Un film barriera deve fare una cosa precisa: limitare il passaggio di sostanze che possono compromettere la protezione del prodotto.
Ossigeno, vapor d’acqua e CO₂ attraversano i materiali con modalità differenti. Per questo non esiste un’unica misura della barriera, ma parametri specifici che permettono di quantificare il comportamento del film nelle condizioni di interesse.
OTR, WVTR e CO₂TR sono i principali valori utilizzati per valutare rispettivamente la trasmissione di ossigeno, vapor d’acqua e anidride carbonica.
La loro determinazione permette di sviluppare nuovi film, ottimizzare strutture multistrato e laminati, verificare le prestazioni di un materiale e supportare il controllo qualità.
ExtraSolution propone soluzioni per la misura di queste proprietà su film plastici, materiali barriera e strutture multistrato.
Che cosa sono le proprietà barriera dei film
Le proprietà barriera indicano quanto efficacemente un materiale riesce a limitare il passaggio di gas, vapor d’acqua o altre sostanze attraverso la propria struttura.
Un film non presenta necessariamente lo stesso comportamento nei confronti di ogni agente di permeazione. La barriera all’ossigeno, ad esempio, può essere diversa da quella al vapor d’acqua o alla CO₂.
Per questo la valutazione deve partire dalla sostanza che si vuole controllare e dall’applicazione finale del materiale.
Nel packaging, le principali proprietà considerate riguardano:
- ossigeno (O₂);
- vapor d’acqua;
- anidride carbonica (CO₂);
- altri gas, quando richiesti dall’applicazione.
Il livello di barriera richiesto dipende dal prodotto, dalla durata prevista della conservazione e dalle condizioni a cui sarà sottoposto l’imballaggio.
Perché sono importanti
La barriera contribuisce a controllare gli scambi tra l’interno della confezione e l’ambiente esterno.
In funzione del prodotto, limitare l’ingresso di ossigeno o umidità, oppure lo scambio di CO₂, può contribuire a preservarne caratteristiche e condizioni durante la conservazione.
La valutazione delle proprietà barriera è quindi utile in diverse fasi:
- sviluppo di nuovi materiali;
- selezione del film più adatto;
- progettazione di strutture multistrato;
- ottimizzazione di laminati e rivestimenti;
- modifica di formulazioni o processi produttivi;
- qualificazione dei materiali;
- controllo della produzione;
- verifica delle specifiche tecniche.
Il dato sperimentale consente di passare da una caratteristica dichiarata del materiale a una prestazione quantificabile.
OTR, WVTR e CO₂TR: i principali parametri
La scelta del parametro dipende dalla sostanza che si desidera analizzare.
OTR – Oxygen Transmission Rate
L’OTR indica la velocità con cui l’ossigeno attraversa un materiale.
È uno dei parametri principali per valutare la barriera all’ossigeno di film e strutture destinate al packaging.
Un valore OTR più basso, a parità di condizioni di prova, indica una minore trasmissione di ossigeno.
Per approfondire questo argomento consulta la pagina dedicata alla permeabilità all’ossigeno e OTR.
WVTR – Water Vapor Transmission Rate
Il WVTR esprime la velocità di trasmissione del vapor d’acqua attraverso il campione.
Il parametro viene utilizzato per valutare la protezione nei confronti dell’umidità e assume particolare importanza nei materiali destinati al packaging alimentare, farmaceutico e ad altre applicazioni sensibili all’acqua.
A parità di condizioni, un WVTR più basso corrisponde a una minore trasmissione di vapor d’acqua.
Approfondisci la permeabilità al vapor d’acqua e WVTR.
CO₂TR – Carbon Dioxide Transmission Rate
Il CO₂TR misura la velocità di trasmissione dell’anidride carbonica attraverso il materiale.
Il parametro è utile quando lo scambio di CO₂ rappresenta una caratteristica rilevante per il prodotto o per la specifica applicazione.
