum Abdichten der Probekrper auf der glatten Flche der unteren Permeationskammerhlfte wird Vakuumfett verwendet. 7.4 Klebstoffe Die bei der Prfung von Hohlkrpern no

27、twendigen Klebungen sind mit einem gasdichten Zweikomponenten-Klebstoff durchzufhren. Sehr gut geeignet sind schnellhrtende Klebstoffe auf der Basis von Methyl-methacrylat oder Zweikomponentenkleber auf Epoxidharz-Basis. 8 Kohlenstoffdioxiddurchlssigkeits-Prfgert 8.1 Allgemeines Als Prfgert wird ein

28、 Gert mit dem Aufbau nach Bild 1 angewendet. DIN 53380-4:2006-11 6 Legende 1 Kalibrierventil 5 Adsorptionsmittel 2 Umschaltventil 6 Permeationskammer 3 gasdichte Pumpe (z. B. Metallfaltenbalgpumpe) 7 Strmungsmessung 4 Infrarotdetektor Bild 1 Schematische Darstellung des Kohlenstoffdioxiddurchlssigke

29、its-Prfgertes 8.2 Pumpe Fr den Trgergaskreislauf wird eine gasdichte Pumpe (z. B. Metallfaltenbalgpumpe) verwandt. 8.3 Gasanschlsse Alle im Messgert verwendeten Verbindungen der metallischen Gasleitungen mssen gasdicht ausgefhrt werden. Sehr gut bewhrt haben sich dafr Schneidringverschraubungen. 8.4

30、 Patrone zum Entfernen von Kohlenstoffdioxid aus dem Trgergas Nach dem Schlieen der Permeationskammer bzw. nach einer Messung wird der Trgergaskreislauf von Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf befreit. Dazu wird das Trgergas durch ein Glasrohr mit Trockenmittel (Molekularsieb) und ein CO2-Absorptionsm

31、ittel (Natriumhydroxid auf Trgermaterial) geleitet (Wasserdampf- und Kohlenstoffdioxidabsorptionspatrone siehe Bild 2). DIN 53380-4:2006-11 7 Legende 1 Watte oder Glaswolle 2 Wasserdampfabsorptionsmittel; Molekularsieb 3 Kohlenstoffdioxidabsorptionsmittel; Natriumhydroxid Na(OH) auf Trger Bild 2 Sch

32、ematische Darstellung der Wasserdampf- und Kohlenstoffdioxidabsorptionspatrone 8.5 Strmungsmesser Ein regelbarer Strmungsmesser mit einem Messbereich von 5 ml/min bis 100 ml/min ermglicht es, den Kohlenstoffdioxidgasstrom einzustellen und zu berwachen. 8.6 Ventile Als Umschaltventil wird ein Vierweg

33、ekugelventil verwendet, mit dem die Messkammern bzw. die Absorptionspatrone jeweils in den Trgergaskreislauf ein- oder weggeschaltet werden. 8.7 Kalibrierventil Als Kalibrierventil eignet sich ein gasdichtes Vierwegekugelventil. Das Totvolumen des Kugelkrpers ist das Eingabevolumen bei der Kalibrier

34、ung. Sehr gut geeignet sind Volumen von etwa 0,02 cm3. Das exakte Volumen des Kalibrierventils wird durch Auslitern bestimmt. Dazu wird das Ventil zuerst leer gewogen. Anschlieend wird das Ventil blasenfrei mit einer geeigneten Flssigkeit gefllt und erneut gewogen. Aus den Zufhrungsbohrungen muss di

35、e berschssige Flssigkeit restlos entfernt werden. Aus der Differenz der Wgungen ergibt sich das Totvolumen. mV= (1) Dabei ist m die Differenz zwischen den Wgungen, in g; die Dichte der Flssigkeit, in g/cm3; V das Volumen des Kalibrierventils, in cm3. Die Arbeitsschritte sind so oft zu wiederholen, b

36、is ein konstanter Wert ermittelt wird. DIN 53380-4:2006-11 8 8.8 IR-Detektor (Infrarot-Detektor) Die Anzeige von CO2im Trgergaskreislauf erfolgt durch Absorption von Infrarotstrahlung. Es kann wie bei konventionellen IR-Techniken ein mechanischer Zerhacker zur Modulation des Lichtstrahles benutzt we

37、rden, oder der Druck des Gases wird selbst mit einer festen Frequenz moduliert. Die Druckmodulation kann von der gasdichten Metallfaltenbalgpumpe bernommen werden. Geeignet ist eine Frequenz von 24 Hz bis 30 Hz. Da die IR-Absorption von Gas vom Druck abhngig ist, wird der Infrarotstrahl im Takt der

