Study of the barrier properties of ethylene vinyl alcohol copolymers (EVOH) against gases and volatile substances using a newly developed permeation measurement system

Abstract

Ethylene vinyl alcohol copolymer (EVOH) is one of the most commonly used barrier materials in a broad range of applications. Its outstanding gas barrier properties have already been widely investigated for oxygen (O2). However, permeability data of EVOH against other gases and (semi-)volatile organic compounds (VOC) is usually limited to dry conditions. As the previously established methods to measure permeation through EVOH were not all useful and adequate to test a broad selection of molecules in varying conditions of relative humidity (RH) and temperature, a new approach was applied. This research resulted in the development of two new hyphenated systems also known as the Permeability EVOH Barrier Measurement Tool (PEBaMeT) systems: the PEBaMeT-HPA (High Purity Analyzer) for the gas transmission rate (GTR) measurement of permanent gases on one side and the PEBaMeT-GC-MS (gas chromatography – mass spectrometry) for the permeation measurement of (semi-)VOCs. Both systems consist of a permeation system connected to a GCbased detection system. The permeation system of both systems is based on the equal pressure method and allows humidification of the up- and downstream flows in the PEBaMeT-HPA. In case of the PEBaMeT-GC-MS only the downstream flow can be humidified. The permeation systems have temperature control, which allows operation from below room temperature (i.e. 10°C) up to temperatures to approximately 120°C. The systems have respectively four and three permeation test cells, which are sequentially sampled by the detection system via a rotating multi-port switching valve. The detection system of the PEBaMeT-HPA is a GC equipped with two different channels, each consisting of a pre- and main column for the separation of all permanent gases, including noble gases (except for helium (He) and neon (Ne)) and low weight hydrocarbons. The system was validated with O2GTR measurements on EVOH containing 32 mol% ethylene (EVOH32) and EVOH48 and nitrogen (N2)GTR measurements performed on EVOH32, EVOH44 and EVOH48 and was demonstrated suitable for permeation measurements when compared to those performed with previously established methods. The PEBaMeT-HPA was able to measure N2GTR values as low as 0.06 cm³/(m²·day·atm). Arrhenius curves of the three EVOH grades at 0% RH showed good correlation and are adequate to extrapolate the N2GTR to other temperatures and when tested in varying RH at 35°C, the EVOH grades demonstrate an optimal barrier at approximately 30% RH of 0.12, 1.3 and 2.3 cm³/(m²·day·atm) for 20 µm of EVOH32, EVOH44 and EVOH48 respectively. Unfortunately, it was not possible to generate reliable carbon dioxide (CO2)GTR values due to strong adsorption and desorption processes of CO2 on stainless steel surfaces, led to consistently higher CO2GTR values than those obtained with established methods. This can be resolved by using aluminium permeation cells instead or the application of a coating. The PEBaMeT-GC-MS has three different sampling systems for the analysis by GCMS: an autosampler, sample loop and thermal desorption (TD) trap. Calibration can be performed by the autosampler, whereas permeation is sampled on either the sample loop or the TD trap. Trapping can be especially useful when the components are below detection limit for direct injection by sample loop. By increasing the trap time, the detectable permeation value is effectively lowered, generating more accurate results. This was successfully demonstrated with an iso-octane permeation experiment through a multilayer film containing 22 µmEVOH32. Direct injection with the sample loop resulted in a value below detection limit for two of the three cells. However, by using the trap for a duration of 15 min, the permeation in all three cells was visible. Whereas previous studies using the weight loss method were unable to attain a permeation value for pure isooctane through EVOH32, the measurements performed on the PEBaMeT-GC-MS showed that the iso-octane permeability of a multilayer structure containing 22 µm EVOH32 ranges between 1.48 x 10-4 and 1.95 x 10-4 g·µm/(m²·day). The PEBaMeT-GC-MS is equipped with three versatile permeation cells. Using these cells in different configurations, the difference in permeation of vapour phase versus liquid phase contact with the film samples was observed for both npentane and iso-octane. In both cases vapour phase contact led to higher permeation values, most likely due to the free movement of the molecules. Lastly, the barrier properties of EVOH against mineral oil hydrocarbons (MOH) migrating from recycled paperboard were benchmarked against other materials such as polyamide (PA) and polyethylene terephthalate (PET) using different state-of-the-art methods: (1) the taped donor/receptor method and (2) the online permeation method. In general, 3 and 5 µm EVOH32 and 3 µm EVOH27 demonstrate good functional barrier against MOH migrating from recycled paperboard. Overall it can be stated that the development and validation of the two hyphenated systems was successful and that both systems can be used for their respective applications.

