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Dokumentenidentifikation DE10124225A1 16.01.2003
Titel Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Permeation einer Barriereschicht
Anmelder Tetra Laval holdings & finance S.A., Pully, CH
Erfinder Moore, Rodney, 64342 Seeheim-Jugenheim, DE
Vertreter Dr. Weber, Dipl.-Phys. Seiffert, Dr. Lieke, 65183 Wiesbaden
DE-Anmeldedatum 18.05.2001
DE-Aktenzeichen 10124225
Offenlegungstag 16.01.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.01.2003
IPC-Hauptklasse G01N 13/04
IPC-Nebenklasse G01N 15/08   
Zusammenfassung Beschrieben wird ein Verfahren zum Bestimmen der Permeation einer Barriereschicht auf der Oberfläche eines Behälters (1), bei welchem der Behälter in ein druckdicht abschließbares Gefäß (5) verbracht, nach einer Konditionierungszeit auf der Seite mit der Barriereschicht entgasen gelassen wird, der Druck über der Zeit gemessen wird und aus deisen Meßdaten die Permeation der Barriereschicht bestimmt wird.
Damit für industrielle Anwendung die Permeation einer Vielzahl von Behältern (1) nacheinander in jeweils kürzerer Zeit als in 1 bis 11/2 Stunden und unter Einsatz einfacher Meßgeräte bestimmt werden kann, wird erfindungsgemäß vorgesehen, daß das druckdicht abschließbare Gefäß (5) und der darin befindliche Behälter (1) evakuiert werden, danach die Partialdrücke mehrerer aus der Behälterwandung abgegebener Stoffe gemessen werden und die Steigung der Druck-Zeit-Kurve ermittelt wird, welche ein direktes Maß für die Qualität der Barriereschicht darstellt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Permeation einer Barriereschicht auf der Oberfläche eines Behälters, bei welchem der Behälter in ein druckdicht abschließbares Gefäß verbracht, nach einer Konditionierungszeit auf der Seite mit der Barriereschicht entgasen gelassen wird, der Druck über der Zeit gemessen wird und aus diesen Meßdaten die Permeation der Barriereschicht bestimmt wird.

Es ist bekannt, Flüssigkeitspackungen aus Kunststoff herzustellen, zum Beispiel in Form von Flaschen mit oben befindlicher Öffnung. Solche Flaschen sind aus Polyethylenterephthalat (PET) hergestellt und werden vielfach für die Verpackung zum Beispiel von Wasser verwendet. Man weiß, daß die Wandungen der Kunststoffpackungen für niedermolekulare Gase durchlässig sind, weshalb die Haltbarkeitszeiten für flüssige Lebensmittel, insbesondere Säfte und CO2-haltige Mischgetränke, begrenzt sind. Um den dafür verantwortlichen Sauerstoff am Eindringen bzw. das Kohlendioxid am Entweichen zu hindern und damit solche Kunststoffverpackungen für flüssige Lebensmittel besser anwendbar zu machen, ist man dazu übergegangen, die Wandungen dieser Kunststoffpackungen mit Barriereschichten zu versehen, zum Beispiel auf der inneren Oberfläche von Kunststoffflaschen.

Es versteht sich daher, daß man bei der Verwendung von Kunststoffbehältern, insbesondere solchen aus PET, auf eine möglichst hohe Barrierewirkung der Wandung achten muß. Es sind deshalb bereits Verfahren zur Messung der Barriereeigenschaften einer Kunststoffwandung entwickelt worden. Bei einem solchen bekannten Verfahren sättigt man zum Beispiel eine zu messende, als Barriere wirkende Behälterwandung mit einem Testgas und läßt dann nach dem Sättigen die in die Behälterwandung bzw. Materialprobe eingeladenen Stoffe in ein druckdicht abschließbares Gefäß ausgasen. Dadurch steigt in diesem Gefäß der betreffende Partialdruck und kann in bestimmten zeitlichen Abständen gemessen werden. Es ergibt sich eine Druck-Zeit-Kurve, aus der man die Permeation bzw. Durchlässigkeit des zu untersuchenden Materials mit seiner Barriereschicht berechnen kann.

Mit Nachteil dauert das Beladen, Entgasen und Messen bis zu zwei Stunden, so daß dieses Bestimmungsverfahren für eine industrielle Anwendung bei der Herstellung von Kunststoffverpackungen mit großer Leistung (große Stückzahl pro Zeiteinheit) nicht geeignet ist.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bestimmungsverfahren der eingangs bezeichneten Art dahingehend weiter zu verbessern, daß für industrielle Anwendung die Permeation einer Vielzahl von Behältern nacheinander in jeweils kürzerer Zeit als in 1-1 1/2 Stunden und unter Einsatz einfacherer Meßgeräte bestimmt werden kann.

Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung haben sich die industrielle Anwendung zum Ziel gesetzt, wobei die Permeation der betreffenden Barriereschicht nicht derart aufwendig gemessen werden muß, daß das Meßergebnis hochqualifizierten Eichbedingungen genügt. Vielmehr reicht es, die Permeation der Schicht in dem jeweiligen Behälter so zu bestimmen, daß man sie als gut, ausreichend oder mangelhaft bezeichnen kann bzw. muß.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für das Verfahren dadurch gelöst, daß das druckdicht abschließbare Gefäß und der darin befindliche Behälter evakuiert werden, danach die Partialdrücke mehrerer aus der Behälterwandung abgegebener Stoffe gemessen werden und die Steigung der Druck-Zeit-Kurve ermittelt wird, welche ein direktes Maß für die Qualität der Barriereschicht darstellt. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich insbesondere für Barriereschichten verwenden, welche sich auf der inneren Oberfläche eines Behälters befinden, zum Beispiel einer Innenseite einer Verpackung. Besonderes Augenmerk bei der Durchführung des Verfahrens wird dabei auf Verpackungen aus Kunststoff, insbesondere in Form einer oben offenen Flasche gerichtet. Bei einem solchen flaschenförmigen Behälter kann man durch einen Stopfen sein Inneres druckdicht verschließen. Da der Behälter in dem druckdicht abschließbaren Gefäß untergebracht wird, kann man den Druck innerhalb und außerhalb des Behälters und damit auf beiden Seiten der Barriereschicht beeinflussen, einstellen und messen.

Es ist bevorzugt, den zu untersuchenden Behälter außerhalb des abschließbaren Gefäßes und damit vor Beginn des Verfahrens zu konditionieren. Wie in bekannten Fällen wird die Wandung des zu untersuchenden Behälters eine bestimmte Zeit lang mit bestimmten Gasen beladen. Bei dem Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens an Herstellungsmaschinen mit großer Leistung ist es insbesondere für industrielle Anwendung zweckmäßig, wenn man die ohnehin notwendige Lagerzeit fertiger Behälter und die diese umgebende Raumluft bei Zimmertemperatur zum Konditionieren verwendet. Außerdem kann es günstig sein, unter Konditionieren auch den weiteren Schritt einer anfänglichen Entgasung zu verstehen, um nämlich beim Ermitteln der Druck-Zeit-Kurve in ähnliche oder vorzugsweise sogar die gleichen Druckbereiche zu kommen, in welchen dann die Zeit gemessen wird, innerhalb welcher der Druck sich im Behälter durch das Entgasen auf den vorbestimmten Enddruck steigert. Dieses Vorentgasen gelingt in kurzer Zeit und begünstigt die Messung erheblich.

Weil die Behälter in aller Regel und insbesondere bei der industriellen Anwendung mit einem Stoffgemisch, unter anderem einem Gasgemisch, beladen werden, wird vorzugsweise bei Einsatz einfacher Meßgeräte die Summe mehrerer Partialdrücke zusammen gemessen, und der sich daraus ergebende Gesamtdruck kann mit vollem Erfolg für das Ermitteln der Steigung der Druck-Zeit-Kurve eingesetzt werden.

Auf dem Markt gibt es die unterschiedlichsten Vakuumpumpen, so daß das Evakuieren des zu untersuchenden Behälters einerseits (innen) als auch des ihn umschließenden Gefäßes andererseits (außen) in einfacher Weise und sehr schnell erfolgen kann. Es hat sich gezeigt, daß es erfindungsgemäß günstig ist, wenn man wenigstens einen der Räume auf etwa 1 Millibar Druck evakuiert. Das erste Vorentgasen, um den für die Reproduzierbarkeit des Bestimmungsverfahren erreichten Druckbereich zu erreichen, kann unter oder über dem Druckwert von 1 Millibar durchgeführt werden, je nach dem vorgewählten Druckbereich, in welchem die Druck-Zeit-Kurve als besonders relevant betrachtet wird.