Per maggiori informazioni consulta la pagina dedicata alla permeabilità alla CO₂ e CO₂TR.
Film barriera: materiali e strutture
Le prestazioni di un film dipendono dalla combinazione di materiali, spessori e tecnologie utilizzate per realizzarlo.
La funzione barriera può essere ottenuta attraverso:
- specifici polimeri;
- combinazioni di materiali;
- strutture multistrato;
- laminazione;
- coestrusione;
- rivestimenti superficiali;
- trattamenti specifici.
I film ad alta barriera vengono progettati per ottenere livelli particolarmente elevati di protezione nei confronti di uno o più agenti di permeazione.
La soluzione scelta dipende dalle prestazioni richieste, ma anche da fattori come lavorabilità, proprietà meccaniche, saldabilità, trasparenza e costo.
Proprietà barriera dei film multistrato
Nei film multistrato, ogni strato può svolgere una funzione specifica.
Una struttura può combinare, ad esempio:
- uno strato con funzione meccanica;
- uno strato barriera;
- uno strato saldante;
- uno strato protettivo;
- un adesivo o uno strato intermedio.
Il risultato finale dipende dall’interazione tra i diversi componenti della struttura.
Per questo, quando il materiale viene utilizzato come laminato o film multistrato, è importante valutarne le prestazioni nella configurazione finale, non soltanto analizzare separatamente i singoli componenti.
Questo approccio permette di verificare l’effetto di modifiche allo spessore, alla composizione o alla sequenza degli strati.
Da cosa dipendono le proprietà barriera
La prestazione di un film è influenzata da diversi fattori.
Materiale
La struttura chimica del materiale determina il modo in cui gas e vapor d’acqua interagiscono con il film.
Materiali differenti possono quindi presentare comportamenti molto diversi anche quando vengono utilizzati per la stessa applicazione.
Spessore
Lo spessore può incidere sulla trasmissione attraverso il materiale.
Quando si confrontano film differenti, questo parametro deve essere considerato insieme alla composizione e alla struttura del campione.
Temperatura
La temperatura può modificare sia le caratteristiche del materiale sia la velocità di trasmissione.
I risultati ottenuti a temperature differenti non sono quindi direttamente confrontabili senza considerare le condizioni di prova.
Umidità
L’umidità relativa è particolarmente importante nella valutazione della barriera al vapor d’acqua.
Anche le condizioni ambientali possono influenzare il comportamento di alcuni materiali e devono essere definite in funzione del metodo utilizzato.
Struttura e trattamenti
Laminazione, coestrusione, rivestimenti e trattamenti superficiali possono modificare significativamente le prestazioni finali.
Per questo il test sul prodotto finito è spesso fondamentale per verificare il comportamento reale della struttura.
Come si valutano le proprietà barriera
La valutazione viene effettuata attraverso test specifici per il gas o il vapore di interesse.
In linea generale, il campione viene sottoposto a condizioni controllate e si misura la quantità di sostanza che attraversa il materiale nel tempo.
Il parametro ottenuto dipende dal metodo utilizzato:
- OTR per l’ossigeno;
- WVTR per il vapor d’acqua;
- CO₂TR per l’anidride carbonica.
Affinché i risultati siano interpretabili e confrontabili, devono essere definite correttamente le condizioni della prova, tra cui:
- temperatura;
- umidità relativa, quando pertinente;
- pressione;
- gas utilizzato;
- area esposta;
- spessore;
- preparazione del campione;
- eventuale precondizionamento.
Il risultato deve quindi essere sempre considerato insieme alle condizioni nelle quali è stato ottenuto.
Come confrontare film e materiali
Uno dei principali vantaggi della misura è la possibilità di confrontare soluzioni differenti sulla base di dati quantitativi.
È possibile, ad esempio, valutare:
- film con composizioni diverse;
- differenti spessori;
- strutture monostrato e multistrato;
- laminati;
- nuovi rivestimenti;
- differenti formulazioni;
- modifiche al processo produttivo.
