Preguntas frecuentes sobre permeación

La permeación es el movimiento de gas y vapor a través de una barrera, como la pared de una botella. Está impulsada por el gradiente de concentración de permeante, que va siempre del lado de mayor concentración al de menor concentración.

         Fig 1.       La permeabilidad es un proceso natural         

Por ejemplo, imaginemos una botella con un refresco carbonatado (fig. 1). El CO2 del producto está a aproximadamente 4 atm (en el momento de rellenarlo), mientras la concentración de CO2 en el medio ambiente es de menos del 0,5 % del aire. Por lo tanto, el CO2 se transmitirá del interior al exterior de la botella. Del mismo modo, el oxígeno del aire pasará del exterior al interior de la botella. Aunque el proceso de permeación es invisible, puede detectarse por la pérdida de CO2 a lo largo del tiempo. También se aprecia al probar el refresco. Si la bebida pierde su fuerza, indica una pérdida de CO2, por lo que se reduce la calidad y el tiempo de conservación.

     
       Fig 2.      Mecanismo de difusión de solución

El mecanismo de permeación tiene tres pasos (fig. 2):

• Las moléculas del permeante se introducen en la superficie (lado de alta concentración)
• Las moléculas del permeante se mueven o se difunden a través del material de barrera
• Las moléculas del permeante salen por el otro lado (lado de baja concentración)

Por lo tanto, la permeación está relacionada con la solubilidad (S) y la difusividad (D) mediante la siguiente ecuación matemática:

P = coeficiente de permeabilidad
D = coeficiente de difusión
S = coeficiente de solubilidad
q = cantidad de permeante transferido por unidad de área, A, en un tiempo t, es el espesor del material y Δp es la diferencia de presión parcial.

En aplicaciones prácticas, la tasa de transmisión (TR) es la forma más común de registrar el flujo de gas que atraviesa un polímero. Tiene más sentido porque muchos polímeros tienen varias capas o revestimiento. El flujo neto de oxígeno, vapor de agua, dióxido de carbono, etc. es lo más importante para la vida útil del producto.

La permeación y la tasa de transmisión tienen las siguientes unidades:


Las ecuaciones de la parte superior demuestran que la tasa de permeación es el espesor y la tasa de transmisión normalizada.

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La permeación de un material se obtiene mediante el análisis de tasa de transmisión. Las tasas de transmisión de oxígeno (OTR), vapor de agua (WVTR) y CO2 (CO2TR) pueden medirse con instrumentos que utilizan diferentes tecnologías de sensor. El sistema para analizar la tasa de transmisión de una película (fig. 3) es análogo al diagrama del mecanismo de difusión, es decir, gas de análisis a un lado de la película y gas transportador al otro lado. Se conoce como método isostático (o método de presión constante) El gas transportador (normalmente nitrógeno) transporta el gas de análisis permeado hasta el sensor para su cuantificación.
Algunos ejemplos de instrumento son:

• MOCON OX-TRAN± 2/22 para análisis OTR
• PERMATRAN-W± 3/34 para WVTR
• PERMATRAN-C± para CO2TR

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¿Por qué elegirnos para el análisis de permeación?

Glosario de permeación

Preguntas frecuentes sobre permeación

La permeación se ve afectada por factores ambientales como temperatura, humedad relativa (RH) y la fuerza que la impulsa. Estos son algunos datos importantes:

• Por cada aumento de 10 °C en temperatura, la tasa de transmisión se duplica.
• La humedad causará un comportamiento no fickiano de los materiales hidrófilos (p. ej., EVOH con humedad)
• La tasa de transmisión es proporcional a la fuerza impulsora
• La tasa de transmisión es inversamente proporcional al espesor del material

Por eso es fundamental realizar el análisis en condiciones controladas de temperatura y humedad relativa para obtener resultados de tasa de transmisión precisos.

La permeación viene influida por la naturaleza del polímero y el permeante y por sus interacciones. Algunos factores son:

• Sustitución química en la estructura del polímero
• Grado de envasado, cristalinidad y orientación de las cadenas moleculares
• Susceptibilidad a la humedad y otras posibles interacciones con las cadenas (p. ej., EVOH con humedad)
• Contacto del permeante con la superficie del polímero
• Aditivos usados en la fabricación o modificación del polímero
• Las polaridades del polímero y del permeante.

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• Adjuntar "Artículo 18-5102 Conceptos básicos de permeación"

ASTM ha aprobado dos métodos de análisis para registrar la transmisión de vapor de agua de los materiales:

• ASTM E96: transmisión de vapor de agua de los materiales usando un método gravimétrico (adoptado en 1941) y
• ASTM 1249: tasa de transmisión de vapor de agua a través de película plástica mediante un sensor de infrarrojos modulado (adoptado en 1990).

¿Cuál de los dos métodos elegiría para las necesidades de envasado actuales? Echemos un vistazo a la comparación entre esos dos métodos:

Tabla de resumen de comparación de métodos ASTM F1249 y E96

Para explorar datos interesantes detallados sobre estos métodos, lea nuestro informe completo aquí. 

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• Métodos de prueba

Para proteger la calidad del producto, se utilizan materiales de envase con barrera para oxígeno en productos sensibles al oxígeno. En consecuencia, es importante obtener una medición precisa de la tasa de transmisión de oxígeno (OTR) al evaluar las propiedades de barrera de oxígeno durante la selección de materiales de envasado, así como en los procesos de evaluación y análisis de la calidad en las siguientes etapas.