Aus dieser Druck-Zeit-Kurve wird man sich zum Erreichen gut reproduzierbarer und für das Erreichen genauer Werte einen Abhängigkeitsbereich heraussuchen, bei welchem die Verhältnisse von Druck und Zeit im wesentlichen linear sind. Erfindungsgemäß sucht man sich aus der Druck-Zeit- Kurve also denjenigen (beschränkten) Bereich heraus, in welchem sich der Druck linear zur Zeit verändert. Die sich dann ergebende Steigung stellt ein direktes Maß für die Qualität der Barriereschicht dar. Wählt man zum Beispiel einen Druckbereich zwischen 3 und 4 mbar aus, dann bedeutet ein größeres Zeitintervall zum Erreichen dieses Druckunterschiedes zwischen Anfang und Ende beim Entgasen, daß die Qualität der Barriereschicht gut ist und umgekehrt. Dahinter steht die Modellvorstellung, daß die Kunststoffwandung des zu messenden Behälters zu Beginn des Bestimmungsverfahrens mit Gasen und eventuell auch Wasser aus der Umgebung bis zu einer gewissen Sättigung beladen ist. Bei einer Beschichtung der inneren Oberfläche des zu messenden Behälters mit einer Barriere verhindert letztere ein schnelles Ausgasen. Deshalb gibt die Zeit, innerhalb welcher der vorgewählte Druckanstieg erreicht ist, einen klaren Hinweis darauf, wie vollständig oder mangelhaft die Barriereschicht das Entgasen der Behälterwandung verhindert hat.

Es ist erfindungsgemäß besonders zweckmäßig, wenn für die geplante industrielle Anwendung die Summe der Partialdrücke aller aus der Behälterwandung abgegebener Stoffe gemessen wird. Es braucht also nicht auf einen speziellen Partialdruck besonders geachtet oder dieser artspezifisch behandelt zu werden, sondern man kann mit einer einfachen Standard-Vakuummeßröhre, zum Beispiel einer Kapazitätsmeßröhre, den Druck der entgasten Stoffe messen. Die Praxis hat gezeigt, daß eine solche Meßröhre lediglich im Millibarbereich messen muß und andere, durch Zehnerpotenzen hiervon entfernte Meßbereiche geringeren Drucks nicht abzudecken braucht.

Das erfindungsgemäße Bestimmungsverfahren benötigt nicht den Einsatz hoher Temperaturen, die möglicherweise Beschädigungen der Wandungsmaterialien des zu messenden Behälters hervorrufen. Es brauchen auch nicht chemische Stoffe eingesetzt zu werden, um die Barriereschicht oder die dahinter befindliche Behälterwandung zu beeinflussen und möglicherweise zu zerstören. In weniger als 10 Minuten, vorzugsweise weniger als 5 Minuten, kann das Erreichen der vorgewählten Druckdifferenz gemessen werden und über die bestimmte Steigung der Druck-Zeit-Kurve eine Aussage über die Qualität der Barriereeigenschaft getroffen werden. Je geringer die Steigung, d. h. je größer der Zeitraum zum Erreichen des oberen Druckendwertes ist, um so höher ist die Qualität der Barriereschicht, deren Beurteilung zwischen gut, ausreichend oder mangelhaft bereits genügt.

Alternativ ist es erfindungsgemäß aber auch möglich, daß man mit dem neuen Verfahren nur den Partialdruck wenigstens eines aus der Behälterwandung abgegebenen Stoffes, insbesondere eines Gases, mißt. Die erwähnten Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens reichen für das Messen des Partialdruckes nur eines, zweier oder dreier Stoffe aus. Ein solches Verfahren läßt sich zum Beispiel mittels eines Massenspektrometers durchführen, welches zwar selbst in einem Druckbereich der Größenordnung von etwa 10-6 mbar mißt, welches aber durch eine parallel angelegte Pumpe, vorzugsweise eine Turbomolekularpumpe und eine Vorpumpe, auch an Meßleitungen angeschlossen werden kann, deren Druck im Bereich 1 bis 10 Millibar liegt. Mit einem Quadrupol- Meßkopf erlaubt ein Massenspektrometer die Messung verschiedener Peaks mit unterschiedlichen atomaren Masseneinheiten. Hier interessieren besonders die Peaks für zum Beispiel Wasser, Stickstoff oder Sauerstoff. Das erfindungsgemäße Verfahren empfiehlt dann die Messung der Zeitdifferenz, innerhalb der die betreffende Linie (oft auch englisch als "Peak" bezeichnet) einen vorgewählten Zuwachs ihrer Intensität relativ zu einem bestimmten Anfangswert oder zu einer anderen Linie erreicht hat. Zwar hat man hier eine Intensitäts-Zeit-Kurve, die aber im Prinzip gleich der vorerwähnten Druck-Zeit-Kurve entspricht. Auch in dieser Intensitäts-Zeit-Kurve findet man lineare Bereiche. Damit kann man wieder aus der Zeitdauer auf die Qualität der Barriereschicht, nun aber für einen bestimmten Stoff schließen.