Il confronto sperimentale può supportare la scelta del materiale e individuare eventuali differenze di prestazione tra soluzioni progettate per la stessa applicazione.
Proprietà barriera nel packaging
Nel packaging, la barriera viene definita in funzione delle caratteristiche del prodotto e delle condizioni di conservazione.
Non esiste quindi un livello di barriera valido per ogni applicazione: il materiale deve essere scelto in relazione alle esigenze specifiche.
La valutazione può riguardare:
- packaging alimentare;
- imballaggi flessibili;
- film plastici;
- laminati;
- strutture multistrato;
- packaging farmaceutico;
- applicazioni tecniche.
La scelta finale può richiedere la valutazione simultanea di più proprietà, combinando la barriera ai gas con caratteristiche meccaniche, ottiche e di processo.
Norme e condizioni di prova
La misura delle proprietà barriera può essere eseguita secondo differenti metodi e standard tecnici.
Il metodo appropriato dipende dal parametro da determinare, dal materiale e dalle condizioni richieste dall’applicazione.
Prima del test è quindi importante definire:
- standard o metodo di riferimento;
- temperatura;
- umidità relativa, quando prevista;
- gas di prova;
- condizioni di pressione;
- caratteristiche e dimensioni del campione;
- eventuale precondizionamento.
L’utilizzo di condizioni definite e controllate è essenziale per ottenere risultati ripetibili e correttamente confrontabili.
Come scegliere uno strumento per la misura della barriera
La strumentazione dovrebbe essere scelta partendo dalle analisi effettivamente richieste dal laboratorio.
Gli aspetti principali da considerare sono:
- tipo di gas o vapore da analizzare;
- intervallo di misura;
- tipologia e dimensioni dei campioni;
- spessore dei materiali;
- temperatura di prova;
- controllo dell’umidità;
- numero di analisi;
- livello di automazione;
- standard di riferimento;
- necessità di eseguire una o più tipologie di test.
Se il laboratorio lavora su materiali diversi o deve valutare più parametri, può essere utile considerare sistemi in grado di gestire differenti modalità di analisi.
Soluzioni ExtraSolution
ExtraSolution propone strumenti per la misura delle principali proprietà barriera di film, membrane e strutture multistrato.
Le soluzioni permettono di analizzare:
- permeabilità all’ossigeno;
- permeabilità al vapor d’acqua;
- permeabilità alla CO₂;
- film plastici;
- film barriera;
- laminati;
- strutture multistrato.
La configurazione può essere definita in funzione del materiale, del parametro da determinare, dell’intervallo di misura e delle condizioni operative richieste.
Gli strumenti trovano applicazione nella ricerca e sviluppo, nella qualificazione dei materiali e nel controllo qualità.
Applicazioni
La valutazione delle proprietà barriera è utilizzata in diversi settori industriali.
Packaging alimentare
Per verificare le prestazioni di film e strutture destinate alla protezione degli alimenti.
Imballaggi flessibili
Per analizzare film, laminati e strutture multistrato.
Packaging farmaceutico
Per valutare materiali destinati a prodotti sensibili alle condizioni ambientali.
Film plastici e materiali barriera
Per confrontare differenti formulazioni, strutture e spessori.
Ricerca e sviluppo
Per progettare nuovi materiali e ottimizzare le caratteristiche delle strutture esistenti.
Controllo qualità
Per verificare la costanza delle prestazioni e la conformità alle specifiche.
Approfondisci le misure di permeabilità
Le proprietà barriera possono essere analizzate attraverso parametri specifici, in funzione della sostanza di interesse.
Approfondisci:
- Permeabilità ai gas: misura e analisi
- Permeabilità all’ossigeno e OTR
- Permeabilità al vapor d’acqua e WVTR
- Permeabilità alla CO₂ e CO₂TR
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