38、durch den Metallbalg verursachten Druckschwankungen moduliert. Durch ein Schmalbandfilter wird die Wellenlnge auf 4,3 m begrenzt, welche die Hauptabsorptionsbande fr CO2darstellt. Die Amplitude des Modulationssignales, das nach Verstrkung und Gleichrichtung einem Linienschreiber oder PC zugefhrt wir

39、d, ist ein Ma fr die im Trgergas vorhandene CO2-Menge. Ist im Trgergas kein CO2vorhanden, so ist die Amplitude des Modulationssignales null. Der Messbereich des IR-Detektors muss mindestens 0,2 10-6bis 1 000 10-6betragen. 8.9 Volumen des Trgergaskreislaufes Das Volumen des Trgergaskreislaufs mit ein

40、er eingeschalteten Messkammer sollte mglichst klein sein. Je grer das Volumen, desto lnger dauert eine Messung bzw. desto lnger dauert bei sonst gleichen Bauteilen die Reinigung des Trgergaskreislaufs von CO2. Ein Gesamtvolumen von etwa 100 cm3ist mit handels-blichen Bauteilen realisierbar. Das Volu

41、men des Trgergaskreislaufs muss whrend der Messung stets genauso gro sein wie whrend der Kalibrierung. 8.10 Auswertesystem Fr die Messung der ansteigenden Spannung kann ein Mehrbereichspotentiometerschreiber bzw. eine gleichwertige elektronische Anzeige, bzw. ein Auswertesystem (PC) benutzt werden.

42、9 Kalibrierung des Messgertes 9.1 Kalibrierung fr die Folienmessung Mit dem Kalibrierventil wird eine genau bekannte CO2-Menge in den Trgergaskreislauf eingegeben. Der Trgergaskreislauf muss dabei das gleiche Volumen aufweisen wie bei einer Messung, d. h. eine Messkammer muss in den Kreislauf gescha

43、ltet sein. In die Messkammer wird ein undurchlssiger Aliminiumfolienverbund bzw. eine Metallfolie eingelegt. Als Kalibriergas wird reines CO2benutzt. Die in den Kreislauf eingegebene Menge CO2erzeugt auf dem Schreiber einen Ausschlag, dessen Hhe einer bestimmten CO2-Menge im Trgergaskreislauf entspr

44、icht. Mehrmalige Eingabe der gleichen Menge CO2ergibt Kalibrierpunkte fr verschiedene Konzentrationen im Trgergaskreislauf. Steigt nach der Eingabe und Verteilung einer CO2-Menge das Signal weiter an, so liegt eine Undichtheit vor, die vor der Fortfhrung zuerst beseitigt werden muss. Das bei Raumtem

45、peratur von dem Kugelventil in den Trgergaskreislauf eingegebene Volumen CO2muss auf 273,15 K und 1,013 bar reduziert werden (Normvolumen Vn). TPTVPV=nnambn(2) Dabei ist Vndas Normvolumen, in cm3; DIN 53380-4:2006-11 9 Pambder Atmosphrendruck (Barometerstand), in bar; V das Volumen des Kugelkrpers (

46、Totvolumen); Tndie Normtemperatur, in K; Tn = 273,15 K; Pnder Normdruck, in bar; Pn= 1,013 3 bar; T die Temperatur des Kalibrierventils, in K. 9.2 Kalibrierung fr die Hohlkrpermessung 9.2.1 Allgemeines Bei einer Hohlkrpermessung wird das Volumen des Trgergaskreislaufes in der Regel wesentlich vergre

47、rt. Dadurch wird die Konzentration bei einmaliger Eingabe von z. B. 0,02 cm3mit 10 % CO2in N2sehr niedrig. Es ist dann meist sinnvoll, die Kalibrierung mit reinem CO2durchzufhren und die Eingabe der Kalibriermenge mehrmals zu wiederholen. 9.2.2 CO2auerhalb des Hohlkrpers Die Kalibrierung wird durchg

48、efhrt, bevor das CO2unter die Glocke eingelassen wird. 9.2.3 CO2innerhalb des Hohlkrpers Die Kalibrierung von Hohlkrpern, die mit CO2gefllt werden (z. B. Getrnkeflaschen), kann nur dann mit den fertig gefllten Hohlkrpern durchgefhrt werden, wenn nach dem Abklingen von Desorptionserscheinungen aus der Hohlkrperoberflche und vor dem Beginn der Permeation gengend Zeit zur Verfgung steht, um die Kalibrierung mehrmals durchzufhren. Ist dies nicht gegeben, dann wird der Hohlkrper mit Luft gefllt, die Kalibrierung durchgefhrt und der Hohlkrper danach mit CO2aufgefllt und die Apparatur geschlossen