Nos ensaios de embalagem e na I&D de polímeros, muitos ficam intrigados quando um relatório de permeação de gases mostra quatro valores totalmente distintos para o mesmo filme ao mesmo tempo — taxa de transmissão de gás, permeabilidade, coeficiente de difusão e coeficiente de solubilidade. Os quatro parecem referir-se à «passagem do gás pelo material», mas cada um aponta para uma etapa diferente da permeação, com significado físico, lógica de cálculo e casos de uso totalmente distintos.
O gás não atravessa um filme polimérico «de um fôlego»; é um processo em série de três passos. Primeiro as moléculas de gás tocam a superfície e dissolvem-se no material; depois as moléculas dissolvidas difundem de um lado para o outro sob um gradiente de concentração; por fim, as moléculas que chegam à face oposta dessorvem para o exterior. Cada etapa corresponde a um indicador quantitativo independente.
O que significam os quatro parâmetros
Taxa de transmissão de gás (GTR) — também chamada fluxo de gás — descreve quanto gás-alvo atravessa uma amostra de determinada área por unidade de tempo. É o indicador mais prático e orientado à aplicação, e o parâmetro de controlo de qualidade mais comum na indústria.
Coeficiente de permeabilidade é uma propriedade intrínseca do material. Elimina por completo variáveis externas como a espessura da amostra e a área de ensaio, refletindo apenas a capacidade de permeação inerente do material para um dado gás — o equivalente a comparar materiais de espessuras diferentes na mesma base.
Coeficiente de difusão descreve a rapidez com que as moléculas de gás se movem pelos interstícios entre segmentos de cadeia uma vez lá dentro, e está fortemente ligado ao empacotamento das cadeias, à cristalinidade e ao volume livre.
Coeficiente de solubilidade mede quantas moléculas de gás a superfície consegue «capturar» e dissolver internamente, refletindo a afinidade entre material e gás.
Unidades e cálculo
A GTR exprime-se habitualmente em cm³/(m²·24h·0,1MPa); o coeficiente de permeabilidade em cm³·cm/(m²·24h·0,1MPa), com o Barrer frequentemente usado em investigação (1 Barrer = 10⁻¹⁰ cm³·cm/(cm²·s·cmHg)); o coeficiente de difusão em cm²/s; e o coeficiente de solubilidade em cm³/(cm³·atm).
Para o cálculo, a GTR é obtida por um instrumento de pressão diferencial que monitoriza em tempo real a variação do lado de baixa pressão, combinada com o volume da câmara, a temperatura e a área da amostra; a permeabilidade é igual à GTR vezes a espessura dividida pela diferença de pressão; a difusão é derivada da curva pressão–tempo em regime não estacionário do lado de baixa pressão pelo método do tempo de atraso; e a solubilidade é igual à permeabilidade dividida pela difusão.
Porque é que a investigação e a indústria olham para indicadores diferentes
Dos quatro, só a GTR depende diretamente da espessura: duplicar a espessura do mesmo material reduz a GTR para metade. A permeabilidade, a difusão e a solubilidade são intrínsecas e quase não são afetadas pela espessura enquanto a formulação e o processo não mudarem.
Os artigos de investigação preferem o coeficiente de permeabilidade porque elimina a variável da espessura e permite comparar o desempenho de barreira intrínseco de grupos diferentes na mesma base; os fabricantes interessam-se mais pela GTR, que corresponde diretamente ao fluxo de gás e ao prazo de validade reais de um filme de espessura fixa e pode ser introduzida diretamente nas fórmulas de validade.
Exemplo: porque é que PE, PET, EVOH, PA e PVDC diferem tanto
O PE é uma poliolefina não polar de cadeias flexíveis mas pouco empacotadas e baixa cristalinidade: difusão alta, solubilidade baixa e permeabilidade global moderada, o que o torna um material de baixa barreira convencional. O PET é um poliéster polar semicristalino de cadeias mais ordenadas; a sua difusão é uma ordem de grandeza inferior à do PE, colocando-o na classe de barreira média.
O EVOH é um material polar altamente cristalino cujos numerosos grupos hidroxilo formam uma rede densa de ligações de hidrogénio; a sua difusão é duas ordens de grandeza inferior à do PET, mas a sua solubilidade ao vapor de água é alta: bloqueia o oxigénio de forma excelente em seco e perde barreira rapidamente a alta humidade. O PA (náilon) é fortemente polar, com uma solubilidade ao vapor de água muito superior à do EVOH, pelo que a sua barreira ao oxigénio cai notavelmente após absorver água. O PVDC tem uma estrutura de cadeia muito simétrica e muito cristalina; a sua difusão é ainda menor que a do EVOH e a sua solubilidade tanto ao oxigénio como ao vapor de água é fraca, tornando-o um dos raros materiais de barreira ultra-alta cuja barreira ao oxigénio é quase independente da humidade.
Conclusão
Ver a divisão de papéis entre os quatro parâmetros evita misturar indicadores de dimensões diferentes. Um instrumento de pressão diferencial pode emitir GTR, permeabilidade, difusão e solubilidade num único ensaio completo — servindo tanto o controlo de qualidade industrial como as necessidades mecanísticas da investigação.
