Permeabilità ai gas: cos’è, come si misura e perché è importante
La permeabilità ai gas è una proprietà che descrive la capacità di un materiale di lasciarsi attraversare da un gas.
Questa caratteristica è particolarmente importante quando un materiale viene utilizzato come barriera per proteggere un prodotto dall’ambiente esterno o, al contrario, per controllare lo scambio di gas tra interno ed esterno della confezione.
La misura della permeabilità permette quindi di caratterizzare il comportamento di film, materiali barriera e strutture di packaging e di confrontare differenti soluzioni.
Che cos’è la permeabilità ai gas
Quando un materiale viene posto tra due ambienti con differenti concentrazioni o pressioni di un gas, le molecole possono attraversarlo.
La permeabilità descrive la facilità con cui questo fenomeno avviene.
Un materiale con bassa permeabilità ostacola maggiormente il passaggio del gas e può quindi offrire una maggiore funzione barriera. Un materiale più permeabile, invece, permette un passaggio maggiore nelle stesse condizioni di prova.
La permeabilità non è però una caratteristica assoluta del materiale: il valore misurato dipende anche dal gas analizzato e dalle condizioni nelle quali viene eseguita la prova.
Da cosa dipende la permeabilità di un materiale
Il comportamento di un materiale nei confronti dei gas può essere influenzato da diversi fattori.
Tra i principali:
- tipo di materiale;
- struttura chimica;
- spessore;
- temperatura;
- umidità relativa;
- tipo di gas;
- struttura del campione.
Anche la presenza di più strati, coating o trattamenti superficiali può modificare significativamente il comportamento della struttura finale.
Per questo motivo, quando si confrontano materiali differenti, è importante considerare non soltanto il valore ottenuto, ma anche le condizioni nelle quali è stata effettuata la misura.
Perché la permeabilità è importante
La permeabilità ai gas può avere un ruolo determinante nella progettazione di materiali destinati a proteggere un prodotto.
Nel packaging, ad esempio, la capacità di limitare il passaggio di ossigeno, vapor d’acqua o anidride carbonica può essere una delle caratteristiche considerate nella scelta della struttura.
La caratterizzazione della permeabilità può servire a:
- confrontare materiali differenti;
- verificare le prestazioni di un film barriera;
- sviluppare nuove strutture;
- valutare l’effetto di un cambiamento di materiale o spessore;
- qualificare una soluzione;
- controllare la costanza delle prestazioni.
Il dato ottenuto dal test fornisce quindi un parametro quantitativo utile per prendere decisioni durante lo sviluppo e la qualificazione del materiale.
Quali gas vengono analizzati
Il gas da utilizzare nella prova dipende dall’applicazione e dalla proprietà che si desidera caratterizzare.
Tra i gas di maggiore interesse rientrano:
- ossigeno (O₂);
- anidride carbonica (CO₂);
- vapor d’acqua.
Per l’ossigeno viene comunemente utilizzato il parametro OTR (Oxygen Transmission Rate), mentre per il vapor d’acqua si utilizza il WVTR (Water Vapor Transmission Rate). Per l’anidride carbonica il parametro di riferimento è il CO₂TR (Carbon Dioxide Transmission Rate).
Questi parametri permettono di descrivere la trasmissione di gas differenti e non devono essere considerati equivalenti: ogni misura caratterizza infatti uno specifico comportamento del materiale.
Per approfondire:
Come si misura la permeabilità ai gas
-
La misura viene eseguita inserendo il campione in un sistema che separa due ambienti e sottoponendolo a condizioni di prova definite.
Il gas viene introdotto su un lato del materiale e il sistema rileva la quantità che attraversa il campione.
Il risultato della prova dipende dalle condizioni impostate e dalle caratteristiche del materiale. Per questo, temperatura, umidità, spessore, area di misura e altre condizioni devono essere definite e controllate in funzione del metodo utilizzato.
La scelta del metodo e dello strumento dipende quindi dal materiale da analizzare, dal gas di interesse e dal tipo di informazione richiesta.
Per un approfondimento tecnico sui metodi e sugli strumenti: Permeabilità ai gas: misura e analisi.
Permeabilità e proprietà barriera
La permeabilità è strettamente collegata al concetto di proprietà barriera.
Un materiale barriera viene progettato per limitare il passaggio di sostanze attraverso la propria struttura. Nel packaging, questa funzione può riguardare ossigeno, umidità o anidride carbonica, a seconda delle esigenze dell’applicazione.
La valutazione della barriera non si basa quindi su un unico parametro. OTR, WVTR e CO₂TR permettono di analizzare aspetti differenti delle prestazioni del materiale.
Per questo, quando si sviluppa una struttura barriera, è importante definire quali fenomeni di trasmissione devono essere caratterizzati.
Approfondisci: Proprietà barriera dei film.
In quali materiali viene valutata
La permeabilità può essere studiata su numerosi materiali e strutture, tra cui:
- film plastici;
- film barriera;
- film multistrato;
- laminati;
- materiali metallizzati;
- strutture co-estruse;
- materiali con coating;
- packaging rigido e flessibile.
Nel caso delle strutture multistrato, la misura della struttura completa permette di valutare il comportamento risultante dalla combinazione dei diversi strati.
Questo aspetto è particolarmente importante quando la prestazione barriera dipende dalla presenza di uno specifico materiale o dalla combinazione di più componenti.
Perché misurare la permeabilità durante lo sviluppo
La misura della permeabilità può essere inserita in diverse fasi dello sviluppo di un materiale o di un packaging.
Durante la progettazione permette di confrontare differenti soluzioni. Nella fase di qualificazione consente di verificare le prestazioni della struttura scelta. Nel controllo qualità può invece essere utilizzata per monitorare la costanza dei risultati.
Un approccio basato sulla misura consente quindi di affiancare ai dati teorici e progettuali un parametro sperimentale ottenuto direttamente sul materiale.
Perché misurare la permeabilità durante lo sviluppo
La misura della permeabilità può essere inserita in diverse fasi dello sviluppo di un materiale o di un packaging.
Durante la progettazione permette di confrontare differenti soluzioni. Nella fase di qualificazione consente di verificare le prestazioni della struttura scelta. Nel controllo qualità può invece essere utilizzata per monitorare la costanza dei risultati.
Un approccio basato sulla misura consente quindi di affiancare ai dati teorici e progettuali un parametro sperimentale ottenuto direttamente sul materiale.
Approfondisci la permeabilità ai gas
La permeabilità ai gas comprende differenti tipologie di misura e applicazioni.
Per approfondire gli argomenti correlati:
Misura della permeabilità con ExtraSolution
ExtraSolution propone soluzioni per la caratterizzazione della permeabilità di film, materiali barriera e strutture di packaging, con configurazioni dedicate alla misura di OTR, WVTR e CO₂TR.
La scelta dello strumento dipende dal materiale, dal gas da analizzare e dalle condizioni di prova richieste.
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