1. Principes et portée de la norme
L’ASTM D3985 est une méthode d’essai conçue pour déterminer le taux de transmission en régime permanent de l’oxygène gazeux à travers les plastiques sous forme de films, feuilles, laminés, coextrusions ou papiers et tissus revêtus de plastique. L’oxygène étant le principal agent d’oxydation responsable de la dégradation des aliments, des médicaments et de nombreux produits industriels, la mesure de sa transmission à travers les matériaux d’emballage est un paramètre critique pour la maîtrise de la durée de conservation.
Le principe repose sur une cellule d’essai dans laquelle l’échantillon est scellé entre deux compartiments. Le compartiment supérieur est purgé avec de l’oxygène pur (ou de l’air), tandis que le compartiment inférieur est balayé par un gaz vecteur (azote) qui transporte les molécules d’oxygène ayant traversé le film vers un capteur coulométrique. Ce capteur génère un courant électrique proportionnel à la quantité d’oxygène détectée, permettant une mesure quantitative précise.
La norme fournit trois grandeurs :
- OTR (Oxygen Transmission Rate) : taux de transmission de l’oxygène, en cm³/m²/jour, pour les conditions spécifiques de l’essai.
- PO2 (perméance) : OTR normalisé par la pression partielle d’oxygène, en cm³/m²/jour/atm, permettant la comparaison entre essais réalisés à des pressions différentes.
- P’O2 (coefficient de perméabilité) : perméance multipliée par l’épaisseur, en cm³·mm/m²/jour/atm, applicable uniquement aux matériaux homogènes et permettant la comparaison indépendamment de l’épaisseur.
1.1 Distinction avec les méthodes d’essai connexes
Plusieurs normes couvrent la mesure de la perméabilité aux gaz des matériaux d’emballage. La différence porte sur le type de capteur, les conditions d’essai et le champ d’application :
| Norme | Méthode | Cas d’usage |
|---|---|---|
| ASTM D3985 | OTR par capteur coulométrique, 23 °C / 0 % HR (conditions sèches) | Films et feuilles plastiques, référence de base |
| ASTM F1927 | OTR par capteur coulométrique, 38 °C / 90 % HR (conditions humides) | Films barrière sensibles à l’humidité (EVOH, PA) |
| ASTM F2622 | OTR d’emballages finis (sachets, barquettes, bouteilles) | Validation du produit fini, pas du matériau seul |
| ISO 15105-2 | Transmission de gaz par capteur coulométrique (méthode de référence ISO) | Équivalent ISO de la D3985, marchés internationaux |
| ASTM D1434 | Transmission de gaz par méthode manométrique ou volumétrique | Tous gaz (O2, CO2, N2), méthode classique |
La D3985 est spécifiquement conçue pour l’oxygène en conditions sèches. Pour les films barrière dont les propriétés varient avec l’humidité (EVOH, polyamide), l’ASTM F1927 est indispensable car elle mesure l’OTR dans les conditions réelles d’utilisation (température et humidité élevées).
2. Rôle dans l’évaluation des matériaux barrière
2.1 Prédiction de la durée de conservation
L’objectif principal de l’ASTM D3985 est de quantifier la barrière à l’oxygène d’un matériau d’emballage. Cette donnée est directement utilisée dans les modèles de prédiction de durée de conservation (shelf life) : connaissant l’OTR du matériau, la surface d’emballage, le volume d’espace de tête et la sensibilité du produit à l’oxygène, il est possible de calculer la durée pendant laquelle le produit restera dans les limites acceptables de qualité.
À titre indicatif, les ordres de grandeur d’OTR pour les matériaux courants (23 °C, 0 % HR) :
| Matériau | OTR typique (cm³/m²/jour) |
|---|---|
| PE-LD (50 µm) | 3 000 – 6 000 |
| PP (30 µm) | 1 500 – 2 500 |
| PET (12 µm) | 50 – 100 |
| PA (15 µm) | 20 – 40 |
| EVOH (5 µm, sec) | 0,01 – 0,5 |
| PVdC/Saran (25 µm) | 2 – 8 |
| Aluminium (6 µm) | < 0,001 (quasi-impérméable) |
2.2 Sélection des matériaux et optimisation
L’OTR est un critère de sélection déterminant pour le choix du matériau d’emballage. En comparant les coefficients de perméabilité (P’O2) de différents polymères, les ingénieurs peuvent concevoir des structures multicouches optimisées qui combinent barrière à l’oxygène, résistance mécanique et scellabilité au moindre coût.
