En los ensayos de envases y la I+D de polímeros, a muchos les desconcierta que un informe de permeación de gases muestre cuatro valores totalmente distintos para una misma película a la vez — tasa de transmisión de gas, permeabilidad, coeficiente de difusión y coeficiente de solubilidad. Los cuatro parecen referirse al «paso del gas a través del material», pero cada uno apunta a una etapa distinta de la permeación, con significado físico, lógica de cálculo y casos de uso completamente distintos.
El gas no atraviesa una película polimérica «de un soplo»; es un proceso en serie de tres pasos. Primero las moléculas de gas tocan la superficie y se disuelven en el material; después las moléculas disueltas difunden de un lado a otro bajo un gradiente de concentración; por último, las moléculas que llegan a la cara opuesta se desorben al exterior. Cada etapa corresponde a un indicador cuantitativo independiente.
Qué significan los cuatro parámetros
Tasa de transmisión de gas (GTR) — también llamada flujo de gas — describe cuánto gas objetivo atraviesa una muestra de área dada por unidad de tiempo. Es el indicador más práctico y orientado a la aplicación, y el parámetro de control de calidad más común en la industria.
Coeficiente de permeabilidad es una propiedad intrínseca del material. Elimina por completo variables externas como el espesor de la muestra y el área de ensayo, reflejando solo la capacidad de permeación inherente del material para un gas dado — equivale a comparar materiales de distinto espesor sobre la misma base.
Coeficiente de difusión describe la rapidez con que las moléculas de gas se mueven por los huecos entre segmentos de cadena una vez dentro, y está muy ligado al empaquetamiento de cadenas, la cristalinidad y el volumen libre.
Coeficiente de solubilidad mide cuántas moléculas de gas puede «capturar» y disolver internamente la superficie, reflejando la afinidad entre material y gas.
Unidades y cálculo
La GTR se expresa habitualmente en cm³/(m²·24h·0,1MPa); el coeficiente de permeabilidad en cm³·cm/(m²·24h·0,1MPa), con el Barrer a menudo usado en investigación (1 Barrer = 10⁻¹⁰ cm³·cm/(cm²·s·cmHg)); el coeficiente de difusión en cm²/s; y el coeficiente de solubilidad en cm³/(cm³·atm).
Para el cálculo, la GTR se obtiene con un instrumento de presión diferencial que monitoriza en tiempo real el cambio del lado de baja presión, combinado con el volumen de cámara, la temperatura y el área de muestra; la permeabilidad es igual a la GTR por el espesor dividida por la diferencia de presión; la difusión se deriva de la curva presión–tiempo en régimen no estacionario del lado de baja presión por el método del tiempo de retardo; y la solubilidad es igual a la permeabilidad dividida por la difusión.
Por qué la investigación y la industria miran indicadores distintos
De los cuatro, solo la GTR depende directamente del espesor: duplicar el espesor del mismo material reduce la GTR a la mitad. La permeabilidad, la difusión y la solubilidad son intrínsecas y apenas se ven afectadas por el espesor mientras la formulación y el proceso no cambien.
Los artículos de investigación prefieren el coeficiente de permeabilidad porque elimina la variable del espesor y permite comparar el rendimiento de barrera intrínseco de distintos grupos sobre una misma base; los fabricantes se fijan más en la GTR, que corresponde directamente al flujo de gas y la vida útil reales de una película de espesor fijo y se puede introducir directamente en las fórmulas de vida útil.
Ejemplo: por qué PE, PET, EVOH, PA y PVDC difieren tanto
El PE es una poliolefina no polar de cadenas flexibles pero poco empaquetadas y baja cristalinidad: difusión alta, solubilidad baja y permeabilidad global moderada, lo que lo hace un material de baja barrera convencional. El PET es un poliéster polar semicristalino de cadenas más ordenadas; su difusión es un orden de magnitud menor que la del PE, lo que lo sitúa en la clase de barrera media.
El EVOH es un material polar altamente cristalino cuyos numerosos grupos hidroxilo forman una densa red de enlaces de hidrógeno; su difusión es dos órdenes de magnitud inferior a la del PET, pero su solubilidad al vapor de agua es alta: bloquea el oxígeno de forma excelente en seco y pierde barrera rápidamente a alta humedad. El PA (nailon) es fuertemente polar, con una solubilidad al vapor de agua muy superior a la del EVOH, por lo que su barrera al oxígeno cae notablemente tras absorber agua. El PVDC tiene una estructura de cadena muy simétrica y muy cristalina; su difusión es incluso menor que la del EVOH y su solubilidad tanto al oxígeno como al vapor de agua es débil, lo que lo convierte en uno de los raros materiales de barrera ultra alta cuya barrera al oxígeno es casi independiente de la humedad.
Conclusión
Ver el reparto de papeles entre los cuatro parámetros evita mezclar indicadores de dimensiones distintas. Un instrumento de presión diferencial puede emitir GTR, permeabilidad, difusión y solubilidad en un solo ensayo completo — sirviendo tanto al control de calidad industrial como a las necesidades mecanísticas de la investigación.
