Elk materiaal heeft een zekere doorlaatbaarheid
Elk materiaal heeft een zekere doorlaatbaarheid. Het gebruik van verschillende polymeren zal de doorlaatbaarheid bepalen voor zuurstof, stikstof, koolstofdioxide, waterdamp en andere gassen.
De barrière, die gevormd wordt door deze polymeren, zorgt ervoor dat de gassamenstelling in verpakkingen behouden kan blijven. Dit verbetert op zijn beurt de houdbaarheid van een verpakt product aanzienlijk. Er worden twee begrippen gebruikt om dit fenomeen te omschrijven, namelijk permeabiliteit en permeatie. Permeabiliteit is een materiaalkarakteristiek. Permeatie daarentegen is een eigenschap van afgewerkte producten en wordt beïnvloed door de materiaaldikte en de structuur van de afgewerkte producten.
1. De doorlaatbaarheid en permeatie van gas
Gasdoorlaatbaarheid wordt meestal uitgedrukt in termen van de gasdoorlaatbaarheidcoëfficiënt (P) en de permeatie (Q). De doorlaatbaarheid van anorganische gassen wordt bepaald door de oplosbaarheid (Solubility,S) en de diffusiecoëfficiënt(D).
De gasdoorlaatbaarheidscoëfficiënt(P) verwijst naar het volume gas dat doordringt, per eenheid van dikte en oppervlakte van het materiaal over een bepaalde periode en onder constante temperatuur en drukverschil. De eenheid is cm³.cm/cm².s.Pa.
Permeatie is het gasvolume dat doordringt, per eenheid van oppervlakte, door een bepaald afgewerkt product, met een constante temperatuur en drukverschil. De eenheid is cm³/m².d.Pa.
Volgende formule kan gebruikt worden:
P = Q x d
Met d = materiaaldikte
Afhankelijk van de toegepaste norm, zijn verschillende andere eenheden mogelijk, zoals cm³/m².d.atm, ml(STP)/m².d, enz. Een conversietabel kan hier nuttig zijn.
2. De doorlaatbaarheidscoëfficiënt en transmissie snelheid van waterdamp
Waterdampdoorlaatbaarheid wordt uitgedrukt in de waterdampdoorlaatbaarheidscoëfficiënt en in transmissiesnelheid. Deze laatste term wordt het meest gebruikt.
De waterdampdoorlaatbaarheidscoëfficiënt (Pv) verwijst naar het volume gas dat doordringt, per eenheid van dikte en oppervlakte over een bepaalde periode en onder constante temperatuur, relatieve vochtigheid en dampdrukverschil. De eenheid is g.cm/cm².s.Pa.
De waterdamptransmissiesnelheid (WVTR, Water Vapour Transmission Rate) beschrijft de hoeveelheid water, die doorheen een monster van een vierkante meter met een bepaalde dikte migreert, gedurende 24 uur en onder constante temperatuur, relatieve vochtigheid en dampdrukverschil. De eenheid is g/m².24 h.
3. Waarom barrière eigenschappen?
Om uit te leggen hoe noodzakelijk testen kunnen zijn, nemen we het voorbeeld van een PET-fles met dop. In dit specifiek geval, kan de test uit 3 delen bestaan: de barrière van de dop, de fles en de verbinding tussen de dop en de fles. Aangezien de barrière-eigenschappen van een verpakking een directe invloed kunnen hebben op de inhoud, is het van groot belang deze eigenschappen te optimaliseren.
Eén van de meest belangrijke parameters die kunnen getest worden is de zuurstofbarrière. Dit omdat een teveel aan zuurstof in vele gevallen de hoofdreden is voor het slecht worden van producten. Ook andere gassen zoals stikstof en koolstofdioxide kunnen van belang zijn.
In onderstaande tabel staan een aantal meetresultaten opgesomd:
De zuurstofdoorlaatbaarheid van de plastic flessen in de bovenstaande tabel ligt tussen 0,02 en 0,4 ml/pkg.day. Na het toevoegen van een specifiek barrièremateriaal, kunnen waarden worden bereikt die onder de 0,02 ml/pkg.day liggen.
4. Welke methode kiezen om gasdoorlaatbaarheid te meten?
We vergelijken de Differential pressure (verschillende druk)-methode met de Equal pressure (gelijke druk)-methode.
Bij Differential pressure-methode gaat men meestal de vacuüm methode toepassen. In dit geval gebeurt de diffusie van het testgas doorheen het monster slechts in één richting en in één medium. Dit noemt men ‘zelf-diffusie’ en valt onder de Wet van Fick.
Bij de Equal pressure-methode werkt men meestal met een specifieke sensor. Gezien de druk aan beide kanten van het monster gelijk is, treedt er diffusie in beide richtingen op. Dit wordt omschreven als ‘inter-diffusie’. Vergelijkende testen hebben uitgewezen dat beide methodes verschillende resultaten kunnen opleveren. De juiste keuze alsook het meedelen van de gebruikte methode is dus zeer belangrijk. Alleen resultaten, die met eenzelfde methode zijn verkregen, kunnen met elkaar vergeleken worden.
Voordelen van de vacuüm-methode
Bij deze methode moet men geen rekening houden met het te gebruiken testgas. Alle niet-corrosieve en niet-toxische gassen kunnen gebruikt worden. Slechts een kleine hoeveelheid gas is nodig om een test uit te voeren. Niet zuivere gassen uit de testomgeving, kunnen volledig worden geëlimineerd. De testkamer wordt immers voor de test tot 27 Pa geëvacueerd en dan pas met testgas opgevuld.
Voordelen van de sensor-methode
Door een constante en gelijke druk uit te oefenen op beide zijden van het monster, voorkomt deze methode dat de verpakking gaat scheuren door het drukverschil aan de binnen- en buiten kant van het monster. Met deze methode kunnen zo goed als alle types van flessen, dozen, zakken, … getest worden. Resultaten die gebaseerd zijn op enkel de meting van vlakke delen van de verpakking zijn vaak incorrect. Met de sensor-methode worden dergelijke fouten vermeden. Aangezien stikstof wordt gebruikt als dragergas, is deze methode niet toepasbaar om de doorlaatbaarheid voor stikstof te bepalen.