L’essai D3985 permet également de valider les traitements de surface (métallisation sous vide, dépôt SiOx, revêtements barrière) en mesurant l’amélioration effective de la barrière par rapport au substrat non traité.
2.3 Limites d’interprétation
Les principales limites à connaître :
- L’essai à 0 % HR ne représente pas les conditions réelles d’utilisation. Pour les matériaux sensibles à l’humidité (EVOH, PA), l’OTR en conditions sèches peut être 10 à 100 fois inférieur à l’OTR en conditions humides.
- Le coefficient de perméabilité (P’O2) n’est valide que pour les matériaux homogènes. Il ne s’applique pas aux laminés, aux coextrusions ou aux matériaux métallisés.
- L’OTR du matériau seul ne prédit pas la barrière de l’emballage fini : les scellures, les plis et les perforations contribuent significativement à la transmission globale.
- La température a un effet exponentiel sur l’OTR (loi d’Arrhenius). Les résultats à 23 °C ne peuvent pas être directement extrapolés à 4 °C ou 38 °C sans modèle de correction.
Important : L’OTR mesuré à 23 °C / 0 % HR est une valeur de référence pour la comparaison des matériaux, pas une prédiction directe du comportement en conditions réelles. Pour les matériaux sensibles à l’humidité, l’essai ASTM F1927 (38 °C / 90 % HR) est indispensable.
3. Procédure d’essai
3.1 Préparation des échantillons
Les échantillons sont conditionnés pendant au moins 48 heures à 23 ± 2 °C et 50 ± 5 % HR. Les éprouvettes sont découpées aux dimensions de la cellule d’essai, en évitant toute perforation, pli ou contamination de la surface. L’intégrité du film est critique : le moindre défaut crée un chemin de fuite qui fausse la mesure.
3.2 Déroulement de l’essai
La procédure se déroule en plusieurs étapes :
- L’échantillon est scellé dans la cellule d’essai, séparant le compartiment à oxygène du compartiment à azote.
- Les deux compartiments sont purgés : le côté test est balayé par de l’azote ultra-pur, le côté source par de l’oxygène pur (ou de l’air à 20,9 % O2).
- L’appareil attend l’atteinte du régime permanent (steady state) : le flux d’oxygène traversant le film se stabilise. Cette phase peut durer de quelques heures (films perméables) à plusieurs jours (films haute barrière).
- Une fois le régime permanent atteint, le capteur coulométrique mesure le flux d’oxygène en continu. La valeur est enregistrée lorsque la variation est inférieure à 1 % sur une période définie.
L’appareil le plus répandu est le MOCON OX-TRAN (aujourd’hui AMETEK MOCON), considéré comme la référence industrielle pour les mesures d’OTR par capteur coulométrique.
3.3 Collecte et analyse des données
Les paramètres clés rapportés sont :
| Paramètre | Description |
|---|---|
| OTR | Taux de transmission de l’oxygène en régime permanent (cm³/m²/jour) |
| PO2 | Perméance à l’oxygène (cm³/m²/jour/atm) |
| P’O2 | Coefficient de perméabilité (cm³·mm/m²/jour/atm), matériaux homogènes uniquement |
| Température | Température d’essai (typiquement 23 °C) |
| Humidité relative | HR côté azote (typiquement 0 % pour D3985) |
| Épaisseur | Épaisseur moyenne du film (µm), nécessaire pour le calcul de P’O2 |
| Surface d’essai | Surface exposée de la cellule (cm²), utilisée pour le calcul de l’OTR normalisé |
Le temps d’atteinte du régime permanent doit être documenté, car il constitue une indication de la capacité barrière du matériau. Un film haute barrière peut nécessiter plusieurs jours de stabilisation avant que la mesure ne soit exploitable.
