¿Por qué hay tantos términos relacionados con lo que se denomina “permeabilidad al oxígeno”?

Usted compró un dispositivo para medir la permeabilidad del oxígeno. Al recibir el informe de prueba, se encuentra con una serie de términos como OTR, cantidad de oxígeno que pasa a través de la membrana, coeficiente de permeación, coeficiente de transporte, etc. Estos términos no son meras expresiones comerciales, sino nombres dados por diferentes estándares para describir el proceso físico de “la permeación de gases a través de una membrana”. Si no comprende estos términos, no podrá comparar adecuadamente los datos proporcionados por diferentes laboratorios y equipos.

I. Porcentaje de transmisión de oxígeno / Cantidad de oxígeno transmitida (OTR / O₂GTR)

Se trata de un término muy utilizado en la práctica. Refiere el volumen de oxígeno que pasa por un área determinada de la película plástica, en unidad de tiempo, bajo condiciones de prueba específicas. La unidad más común es cm³/(m²·24h), mientras que la unidad SI es mol/(m²·s). Tanto el método de Coulomb (ASTM D3985, ISO 15105-2, ISO 15105-2) como el método de diferencia de presión pueden utilizarse para medirlo. Sin embargo, el método de Coulomb está diseñado especialmente para el oxígeno, y su sensibilidad es mayor, por lo que es más adecuado para materiales con alta barrera.

II. Coeficiente de permeabilidad al oxígeno (Oxygen Permeance, PO₂)

Cabe señalar que en chino, “coeficiente de permeabilidad” puede llevar a la confusión de que se trate de una propiedad intrínseca del material. Sin embargo, en las normas ISO 15105-2 y ASTM D3985, este termina reflejado en el término en inglés “Permeance”: es decir, la relación entre la permeabilidad al oxígeno y la diferencia de presión de oxígeno entre los dos lados de la película. La unidad utilizada es cm³/(m²·24h·0.1MPa). Dado que este coeficiente tiene en cuenta la influencia de la diferencia de presión, es más adecuado para comparar diferentes condiciones.

III. Coeficiente de permeabilidad al oxígeno / Coeficiente de transmisión del oxígeno (Oxygen Permeability Coefficient)

El coeficiente de permeabilidad se refiere al coeficiente de permeación, que se calcula como la permeabilidad multiplicada por el espesor de la película. Su unidad es cm³·cm/(m²·24h·0.1MPa) o mol·m/(m²·s·Pa). Este es un atributo intrínseco del material, pero las normas establecen que este coeficiente solo tiene significado para materiales homogéneos de una sola capa. En cambio, los “coeficientes de permeabilidad” obtenidos para materiales compuestos de múltiples capas no son confiables y no deben utilizarse sin más.

IV. Tasa de permeabilidad de gases (GTR) y método del diferencial de presiones

La norma ASTM D1434 amplía el alcance de aplicación del estándar original, que se refería al oxígeno, a cualquier tipo de gas. Define así el concepto de “tasa de transmisión de gases” (Gas Transmission Rate, GTR): la cantidad de gas que pasa por una superficie paralela determinada del material plástico, en unidades de tiempo. La medición de la GTR se puede realizar utilizando el método basado en la diferencia de presión (ISO 2556, ISO 2556). Se pueden medir valores de GTR para diversos tipos de gases, como oxígeno, dióxido de carbono, nitrógeno, hidrógeno y helio.

V. Diferencias en los nombres de “permeabilidad” y “coeficiente de permeabilidad”

Los estándares utilizados para designar estas cantidades no son uniformes: ASTM D1434 denomina a la cantidad obtenida al dividir “la diferencia de presión” como Permeance, mientras que a la cantidad obtenida al multiplicar “la diferencia de presión por el espesor” le llama Permeability. En cambio, ISO 2556 denomina directamente a esta última como gas transmission rate. ISO 2556, por su parte, utiliza los términos “cantidad de transmisión” y “coeficiente de transmisión” para referirse a estas cantidades. Al comparar los datos, es importante prestar atención a las unidades: cm³/(m²·24h·0.1MPa) corresponde a la permeance, mientras que cm³·cm/(m²·24h·0.1MPa) corresponde al coeficiente de permeabilidad.

VI. Coeficiente de disipación y coeficiente de solubilidad (P = D × S)

Según el modelo de disolución y difusión, se puede explicar que los gases primero se disuelven en la membrana y luego difunden a través de ella. El coeficiente de permeabilidad P es igual al producto del coeficiente de difusión D y el coeficiente de solubilidad S (P = D × S). Por lo tanto, algunos materiales son resistentes a la permeación debido a su alta insolubleidad, mientras que otros lo son debido a su baja capacidad de difusión. Es importante comprender esto para poder decidir si es más efectivo cambiar la fórmula o aumentar el grosor del material al elegirlo.

Definiciones en los estándares

  • ASTM D3985: La tasa de transmisión de oxígeno (O₂GTR) se refiere al volumen de oxígeno que pasa a través de una superficie paralela del material plástico, en unidades de tiempo, bajo las condiciones establecidas en los ensayos.
  • ASTM D1434 §3.1.1: La permeabilidad de gases (GTR) se refiere a la cantidad de gas que pasa por una superficie paralela del material plástico, en unidades de tiempo, bajo condiciones específicas.
  • ASTM D1434 §3.1.2: La permeabilidad es la relación entre la capacidad de paso del gas y la diferencia de presión entre los dos lados de la película.
  • ASTM D1434 §3.1.3: El coeficiente de permeabilidad es el producto entre la permeabilidad y el espesor de la película. Este parámetro tiene sentido únicamente para materiales homogéneos.
  • ISO 15105-2 / ISO 15105-2: Las unidades comunes para medir la permeabilidad del oxígeno son cm³/(m²·24h); mientras que el coeficiente de permeabilidad del oxígeno se expresa en cm³/(m²·24h·0.1MPa).
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Consejos de selección del equipo: Si su muestra está compuesta por películas de alta barrera como las utilizadas en envases alimentarios o farmacéuticos, es recomendable utilizar un medidor de permeabilidad al oxígeno basado en el método de Coulomb, como la serie LabStone OTR-E. Si es necesario medir varios gases o diferentes tipos de materiales a la vez, entonces se debería considerar el uso de un medidor de permeabilidad al gas basado en el método de diferencia de presión. Cuando en el informe aparezca la palabra “coeficiente de permeabilidad”, es importante determinar si se refiere a “permeance” o “permeability” antes de tomar una decisión.

Fuente de referencia

  • ISO 15105-2 “Películas y láminas de plástico. Prueba de permeabilidad al oxígeno. Método de detección por cátodo electroquímico” (revisado y adoptado de la norma ISO 15105-2:2003)
  • ASTM D3985-17: Método estándar para determinar la tasa de transmisión de oxígeno a través de películas y láminas plásticas, utilizando un sensor coulométrico.
  • ISO 2556 《Plásticos: Películas y láminas; Métodos de prueba de transmisión de gases. Parte 1: Método de diferencia de presión》 (sustituye a ISO 2556)
  • ASTM D1434-23: Método estándar para determinar las características de permeabilidad al gas de las películas y láminas plásticas.
  • ISO 15105-2:2003 Plásticos — Películas y hojas — Determinación de la tasa de transmisión de gases — Parte 2: Método de presión igual
  • ISO 2556:2001 Plásticos — Determinación de la tasa de transmisión de gases en películas y láminas finas bajo presión atmosférica