Im Zusammenhang mit der zuletzt erwähnten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahrens ist es bei weiterer vorteilhafter Ausgestaltung zweckmäßig, wenn der Partialdruck wenigstens eines von der Behälterwandung abgegebenen, für die geschmackliche Beeinflussung der Behälterfüllung relevanten Stoffes gemessen wird. Der Endverbraucher kann bereits derzeit mehr oder weniger stark mit CO2 versetzte Sprudelwasser in Kunststoffflaschen kaufen, welche den Glasflaschen ähnlich sind, unter anderem aber demgegenüber den Vorteil des geringeren Gewichtes haben. Bei schlechter Verarbeitung kennt der Endverbraucher den unangenehmen "Kunststoff- Geschmack", wenn das aus einer solchen Flasche entleerte Wasser nach "Kunststoff" schmeckt. Inzwischen wurde untersucht und festgestellt, welche Stoffe für diese Geschmacksgefährdung relevant sind. Diese Stoffe sind bekannt und können mit dem vorerwähnten Massenspektrometer detektiert werden. Ein bekannter Vertreter solcher Stoffe ist Acetaldehyd. Die Messung des Partialdruckes eines solchen geschmacklich relevanten Stoffes in einem Füllgut, zum Beispiel Sprudelwasser, erlaubt das Bestimmen der Barrierequalität. Wird nämlich eine solche Sprudelflasche aus Kunststoff auf ihrer inneren Oberfläche mit einer Barriereschicht zum Beispiel auf Quarzbasis versehen, dann gelingt es bisweilen, geschmacksrelevante, in der Kunststoffwandung des Behälters befindliche Stoffe am Austreten in das Füllgut zu hindern. Der Grad der Verhinderung soll selbstverständlich möglichst groß sein und kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der eben beschriebenen Art festgestellt werden.

Als besonders vorteilhaft hat man das erfindungsgemäße Verfahren beurteilt, wenn bei weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Qualität der Barriereschicht eines Referenzbehälters zum Eichen der Steigung der gemessenen Druck-Zeit-Kurve verwendet wird. Es gibt sehr genaue Meßverfahren für die Barrierequalität eines Behälters, allerdings mit dem Nachteil, daß 2 Stunden bis zu 5 Tage notwendig sind, um den exakten, geeichten Wert wissenschaftlich zu erfassen. Setzt man nun einen solchen bereits gemessenen Referenzbehälter bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein, dann zeigt dieses in der gemessenen Druck-Zeit-Kurve eine bestimmte Steigung, die beispielsweise für die Beurteilung "gut" steht. Erfindungsgemäß kann man nun die Qualität der Barriereschicht des zu messenden Behälters durch Vergleich mit dem Referenzbehälter bestimmen. Unter Weglassen zahlreicher Bedingungen und Merkmale wissenschaftlich exakter Meßverfahren genügt es erfindungsgemäß, die in verhältnismäßig kurzer Zeit meßbare Steigung der Druck-Zeit- Kurve zu erhalten und mit der eines exakt gemessenen Referenzbehälters zu vergleichen.

Das erfindungsgemäße Bestimmungsverfahren kann hinsichtlich Genauigkeit und Reproduzierbarkeit dadurch noch weiter beeinflußt werden, daß erfindungsgemäß in der Konditionierungszeit alle dem Bestimmungsverfahren zu unterziehenden Behälter gleichmäßig mit Molekülen beladen werden. Man weiß, daß der Sättigungsgrad und damit die Meßergebnisse von der Vorbehandlung in der Konditionierungszeit abhängen. Daher ist man bestrebt, alle zu untersuchenden Behälter gleichmäßig vorzubehandeln. Im Sinne der oben erwähnten Modellvorstellung wird der Benutzer des Verfahrens die Wandungen der zu untersuchenden Behälter gleichmäßig mit den zur Verfügung stehenden Molekülen beladen, zum Beispiel sättigen.

Günstig ist es gemäß der Erfindung, wenn der Behälter und das druckdicht abschließbare Gefäß in etwa 1 Minute evakuiert werden. Praktische Versuche haben beim Einsatz einfacher Vakuumpumpen diesen Wert ergeben, der bei der industriellen Anwendung durchaus begrüßt wird. Dem steht nicht entgegen, daß man bei Einsatz stärkerer Vakuumpumpen das Evakuieren auch in kürzerer Zeit erreichen kann.