4. Cadre réglementaire et applications industrielles
4.1 Références normatives et réglementaires
La norme ASTM D3985 s’inscrit dans un écosystème normatif et réglementaire plus large :
- ASTM F1927 : méthode complémentaire pour l’OTR en conditions humides (38 °C, 90 % HR), indispensable pour les matériaux sensibles à l’humidité.
- ASTM F2622 : mesure de l’OTR d’emballages finis (contenants rigides et souples), complémentaire de la mesure sur matériau seul.
- ISO 15105-2 : méthode ISO équivalente pour la transmission de gaz par capteur coulométrique.
- ASTM D1434 : méthode manométrique/volumétrique pour la transmission de gaz, applicable à tous les gaz (O2, CO2, N2).
- ASTM F1249 : taux de transmission de la vapeur d’eau (WVTR), complémentaire de l’OTR pour la caractérisation barrière complète.
La version en vigueur est la D3985-17, développée par le sous-comité D20.19 de l’ASTM International.
4.2 Applications sectorielles
Emballage alimentaire
La barrière à l’oxygène est le paramètre clé de la durée de conservation des aliments sensibles à l’oxydation : viandes, fromages, café, snacks, plats cuisinés sous atmosphère modifiée (MAP). L’ASTM D3985 est utilisée pour qualifier les films barrière (EVOH, PVdC, PA, PET métallisé) et optimiser les structures multicouches.
Industrie pharmaceutique
De nombreux principes actifs sont sensibles à l’oxydation. Les blisters, sachets et flacons pharmaceutiques doivent maintenir une barrière à l’oxygène rigoureuse tout au long de la durée de validité du médicament. L’OTR mesuré selon la D3985 est intégré dans les dossiers de validation des matériaux de conditionnement primaire.
Dispositifs médicaux
Les emballages stériles pour dispositifs médicaux doivent maintenir la stérilité pendant toute la durée de stockage. La mesure de l’OTR contribue à valider l’intégrité de la barrière et à dimensionner les conditions de conservation.
Boissons et bouteilles PET
Les bouteilles PET pour bière, jus de fruits et boissons gazeuses sont soumises à des exigences strictes de barrière à l’oxygène. La D3985 (complétée par la F2622 pour les contenants finis) valide l’efficacité des traitements barrière (revêtements SiOx, mélange PA/PET, scavengers).
5. Bonnes pratiques pour des essais fiables
5.1 Choix du laboratoire
La fiabilité des résultats dépend directement de la compétence du laboratoire. Les critères de sélection :
- Accréditation ISO/IEC 17025, garantissant la compétence technique et la traçabilité métrologique.
- Équipement de référence : appareil type MOCON OX-TRAN (ou équivalent) avec capteur coulométrique calibré, cellules d’essai étanches et contrôle de température précis.
- Maîtrise de l’humidité : pour les essais à 0 % HR, le gaz vecteur doit être séché à un point de rosée inférieur à –40 °C.
- Vérification de l’étanchéité des cellules : toute fuite dans le système produit des valeurs d’OTR artificiellement élevées.
5.2 Recommandations pratiques
Pour maximiser la valeur des essais D3985 :
- Spécifier systématiquement la température, l’humidité relative, la pression partielle d’oxygène et l’épaisseur du film dans tout rapport d’essai.
- Pour les matériaux contenant de l’EVOH ou du PA, compléter la D3985 (0 % HR) par un essai F1927 (90 % HR) pour évaluer la perte de barrière en conditions humides.
- Utiliser le coefficient de perméabilité (P’O2) pour comparer des matériaux homogènes d’épaisseurs différentes, et l’OTR pour comparer des structures complètes (laminés, métallisés).
- Compléter les mesures d’OTR par des mesures de WVTR (ASTM F1249) pour une caractérisation barrière complète du matériau.
- Pour la prédiction de durée de conservation, mesurer l’OTR aux températures réelles de stockage (4 °C, 25 °C, 38 °C) et modéliser la dépendance en température.
L’emballage alimentaire, la pharmacie, les dispositifs médicaux et les boissons sont les principaux secteurs utilisateurs. Tout secteur où l’oxygène affecte la qualité ou la sécurité du produit conditionné bénéficie de cette norme pour la sélection des matériaux barrière, le contrôle de production et la qualification fournisseur.