Gaspermeationsmessung Permeationsrate von Folien zuverlässig bestimmen

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Fraunhofer-Institut für Werkstoff und Strahltechnik IWS

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS aus Dresden haben eine neue Messtechnologie entwickelt, um die Permeationsrate von Folien für Wasserdampf und Sauerstoff gleichzeitig zu bestimmen.

Wie kann man die Wasserdampf-Permeationsrate (WVTR) und die Sauerstoff-Permeationsrate (OTR) gleichzeitig in nur einem Gerät messen? Forscher des Fraunhofer IWS kombinieren die Laserdiodenspektroskopie für die Wasserdampfmessung mit dem Fluoreszenz-Quenching für die Sauerstoffmessung in einer Messzelle. Um auch eine für Ultrabarrierefolien hinreichend kleine Nachweisgrenze der Konzentrationsmessung beider Permeaten zu erreichen, kam ein einfacher, aber effizienter Trick zum Einsatz: Statt eines kontinuierlichen Stickstoffflusses steuern nunmehr Stickstoffpulse zielgenau die Konzentrationen der Wasserdampf- und Sauerstoff-Moleküle, die durch die zu untersuchende Sperrschicht dringen. Automatisiert geöffnete und geschlossene Ventile stellen präzise diesen diskontinuierlichen Stickstofffluss ein. Dies führt dazu, dass – unter Einhaltung aller Gleichgewichtsbedingungen – sich auch geringe Permeatmengen so weit anreichern, dass sie zuverlässig mit Laserspektroskopie- und Fluoreszenz-Quenching-Detektoren messbar sind. Die Dauer der Stickstoffpulsphasen und die der dazwischenliegenden Phasen der Permeat-Akkumulation sind dabei nahezu beliebig einstellbar. Die Nachweisgrenzen sowohl der WVTR- als auch der OTR-Messung bestimmt somit nicht mehr der verwendete Sensor, sondern die Abdichtung der Messzelle.

Barrierefolien für Pharma- und Lebensmittelindustrie testen

Mittlerweile hat das Dresdner Institut die neue Technologie zum Patent angemeldet. „Wir gehen davon aus, dass dieses Verfahren die Permeations-Messtechnik auf ein neues Niveau heben wird“, schätzt Dr. Wulf Grählert ein, der am Fraunhofer IWS das Projekt »SimPerm« leitete. „Die Vorteile liegen auf der Hand: Wir können damit beliebige Barrierefolien sowohl für OLEDs, für Pharmaprodukte oder für medizintechnische Anwendungen aber auch für Lebensmittel deutlich realitätsnäher und somit zuverlässiger auf ihre Gasdurchlässigkeiten hin untersuchen, wobei keinerlei Abstriche hinsichtlich Probengröße oder Untersuchungstemperatur gemacht werden müssen.“

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Weil Labore erstmals solche Permeationsmessungen für typische Luftbestandteile wie Wasserdampf und Sauerstoff in einem Arbeitsgang und mit lediglich einem Gerät durchführen können, sinken die Investitions- und Betriebskosten für typische Gasdurchlässigkeitsprüfungen. Darüber hinaus sind auch Informationen über das sogenannte Durchbruchsverhalten der Permeaten messbar, also, wie schnell bzw. besser: wie langsam eine bestimmte Menge Wasserdampf bzw. Sauerstoff durch die Barriere permeiert. Nicht zuletzt ermöglicht die zuverlässige simultane Analyse der Permeationseigenschaften Aussagen, wie sich die verschiedenen Permeaten bei der Passage durch Sperrschichten gegenseitig beeinflussen.

Im nächsten Schritt wird das Dresdner Unternehmen Sempa Systems marktreife Geräte basierend auf dieser Technologie anbieten. Neben dem Fraunhofer IWS und Sempa Systems war die Dresdner Firma Creavac ein Partner des nun abgeschlossenen Gemeinschaftsprojektes »SimPerm«. Das Sächsische Staatsministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr hatte das Vorhaben von 2018 bis 2022 mit 1,3 Millionen Euro aus EFRE-Mitteln gefördert.

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