Dabei hat man ferner gefunden, daß es erfindungsgemäß günstig ist, wenn das Entgasen und Messen des wenigstens einen Partialdrucks insgesamt weniger als 8 Minuten, vorzugsweise 6 Minuten und ganz besonders bevorzugt etwa 4 Minuten dauern. Wenn das Volumen des Aufbaues zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens festgelegt ist, können die vorgenannten Zeitwerte schon bei Einsatz einfacher Meßgeräte erreicht werden. Nach dem etwa 1-minütigen Evakuieren kann es ausreichen, ein Entgasen etwa 2 Minuten lang durchzuführen, um sogar in höheren Bereichen der Druckdifferenz den ins Auge gefaßten Meßbereich der Druck-Zeit-Kurve zu finden, zum Beispiel den Meßbereich zwischen 6 Millibar und 6,5 Millibar. Man hat hier gute Linearität zwischen Druck und Zeit gefunden und zufriedenstellende Meßergebnisse erreicht. Gemessen wird die Zeitdifferenz, in welcher zum Beispiel der Druck von 6 Millibar auf 6,5 Millibar gestiegen ist. Diese Messung kann man innerhalb 1 Minute erreichen. Insgesamt ergibt sich also für das Evakuieren, das Entgasen in der Vorlaufzeit zum Erreichen des gewünschten Meßbereiches und danach die Meßzeit ein Gesamtzeitaufwand von etwa 4 Minuten. Dies ist ein überraschender Vorteil gegenüber der bisher notwendigen Zeit von etwa 2 Stunden oder etwas weniger.

Zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehend diskutierten Ausführungsformen ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß ein erstes Meßrohr aus dem Innenraum des Behälters durch einen Stopfen nach außerhalb des abschließbaren Gefäßes geführt und mit einem Druckmeßgerät sowie über wenigstens ein Ventil mit einer an eine Vakuumpumpe angeschlossenen Gefäßentleerungsleitung verbunden ist. Als Behälter kann man sich für die eigene Vorstellung eine Kunststoffflasche mit einem Stopfen denken, durch welchen ein erstes Meßrohr geführt ist. Auf diese Weise hat man Zugang zu dem Innenraum im Behälter, kann diesen evakuieren und den darin herrschenden Druck messen. Letzteres erfolgt über ein angeschlossenes Druckmeßgerät, welches sich außerhalb des abschließbaren Gefäßes befindet. Das erste Meßrohr kann aus dem Innenraum des Behälters und auch dem Innenraum des abschließbaren Gefäßes nach außerhalb geführt werden, wo sich das Druckmeßgerät befindet.

Ferner ist erfindungsgemäß bei der hier betrachteten Vorrichtung eine Vakuumpumpe angeschlossen, die über wenigstens ein Ventil mit dem ersten Meßrohr in Verbindung steht. Weil man außerdem das abschließbare Gefäß ebenso evakuieren will, ist an dieses Gefäß eine Gefäßentleerungsleitung angeschlossen, die ebenfalls mit der Vakuumpumpe über Verbindungsleitungen gekoppelt ist. Dieser Aufbau ist einfach und gestattet einfache Meßgeräte sowie eine Qualitätsbestimmung der zu messenden Barriereschicht in kurzer Zeit, vorzugsweise weniger als 5 Minuten. Wenn man eine besonders einfache Kapazitätsmeßröhre zur Druckmessung verwendet, kann man die erwähnten Vorteile bereits erreichen, wobei insbesondere an die Summe aller Partialdrücke der aus der Behälterwandung abgebebenen Stoffe gedacht ist.

Wenn bei einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung das Druckmeßgerät ein Massenspektrometer ist, welches über ein Schutzventil mit dem ersten Meßrohr verbunden ist, kann man den Druckaufbau für einzelne aus der Behälterwandung abgegebene Stoffe messen. Man hat zum Beispiel überraschend festgestellt, daß ein mit Hilfe des Massenspektrometers gemessener Stoff mit u = 17 atomaren Masseneinheiten mit dem späteren Auftreten des bekannten, bereits oben erwähnten Kunststoffgeschmacks im eingefüllten Behältergut (Wasser in einer Sprudelflasche) korreliert sein kann. Mit einem Massenspektrometer kann man dann auch schnell und einfach das erfindungsgemäße Verfahren hinsichtlich geschmacksrelevanter Stoffe durchführen.

Wenn bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wenigstens das erste Meßrohr kurz ist und aus nicht-rostendem Stahl besteht, erhält man weniger Meßverfälschungen, denn aus dem Material des nichtrostenden Stahls können nur wenige Stoffe abdampfen und einen Beitrag bei der Druckmessung liefern. Deshalb ist man bestrebt, das erste Meßrohr und die notwendigerweise damit verbundenen weiteren Rohre möglichst kurz auszugestalten.

