Permeabilidad

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Difusión y permeabilidad

La permeabilidad se define como el paso de líquidos, gases o radiaciones a través de un material sólido. Varias sustancias de bajo peso molecular son más o menos solubles en polímeros y, por lo tanto, se absorben cuando están en contacto. Dentro del polímero, dicha sustancia puede difundirse a un lugar donde la concentración es menor, y puede dejar el polímero en otro lugar. Esto significa que el polímero es permeable a la sustancia de bajo peso molecular. Obviamente, la permeabilidad, P, está gobernada por la solubilidad, S, y la velocidad de difusión, D:

P = S · D

La permeabilidad de los polímeros a gases y vapor de agua es de relevancia práctica. Entre los polímeros existen diferencias considerables. Por ejemplo, para el oxígeno, el cloruro de polivinilideno, PVDF, es 1000 veces menos permeable que el polietileno de baja densidad, LDPE. La permeabilidad para líquidos y vapores está fuertemente influenciada por la hinchazón que sufre el polímero al tomar pequeñas cantidades de estas sustancias. Incluso un pequeño grado de hinchazón provoca un gran aumento en la velocidad de difusión. Por lo tanto, el vapor de agua penetra mucho más rápidamente que los gases; Además, la velocidad de permeación depende en gran medida de la concentración de vapor de agua. En la tabla a continuación, se da una idea del orden de magnitud de la permeabilidad de algunos polímeros para el nitrógeno y el vapor de agua, en la que la permeabilidad se expresa como el volumen (cm3) que pasa por unidad de área (cm2) cuando el espesor de la capa es de 1 cm, y la diferencia de presión del gas o vapor en lados opuestos es de 1 bar. La disminución de la permeabilidad en un polímero lleno de rellonos se atribuye al aumento de la longitud del camino tortuoso.

Las gomas, con su alto volumen libre, permiten que una molécula pequeña se difunda mucho más rápido que un polímero vítreo. Con polímeros semicristalinos por encima de Tg, como PE y PP, la fase gomosa da lugar a una velocidad de difusión más alta que cuando la fase amorfa está en estado vítreo. Las desviaciones de este patrón simple pueden atribuirse a diferencias en la solubilidad. Los plastificantes, antioxidantes, etc. a veces muestran la tendencia a migrar a la superficie y, por lo tanto, a exudar del polímero. Esta tendencia a la migración es, en la mayoría de los casos, no deseada, ya que el material pierde gradualmente las propiedades obtenidas por la presencia del aditivo, como la flexibilidad o la estabilidad química. Sin embargo, en algunos casos, el uso de aditivos se basa en su migración a la superficie: los aditivos antiestáticos y también los agentes para reducir la fricción de las películas funcionan como se desea cuando están presentes en la superficie del artículo, formando una piel delgada. Un problema especial es la migración de sustancias de bajo peso molecular en los materiales utilizados para el envasado de alimentos. Aquí son necesarias limitaciones muy estrictas sobre la contaminación de los alimentos por compuestos que posiblemente sean perjudiciales para la salud. Esta área complicada se está estudiando cuidadosamente durante las últimas décadas, para establecer para cada tipo de aditivo o residuo de monómero cuál podría ser su efecto sobre el organismo humano y qué cantidad de dicha sustancia podría, bajo ciertas condiciones, migrar del envase al alimento.

Permeabilidad y aplicaciones

La permeabilidad es una consideración importante para la aplicación. En el envasado de alimentos y medicamentos, el contenedor de plástico es necesario para preservar el contenido del paquete y crea una barrera desde el entorno externo desfavorable. Mientras que en la filtración se requiere la barrera para restringir el paso de algunas de las moléculas y gases a través de ellas y dejar pasar a las demás. Las propiedades de barrera de los materiales plásticos están relacionadas con la efectividad de restringir la permeabilidad de varios gases, luces, calor y radiaciones que son nocivos para la integridad de los productos. Las películas, láminas y recipientes de plástico de una o varias capas se utilizan de manera efectiva para asegurar y mantener la vida útil de los productos. Algunos de los ejemplos comunes de propiedades de barrera incluyen el uso de películas de plástico para proteger el artículo alimenticio de gases no deseados al mismo tiempo que se mantiene una visibilidad adecuada para consumidor para ver el producto. En la industria farmacéutica, varios medicamentos recetados y de venta libre se envasan en recipientes oscuros para evitar los efectos no deseados de la luz y las radiaciones para reaccionar con el contenido del recipiente. En la industria de bebidas carbonatadas se aplican las propiedades de barrera de los plásticos para contener la efervescencia de la bebida. Las propiedades de barrera de los materiales también se aplican en ropa protectora para proteger al personal de la exposición a sustancias químicas y gaseosas. En otras aplicaciones, la permeabilidad de las membranas se usa para la filtración de gases y líquidos. La difusión de moléculas a través de un material plástico depende de la unión secundaria, mayor cristalinidad, empaquetamiento de las cadenas moleculares, presiones y volatilidad del difusor. En general, un mayor volumen libre entre las cadenas limita la capacidad de barrera del plástico, por lo que a temperaturas más altas los plásticos se vuelven más permeables. Por lo general, la mayor solubilidad de un difusor en el polímero reduce la difusión de manera que el difusor interactuaría con el polímero en comparación con el paso. ASTM F1249 e ISO 15106 se utilizan para medir la velocidad de transmisión del vapor de agua. ASTM D3985 e ISO 15105 se aplican para medir la velocidad de transmisión de oxígeno. Se recomienda el método ASTM F392 para determinar el efecto de la flexión en las propiedades de barrera. Durante la selección de material plástico para una aplicación dada, se garantiza que el polímero seleccionado sea resistente a cualquier degradación cuando se expone al entorno de barrera. ASTM F1306 describe los métodos para determinar la resistencia a la perforación de materiales plásticos.

Sorción

Hablamos de adsorción cuando los materiales ambientales se depositan en la superficie de los sólidos. Las fuerzas de interfaz retienen las moléculas en colisión durante un cierto tiempo. Las posibles causas incluyen las fuerzas de van der Waals en el caso de adsorción física, afinidad química (sorción química) o fuerzas electrostáticas. Con los polímeros, tenemos que tener en cuenta todas estas posibilidades. Un gradiente en la concentración de la sustancia que permea dentro del material da como resultado un transporte de esa sustancia que llamamos difusión molecular. La causa de la difusión molecular es el movimiento térmico de las moléculas que permiten que la molécula extraña se mueva a lo largo del gradiente de concentración utilizando los espacios intermolecular e intramolecular. Sin embargo, la posibilidad de migrar depende esencialmente del tamaño de la molécula migrante.