ASTM cuenta con dos métodos de análisis aprobados para determinar la tasa de transmisión de oxígeno en materiales de envasado: ASTM D3985 – 05 (reaprobado en 2010) – "Método de análisis estándar de tasa de transmisión de oxígeno a través de película plástica y láminas usando un sensor culombimétrico" y ASTM F2622 – 08 – Método de análisis estándar de tasa de transmisión de oxígeno a través de película plástica y láminas usando diferentes sensores.

El título ya muestra que la diferencia principal entre los dos métodos está en el sensor: culombimétrico o no culombimétrico. La siguiente tabla resume las características principales de cada método.

Tabla de resumen de comparación de métodos

Los métodos culombimétricos y no culombimétricos pueden tener diferentes aplicaciones.

Al trabajar con materiales de alta barrera para envasar alimentos u otros productos de fácil oxidación, los materiales de envasado de bajo nivel de ORT requieren un sensor más preciso. La mejor práctica es seleccionar un instrumento que cumpla con el método culombimétrico. Los ajustes de manipulación de la temperatura, humedad relativa, fugas del sistema y otros parámetros marcan la diferencia entre una respuesta buena y una mala. Al tomar decisiones empresariales basándose en los resultados generados por un dispositivo de medición de la permeación, la precisión, la replicabilidad y la fiabilidad de los resultados son fundamentales.

Si se trata de envases de productos frescos o fruta, donde se necesita un alto nivel de oxígeno, o en el caso de otros productos que no son sensibles al oxígeno, el material de envasado suele ser poliolefina u otros materiales con baja barrera de oxígeno. En ese caso, los instrumentos con sensores no culombimétricos son adecuados. Por ejemplo, el nuevo MOCON OX-TRAN® 2/12.

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ASTM E96, también llamado método gravimétrico o método de copa, se utiliza frecuentemente para determinar la tasa de transmisión de vapor de agua (WVTR) de barreras plásticas de alta transmisión o materiales no tejidos. Es un método muy popular, pero hay otro más preciso y sencillo para medir un alto nivel de WVTR: el que se describe en ASTM D6701, que se corresponde con el PERMATRAN± 101K producido por AMETEK MOCON.

Al analizar una membrana con una tasa de transmisión muy alta, la bolsa de aire que queda entre el material del análisis y el agua o el desecante utilizado en el método de copa es una barrera significativa (figura 1). Cuanto mayor sea la bolsa de aire, menos vapor de agua la atravesará.

ASTM D6701 (figura 2) es un método instrumental que modifica el concepto de copa invertida y película de protección para eliminar por completo la bolsa de aire y permite obtener resultados WVTR más precisos.

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El análisis de permeación puede hacerse con el método de presión constante o el método de presión diferencial.

El método de presión constante se llama también método isostático. Durante el análisis, tal como se muestra en el gráfico de la parte inferior, ambos lados de la película están expuestos a la misma presión del gas de análisis y gas transportador, normalmente la presión atmosférica. La fuerza impulsora es la presión parcial del gas de análisis o la diferencia de concentración a lo largo de la película. El flujo continuo de gas transportador transporta el gas de análisis permeado hasta el sensor para su cuantificación. Algunas normas ASTM utilizadas frecuentemente para cuantificar la tasa de transmisión son ASTM D3985, F1249, etc.

El método de presión diferencial se conoce también como método manométrico. Durante el análisis, tal como se muestra en el gráfico de la parte inferior, una cara de la película de ese lado de la cámara se ve expuesta al flujo de gas de análisis (p. ej.: O2, CO2) y el otro lado de la cámara suele quedar vacío. La permeación de gas a través de una película viene impulsada por una diferencia de presión absoluta a través de la película. La permeación del gas de análisis viene determinada por la medición del cambio de presión con el paso del tiempo al lado de baja presión al encontrar la pendiente del cambio cuando se vuelve lineal. El ejemplo habitual de ASTM es ASTM D1434.

Aquí se incluye una lista de comparación del método isostático y el método manométrico:

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Las diferentes estructuras moleculares de las películas de polímero determinan la reacción del polímero con la humedad que lo rodea. Algunos materiales de barrera, denominados materiales fickianos, no se ven afectados por el cambio en la humedad relativa. Los resultados OTR obtenidos con una HR diferente serían iguales. Suelen ser poliolefinas u otros materiales de naturaleza hidrofóbica.

El otro tipo de materiales, llamados materiales no fickianos, son sensibles a la humedad o hidrófilos. Los resultados de OTR medidos con diferente humedad relativa podrían ser muy diferentes. La humedad infla las cadenas de polímeros y las hace más permeables a los gases que las atraviesan. En ese caso, el análisis de OTR debe realizarse con humedad relativa precisa de modo que se pueda conocer el peor rendimiento en las aplicaciones en la vida real. El siguiente gráfico muestra ejemplos de cómo la humedad relativa afecta a la OTR de los polímeros.

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Durante un proceso de diseño de envases, las propiedades de barrera del material de envasado indican cuánta protección pueden proporcionar, lo que es clave para la conservación del producto.

Como parte esencial del proceso de I+D, el análisis de las películas y/o componentes (botellas/tapas) es útil para seleccionar envases. Sin embargo, la tasa de permeación de los envases acabados puede ser mucho más alta por los daños causados durante la fabricación, el transporte y la distribución.

Para averiguar las verdaderas tasas de permeación de un envase, solo analizando el envase completo se puede comprender el sistema de componentes sellados e integrados, junto con los posibles efectos del desgaste por el procesamiento y la distribución.
 
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