Erfindungsgemäß kann man weiterhin zwischen der Anschlußstelle der Gefäßentleerungsleitung an das abschließbare Gefäß und dem ersten Meßrohr ein Meßventil und ein fein regulierbares Ventil, wie zum Beispiel ein Nadelventil, in Serie schalten. Während das Meßventil erforderlich ist, um die Messung zu ermöglichen (wenn das Meßventil geschlossen ist), erlaubt der Einsatz des Nadelventils mit Vorteil den Einsatz nur einer einzigen Vakuumpumpe. Mit dieser Pumpe kann man dann das abschließbare Gefäß einerseits (Außenraum um den Behälter) als auch den Innenraum des zu messenden Behälters mit eben dieser einen Vakuumpumpe evakuieren. Das Nadelventil erlaubt nämlich die Regelung des Gasflusses beim Abpumpen; d. h. Regelung des Gasflusses aus dem zu messenden Behälter in Relation zu dem Gasfluß aus dem abschließbaren Gefäß, in welchem der Behälter angeordnet ist. Die Drücke innerhalb und außerhalb des zu messenden Behälters sollen nämlich zweckmäßigerweise ähnlich sein. Große Druckunterschiede sind zu vermeiden. Wäre der Druck außerhalb des Behälters erheblich größer als innerhalb, wäre verständlicherweise ein Kollabieren des Behälters zu befürchten; umgekehrt könnte der Stopfen in dem zu messenden Behälter aus dessen Öffnung herausgedrückt oder gar der Behälter selbst zum Platzen gebracht werden, wenn der Druck außerhalb des Behälters, nämlich innerhalb des abzuschließenden Gefäßes, erheblich kleiner (eine Größenordnung Unterschied) als der Innendruck im Behälter wäre.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen. In diesen zeigen:

Fig. 1 schematisch eine erste Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahrens,

Fig. 2 eine ähnliche Vorrichtung wie Fig. 1, jedoch unter Einsatz eines Massenspektrometers zur Messung der Druck-Zeit-Kurve bzw. Intensitäts-Zeit-Kurve,

Fig. 3 die Druck-Zeit-Kurve für unterschiedliche, aus der Behälterwandung entgaste Stoffe,

Fig. 4a schematisch die Meßdarstellung in einem Massenspektrometer mit Linien für unterschiedliche atomare Masseneinheiten und

Fig. 4b eine Intensitäts-Zeit-Kurve für zwei ausgewählte Gase, die in dem Massenspektrometer der Fig. 2 gemessen wurden.

Der zu messende Behälter 1 ist als Wasserflasche aus Kunststoff ohne Füllgut (Wasser) gezeigt und in seinem Flaschenhals mit einem Stopfen 2 verschlossen, durch welchen ein erstes Meßrohr 3 hindurchgeführt ist. Das untere offene Ende 4 des ersten Meßrohres 3 endet etwa in der Mitte des Behälters 1, der sich in einem druckdicht abschließbaren Gefäß 5 im Abstand von dessen Wandungen befindet. Das erste Meßrohr 3 führt aus dem Innenraum 6 des Behälters 1 durch den Stopfen 2 und durch die Oberwand des abschließbaren Gefäßes 5 hindurch nach oben, um an dem Anschluß 7 des als Kapazitätsmeßröhre ausgestalteten Druckmeßgerätes 8 zu enden.

Über ein Abgangsventil 9 ist eine Vakuumpumpe 10 an einer Ringleitung 11 angeschlossen, mit deren Hilfe das abschließbare Gefäß 5 mit Hilfe der Gefäßentleerungsleitung 12 evakuiert werden kann. Zu diesem Zweck ist eine Anschlußstelle 13 an dem abschließbaren Gefäß 5 vorgesehen, durch welche die Gefäßentleerungsleitung 12 mit dem Gefäß 5 einerseits und der Ringleitung 11andererseits in direkter Verbindung steht, so daß bei geöffnetem Ventil 9 und eingeschalteter Vakuumpumpe 10 der Innenraum 14 des abschließbaren Gefäßes 5 evakuiert werden kann.

In der Außenwandung des abschließbaren Gefäßes 5 gibt es noch eine weitere Anschlußstelle 15, die mit einer Belüftungsleitung 16 sowie Meß- (17) als auch Saugleitung (18) verbunden ist. Über ein Hilfsventil 19 kann die Saugleitung 18 mit der Ringleitung 11 verbunden werden. Ein Belüftungsventil 20 gestattet beim Öffnen das Belüften des Innenraums 14 des Gefäßes 5. An der Meßleitung 17 ist ein einfaches Druckmeßgerät 21 angeschlossen, das im vorliegenden Aufbau mit einer Pirani- Röhre arbeitet.

Schließlich verbindet die Verbindungsleitung 22 das erste Meßrohr 3 über zwei Ventile mit der Ringleitung 11. Bei diesen zwei in Reihe geschalteten Ventilen handelt es sich um ein Meßventil 23 und ein Nadelventil 24. An dem Verbindungspunkt 25 laufen die Ringleitung 11, die Gefäßentleerungsleitung 12 und die mit den beiden Ventilen 24 und 23 bestückte Verbindungsleitung 22 zusammen.

