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Permeabilidade e a sua importância

16 Set 2019

O que os olhos não vêem, nós podemos determinar!

Polímeros plásticos são os materiais mais utilizados para o acondicionamento de produtos, desde remédios à alimentos. Além de uma grande possibilidade de combinação de filmes de diferentes espessuras e composições químicas,  as embalagens flexíveis podem - e devem -  ser desenvolvidas pensando em cada produto, suas necessidades específicas e as condições à que são submetidas desde o momento em que são embalados até o armazenamento pelos consumidores. Muitas propriedades são analisadas, como a permeabilidade a gases e vapores, resistência ao rasgo, à tração e à delaminação e a termossoldagem, por exemplo. Nesse texto, iremos nos aprofundar na primeira propriedade: a permeabilidade.
A permeabilidade de gases ou vapores consiste no movimento destas do meio exterior para o interior de uma embalagem, ou vice-versa. Esse fenômeno é possível devido aos espaços intramoleculares existentes entre as cadeias poliméricas, que possibilitam a passagem de moléculas de O2, H2O, CO2, vapores orgânicos e óleos e gorduras e está diretamente ligado com a composição e estrutura química dos polímeros utilizados.  Diz-se que quanto maior a resistência à esse movimento, maior a barreira de uma embalagem. Essas trocas gasosas podem ocorrer através de descontinuidades no material, como microporos, microfuros e fraturas, onde fluem livremente, ou por meio de permeação ou efeito de solubilização-difusão. Ao se aumentar a espessura de um filme, a permeabilidade diminui, contudo é impossível eliminá-la completamente.
A análise da barreira de uma embalagem é indispensável já que o produto armazenado pode sofrer alterações químicas e/ou físicas em contato com algumas dessas substâncias. A permeação através do filme se inicia com a condensação dos vapores e gases na superfície do filme. Em seguida, as moléculas se dissolvem no material, o que permite que a difusão através dele. Por fim, são dessorvidas na outra superfície, alcançando o meio interior. No geral, a etapa mais lenta desse processo é a difusão, sendo ela a determinante da velocidade de permeação.
Ao pensarmos na barreira que um material apresenta, estamos analisando o quanto ele dificulta a passagem de outras moléculas. Já, ao falarmos de permeabilidade, estamos mensurando a quantidade que atravessa o material. Desta forma, uma embalagem de alta barreira é dita também de baixa permeabilidade. A maioria dos testes para análise dessa característica calculam sua taxa de permeabilidade, que nada mais é do que a razão entre a quantidade de moléculas permeantes (que transpassam a embalagem) e sua área. A taxa de permeabilidade para gases é independente da concentração destes no meio externo, ao contrário do que ocorre para vapores orgânicos, dado que essas substâncias interagem com o polímero, o que provoca a diminuição das forças intermoleculares e o aumento do espaço livre entre as cadeias poliméricas.
Os principais fatores que influenciam na permeabilidade de um filme ou de uma combinação deles são a espessura total, a área e a natureza das cadeias poliméricas como polaridade, forças de ligação entre as cadeias, densidade, grau de compactação das cadeias, rigidez, volume livre e densidade. Quanto maior a espessura do filme que apresenta barreira, maior a quantidade de cadeias poliméricas que uma molécula precisa atravessar, o que torna a taxa de permeabilidade menor. Vale aqui lembrar que em muitas embalagens, não são todos os filmes que apresentam barreira a um determinado gás ou vapor: o material pode ter sido adicionado para proteger de outros fatores, como a luz, ou dificultar apenas a passagem de moléculas específicas.
Explorando a nível microscópico, observamos a relação entre as características dos polímeros e a permeabilidade. Como já vimos, as moléculas após se condensarem na superfície do plástico, difundem através dele. Quanto menor a densidade do polímero, o grau de compactação das cadeias e o volume livre, maior a quantidade de espaços vazios que permitem o movimento dessas moléculas, e assim, menor a barreira do material. A rigidez está também relacionada com a formação desses espaços, sendo que quanto mais rígido o material, mais difícil de as cadeias se distanciarem, dificultando a difusão das moléculas.
Em relação à estrutura e composição do polímero, a presença de grupos polares (como hidroxilas e aminas) aumenta a força de interação entre as cadeias, diminuindo a facilidade de passagem de outras moléculas pela estrutura. Radicais, que são grupos ligados à cadeia principal de uma molécula, também exercem influencia na barreira. A existência de radicais volumosos diminui a mobilidade do polímero, dificultando também a difusão. O mesmo efeito é presenciado quando ocorrem ligações cruzadas entre as cadeias do poliméricas.
A utilização de copolímeros, polímeros nos quais são usados mais de um tipo de molécula para formar as cadeias, pode também aumentar a permeabilidade, dependendo da característica de cada uma delas (polaridade, presença de radicais, etc.). O uso de aditivos e alguns tipos de pigmentos provocam o mesmo efeito. Por consequência, analisar a taxa de permeabilidade da embalagem conforme será usada no acondicionamento do produto, é bastante importante.
As diversas moléculas que podem atravessar um material possuem também características diferentes, o que interfere diretamente na permeação, já que isso interfere na solubilidade e difusibilidade. Uma molécula que apresenta baixo grau de solubilidade e difusibilidade tem também baixa permeabilidade. Mas esses dois fatores podem ser diferentes, caso que ocorre para o dióxido de carbono: mesmo sendo uma molécula grande frente ao O2 e N2, sua taxa de permeabilidade é alta. Isso se deve ao seu alto coeficiente de solubilidade, mesmo tendo baixo grau de difusibilidade.
Moléculas pequenas se difundem com maior facilidade do que moléculas grandes ou volumosas. Em relação à polaridade, moléculas apolares têm maior fator de difusibilidade do que as polares, principalmente quando o material é formado por polímeros polares. Dependendo da composição polimérica e da natureza do permeante, pode ocorrer interação entre eles. Nesse caso, quanto maior a pressão do gás ou vapor permeante, maior a sua difusibilidade.
Para substâncias não-condensáveis, quanto maior a temperatura, maior o grau de difusão, já que esse processo é favorecido pelo aumento da temperatura. Para moléculas condensáveis, como é o caso da água, temperaturas elevadas desfavorecem a difusão. Ao pensarmos em um polímero hidrofílico, que possui afinidade pela água, quanto maior a umidade do meio, maior a alteração das propriedades de barreira do material. As moléculas de água absorvidas atuam como um plastificante, tornando a estrutura mais suscetível à difusão de outras moléculas.
No momento de realização de um teste de permeabilidade, é recomendada a utilização de umidade relativa semelhante à do meio que o produto será armazenado, seja ele um teste para mensurar a permeabilidade de moléculas de água, quanto de outras moléculas, como de oxigênio e de nitrogênio.  De um modo geral, uma amostra da embalagem ou do filme é colocado em um equipamento específico para essas análises, como o Oxtran (análise de permeabilidade de O2, TPO2) e o Permatran (análise de permeabilidade de vapor de água, TPVA) e submetida à passagem do gás analisado pela barreira. O ensaio de fato se inicia após o estabelecimento do estado estacionário de transferência de moléculas. Caso contrário, um valor menor de taxa de permeabilidade pode ser obtido.

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