Ethyleen vinyl alcohol copolymeer (EVOH) is een van de meest gebruikte barrière materialen in een breed gamma aan applicaties. De uitstekende gas barrière eigenschappen zijn reeds uitgebreid onderzocht voor zuurstof (O2). Maar, permeabiliteit data voor EVOH tegen andere gassen en (semi-) vluchtige organische stoffen (VOS) is doorgaans beperkt tot droge condities. Omdat de reeds beschikbare methoden om permeatie te meten door EVOH niet allen nuttig en geschikt waren om een brede selectie aan moleculen te testen bij variërende condities van relatieve vochtigheid (RV) en temperatuur, werd een nieuwe aanpak toegepast. Dit onderzoek leidde tot de ontwikkeling van twee nieuwe samengestelde systemen, deze worden ook wel de Permeability EVOH Barrier Measurement Tool (PEBaMeT) systemen genoemd: de PEBaMeT-HPA (High Purity Analyzer) voor de gas doorlaatbaarheid (GTR) metingen van permanente gassen aan één kant en de PEBaMeT-GC-MS (gaschromatografie – massa spectrometrie) voor de permeatie metingen van (semi-)VOS aan de andere kant. Beide systemen bestaan uit een permeatie systeem geconnecteerd met een GC-gebaseerd detectiesysteem. Het permeatie system van beide systemen is gebaseerd op de gelijke druk methode en maakte bevochtiging van zowel de up- en downstream flows in de PEBaMeT-HPA. In het geval van de PEBaMeT-GC-MS is het enkel mogelijk om de downstream te bevochtigen. De permeatiesystemen hebben temperatuur controle, dit maakt het mogelijk om te meten onder kamertemperatuur (d.w.z. 10°C) en bij temperaturen tot ongeveer 120°C. De systemen hebben respectievelijk vier en drie peremeatie cellen, die sequentieel geanalyseerd worden door het detectiesysteem via een roterende multi-positie kraan. Het detectiesysteem van de PEBaMeT-HPA is een GC uitgerust met twee verschillende kanalen, elk bestaande uit een voor- en een hoofdkolom voor de scheiding van alle permanente gassen, inclusief nobele gassen (met uitzondering van helium (He) en neon (Ne)) en laagmoleculaire koolwaterstoffen. Het systeem werd gevalideerd met O2GTR metingen op EVOH met 32 mol% ethyleen (EVOH32) en EVOH48 en met stikstof (N2)GTR metingen op EVOH32, EVOH44 en EVOH48, en werd geschikt bevonden voor permeatie metingen in vergelijking met reeds eerder ontwikkelde methoden. Met de PEBaMeT-HPA konden waarden van 0.06 cm³/(m²·day·atm) nog gemeten worden. Arrhenius curves van de drie EVOH types bij 0% RV gaven goede correlatie en bleken bruikbaar om de N2GTR te extrapoleren naar andere temperaturen, en bij het testen in variërende RV bij 35°C, werd een optimale barrière gemeten voor de verschillende EVOH types bij ongeveer 30% van 0.12, 1.3 en 2.3 cm³/(m²·dag·atm) voor 20 µm EVOH32, EVOH44 and EVOH48 respectievelijk. Helaas was het niet mogelijk om betrouwbare koolstofdioxide (CO2)GTR waarden te bekomen door de adsorptie en desorptie processen van CO2 op roestvrij staal, dit leidde tot consistent hogere CO2GTR waarden dan deze bekomen met reeds geëvalueerde methoden. Dit probleem kan verholpen worden door het gebruik van aluminium permeatie cellen of het aanbrengen van een coating. De PEBaMeT-GC-MS heeft drie verschillende bemonsteringssystemen voor de analyse via GC-MS: een autosampler, een sample loop en een thermische desorptie (TD) trap. Kalibratie kan uitgevoerd worden via de autosampler, terwijl permeatie bemonsterd wordt door de sample loop of de TD trap. Trappen kan vooral nuttig zijn wanneer de concentratie van de component onder detectielimiet ligt bij een directe injectie via de sample loop. Door de trap tijd te verhogen, kan de detecteerbare permeatie waarde effectief verlaagd worden, dit leidt tot meer betrouwbare resultaten. Dit werd succesvol gedemonstreerd met een iso-octaan experiment door een multilaag structuur met 22 µm-EVOH32. Directe injectie via de sample loop gaf een permeatie waarde onder detectielimiet voor twee van de drie cellen. Maar door gedurende 15 min te trappen, werd de permeatie in alle drie de cellen zichtbaar. Waar er bij vorige studies via de gravimetrische methode niet in geslaagd werd om een waarde voor de permeatie van pure iso-octaan door EVOH32 te meten, tonen de metingen met de PEBaMeT-GC-MS aan dat de permeabiliteit van een multilaag structuur met 22 µm EVOH 32 voor iso-octaan tussen 1.48 x 10-4 en 1.95 x 10-4 g·µm/(m²·dag) ligt. De PEBaMeT-GC-MS is uitgerust met drie veelzijdige permeatie cellen. Door deze cellen in verschillende configuraties te gebruiken, kon het verschil in permeatie van dampfase t.o.v. vloeibaar fase contact met de film stalen vastgesteld worden voor zowel n-pentaan als iso-octaan. In beide gevallen gaf dampfase contact hogere permeatiewaarden, dit is waarschijnlijk door de vrije beweging van de moleculen. Ten slotte werden de barrière-eigenschappen van EVOH tegen minerale oliën (MO), die uit gerecycleerd karton migreren, vergeleken met die van andere materialen zoals polyamide (PA) en polyethyleentereftalaat (PET) d.m.v. verschillende state-of-the-art methoden: (1) de taped donor/receptor methode en (2) de online permeatie methode. In het algemeen kan geconcludeerd worden dat 3 en 5 µm EVOH32 en 3 µm EVOH27 goede barrière vertonen tegen MO die uit gerecycleerd karton migreren. Globaal kan worden gesteld dat de ontwikkeling en validatie van de twee samengestelde systemen succesvol was en dat beide systemen kunnen worden gebruikt voor hun respectievelijke toepassingen en hiermee de functionaliteit van EVOH in diverse, nieuwe domeinen onderzocht kan worden wat de marktvraag naar EVOH kan vergroten.