Im Betrieb werden bei geschlossenem Belüftungsventil 20 und geöffneten Ventilen 19, 23, 24 und 9 der Behälter 1 über das erste Meßrohr 3 wie auch das abschließbare Gefäß 5 evakuiert. Es entsteht zwischen dem Innenraum 6 des Behälters 1 und dem Innenraum 14 des Gefäßes 5 keine große Druckdifferenz. Der Druck im Innenraum 14 des Gefäßes 5 wird über das Druckmeßgerät 21 gemessen. Das Nadelventil 24 sorgt für die Regelung der Gasflüsse aus dem Innenraum 6 bezüglich derer aus dem Innenraum 14.

Nach Schließen des Meßventils 23 und vorzugsweise auch der Ventile 9 und 19 wird der Druck im Innenraum 6 des Behälters 1 über die Kapazitätsmeßröhre 8 gemessen.

Betrachtet man Fig. 3, dann geht man praktischerweise bei diesem Ausführungsbeispiel davon aus, daß zur Zeit t = 10 Sekunden ein Druck von etwa 1,15 mbar (erster Meßpunkt 26) gemessen wird. Die obere Kurve 31 stellt die Druck-Zeit-Kurve einer nicht beschichteten Flasche/eines Behälters dar.

Nach Schließen des Meßventils 23 hat das als Kapazitätsmeßröhre ausgebildete Druckmeßgerät 8 nach 77 Sekunden mit dem zweiten Meßpunkt 27 einen Druckwert von 1,6 mbar erreicht. Unter der Annahme, daß ab hier in einem gewissen Bereich eine lineare Abhängigkeit zwischen Druck und Zeit vorliegt, wird 31 Sekunden lang gewartet und dann bei Erreichen des Druckes von 1,8 mbar mit dem dritten Meßpunkt 28 eine Zeit von 120 Sekunden gemessen. Die Steigung dieser Kurve (Geraden) erlaubt die Aussage, daß die Qualität der Barriereschicht mangelhaft ist. Die Kurve 31 stellt den licht beschichteten Behälter dar.

Im Vergleich dazu stellt die untere Kurve 32 das Druck-Zeit-Verhältnis eines mit einer guten Barriereschicht versehenden Behälters 1 dar. Zwischen dem vierten Meßpunkt 29, bei welchem der Anfangsdruck von 1,6 mbar erreicht ist, und dem fünften Meßpunkt 30, bei welchem der ausgesuchte Endpunkt von 1,8 mbar erreicht ist, liegt eine Zeitdifferenz von 45 Sekunden mit der Aussage, daß diese geringere Steigung für gute Barriereeigenschaften spricht.

Nach einer solchen Messung, die etwa 4 Minuten dauerte, schließt man die Ventile 9 und 19 und belüftet den Innenraum 14 des Gefäßes 5 über das geöffnete Belüftungsventil 20.

Danach wiederholt sich die Messung für den nächsten Behälter 1.

Die Vorrichtung der Fig. 2 unterscheidet sich von der der Fig. 1 in nur zweierlei Hinsicht:

  • 1. Der erste Unterschied liegt darin, daß das erste Meßrohr 3 an einer weiteren Anschlußstelle 33 an die Verbindungsleitung 22 angeschlossen ist, die über ein Schutzventil 34 die Verbindung zu dem als Massenspektrometer ausgebildeten Druckmeßgerät 8 herstellt. Eine Turbomolekularpumpe 35 mit nachgeschalteter Vorpumpe 36 sorgt für eine Reduzierung des Rohrinnendruckes in der Verbindungsleitung 22 zwischen Schutzventil 34 und dem Massenspektrometer 8.
  • 2. Betrachtet man die Verbindungsleitung 22 von der Anschlußstelle 13 an dem abzuschließenden Gefäß 5 und der weiteren Anschlußstelle 33 zwischen dem Schutzventil 34 und dem Meßventil 23, dann liegen zwar das Meßventil 23 und das Nadelventil 24 wieder in Reihe. Das Nadelventil 24 liegt aber in der Gefäßentleerungsleitung 12 zwischen der Anschlußstelle 13 und dem Verbindungspunkt 25. Auch in dieser Position hat das Nadelventil die gleiche Funktion und Zielsetzung wie oben erwähnt, auch in Verbindung mit Fig. 1.

Auf dem Display des Massenspektrometers 8 sieht man die einzelnen Peaks mit den verschiedenen atomaren Masseneinheiten gemäß Fig. 4a. Hier sind Peaks eingezeichnet bei u (X-Achse) zum Beispiel gleich 14, 18, 28, 32, 40. Die nicht näher bezeichneten Peaks entsprechen zum Beispiel unter anderem dem Wasser und wachsen im Verlauf der Messung über der Zeit langsam an, wie zum Beispiel die Darstellung der Fig. 4b zeigt. Auf dieser ist über der Zeit t die relative Peakintensität aufgetragen. Für u = 28 ist eine Kurve (oben) und für u = 32 ist eine weitere Kurve (unten) gezeigt. Beide haben den betont herausgezeichneten linearen Bereich, so daß aus der Steigung dieser Kurve die Qualität der Barriere für den Stoff mit u = 28 usw. bestimmt werden kann. Bezugszeichenliste 1 Behälter

2 Stopfen

3 erstes Meßrohr

4 unteres, offenes Ende des Meßrohres

5 druckdicht abschließbares Gefäß

6 Innenraum des Behälters

7 Anschluß des Druckmeßgerätes

8 Druckmeßgerät, bestehend aus schematisch gezeichneter Meßröhre und Anzeigegerät

9 Abgangsventil

10 Vakuumpumpe

11 Ringleitung

12 Gefäßentleerungsleitung

13 Anschlußstelle

14 Innenraum des abschließbaren Gefäßes

15 weitere Anschlußstelle

16 Belüftungsleitung

17 Meßleitung

18 Saugleitung

19 Hilfsventil

20 Belüftungsventil

21 Druckmeßgerät, bestehend aus schematisch gezeichneter Pirani-Meßröhre und Anzeigegerät

22 Verbindungsleitung

23 Meßventil

24 feinregulierbares Ventil

25 Verbindungspunkt

26 erster Meßpunkt

27 zweiter Meßpunkt

28 dritter Meßpunkt

29 vierter Meßpunkt

30 fünfter Meßpunkt

31 obere Kurve (unbeschichtet)

32 untere Kurve (mit guter Barriere)

33 weitere Anschlußstelle

34 Schutzventil

35 Turbomolekularpumpe

36 Vorpumpe

37 Gesamtheit Massenspektrometer


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Bestimmen der Permeation einer Barriereschicht auf der Oberfläche eines Behälters (1), bei welchem der Behälter (1) in ein druckdicht abschließbares Gefäß (5) verbracht, nach einer Konditionierungszeit auf der Seite mit der Barriereschicht entgasen gelassen wird, der Druck über der Zeit gemessen wird und aus diesen Meßdaten die Permeation der Barriereschicht bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das druckdicht abschließbare Gefäß (5) und der darin befindliche Behälter (1) evakuiert werden, danach die Partialdrücke mehrerer aus der Behälterwandung abgegebener Stoffe gemessen werden und die Steigung der Druck-Zeit-Kurve ermittelt wird, welche ein direktes Maß für die Qualität der Barriereschicht darstellt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partialdrücke aller aus der Behälterwandung abgegebener Stoffe gemessen werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Partialdruck wenigstens eines aus der Behälterwandung abgegebenen Stoffes, insbesondere Gases, gemessen wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Partialdruck wenigstens eines von der Behälterwandung abgegebenen, für die geschmackliche Beeinflussung der Behälterfüllung relevanten Stoffes gemessen wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Qualität der Barriereschicht eines Referenzbehälters zum Eichen der Steigung der gemessenen Druck- Zeit-Kurve verwendet wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Konditionierungszeit alle dem Bestimmungsverfahren zu unterziehenden Behälter (1) gleichmäßig mit Molekülen beladen werden.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) und das druckdicht abschließbare Gefäß (5) in etwa einer Minute evakuiert werden.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Entgasen und Messen des wenigstens eines Partialdruckes insgesamt weniger als 8 Minuten, vorzugsweise 6 Minuten, und ganz besonders bevorzugt etwa 4 Minuten dauern.
  9. 9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Meßrohr (3) aus dem Innenraum (6) des Behälters (1) durch einen Stopfen (2) nach außerhalb des abschließbaren Gefäßes (5) geführt und mit einem Druckmeßgerät (8) sowie über wenigstens ein Ventil (23, 24, 9) mit einer an eine Vakuumpumpe (10) angeschlossenen Gefäßentleerungsleitung (12) verbunden ist.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmeßgerät (8) eine Kapazitätsmeßröhre ist.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmeßgerät (8) ein Massenspektrometer ist, welches über ein Schutzventil (34) mit dem ersten Meßrohr (3) verbunden ist.
  12. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens das erste Meßrohr (3) kurz ist und aus nicht-rostendem Stahl besteht.
  13. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Anschlußstelle (13) der Gefäßentleerungsleitung (12) an das abschließbare Gefäß (5) und dem ersten Meßrohr (3) ein Meßventil (23) und ein feinregulierbares Ventil (24) in Serie geschaltet sind.






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