All'interno del nostro laboratorio di test a contratto, ci viene spesso chiesto: "Quale temperatura dovrebbe essere utilizzata per i test OTR, WVTR o CO2TR?" È difficile rispondere poiché la temperatura è direttamente correlata al valore della velocità di trasmissione misurata. Sebbene imitare le condizioni ambientali previste per una determinata pellicola o confezione possa rappresentare un ottimo inizio per molti clienti, questi dati raccontano solo una parte della storia.
Quando pensiamo alla permeazione e al modo in cui i gas si diffondono attraverso i campioni polimerici, è importante capire che temperature più elevate aumentano la quantità di "energia" all'interno del sistema e le molecole permeanti si muovono (o si diffondono) più velocemente. Per dirla in modo più semplice, le velocità di trasmissione aumentano con l'aumentare della temperatura.
Quanto incide la temperatura sulla velocità di trasmissione?
Come regola generale, la velocità di trasmissione tende a raddoppiare per ogni aumento di 10°C della temperatura. La relazione effettiva è unica e cambierà leggermente a seconda del polimero e del permeante di interesse. Di seguito è riportato un grafico della velocità di trasmissione per un polimero che è stato analizzato con temperature sempre più elevate (da 20°C a 80°C).
Rappresentando graficamente questa relazione, possiamo stimare la velocità di trasmissione ad altre temperature. Tuttavia, la natura curva di questa relazione rende difficile prevedere con precisione le velocità di trasmissione. Come spesso osservato con altre reazioni in natura, questi dati sulla temperatura e sulla velocità di trasmissione seguono una relazione di Arrhenius. Rappresentare graficamente i dati con un grafico di Arrhenius (lnTR vs 1/Temp K) può essere un potente strumento predittivo se i dati mostrano una linea retta. Quando ciò si verifica, utilizzando l'equazione lineare della retta, è possibile calcolare l'OTR per altre temperature.
I grafici di Arrhenius funzionano bene per determinare i valori della velocità di trasmissione che rientrano nell'intervallo dei dati dello studio. Abbiamo anche visto clienti utilizzare valori di velocità di trasmissione calcolati durante l'estrapolazione a condizioni di temperatura più basse (congelatore o ghiaccio secco).
Tuttavia, se si estrapola a temperature più elevate, è importante considerare la
temperatura di transizione vetrosa del materiale, che modifica la velocità di diffusione del gas permeante e la sua relazione Arrhenius. Ad esempio, il grafico seguente include ulteriori risultati OTR a temperature più elevate per lo stesso materiale, fino a 120 °C.
Un attento esame del grafico di Arrhenius illustra che il rapporto velocità di trasmissione/temperatura del materiale è effettivamente cambiato. Lo si nota dalla nuova pendenza verso i valori di alta temperatura.
I dati di cui sopra rafforzano il fatto che i grafici di Arrhenius funzionano meglio quando si stimano velocità di trasmissione al di sotto della temperatura di transizione vetrosa del materiale.
Come questione di interesse, potremmo considerare se le proprietà barriera del campione sono state influenzate dall'aumento della temperatura al di sopra della temperatura di transizione vetrosa. Una volta completato il test a 120°C, la temperatura è stata ridotta a 40°C e poi a 30°C, dove l'OTR è stato nuovamente raccolto.
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Temperatura
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Preriscaldamento OTR cc/(m2 x giorno)
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Post Riscaldamento OTR cc/(m2 x giorno)
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40C
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19.5
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22.8
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30C
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12.9
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15.4
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Questi test hanno dimostrato che la proprietà barriera OTR di questo materiale è cambiata passando attraverso il punto di transizione vetrosa. Tuttavia il cambiamento non è stato drastico e il materiale si è ripreso bene.
Considerazioni chiave per i modelli predittivi di temperatura rispetto alla velocità di trasmissione
Per comprendere l'impatto della temperatura su un dato materiale, è utile eseguire test sequenziali a diverse temperature. Una volta compresa questa relazione, i dati del diagramma di Arrhenius aiutano a calcolare le velocità di trasmissione a temperature più drastiche, che potrebbero verificarsi con la spedizione e la distribuzione.
Il diagramma di Arrhenius diventa più limitato a temperature superiori alla temperatura di transizione vetrosa del materiale. Alcuni materiali, come il caso di studio visto sopra, possono subire danni se riscaldati a questo livello. Sia per i proprietari dei marchi che per i co-packer, questo potrebbe essere importante da comprendere, soprattutto per i prodotti a rischio di conservazione ad alta temperatura.
Quale temperatura dovrebbe essere utilizzata per i test OTR, WVTR o CO2TR?
Sebbene ogni cliente e ogni materiale siano unici, le linee guida riportate di seguito rappresentano un buon punto di partenza.
Per prodotti sensibili all'ossigeno e all'umidità: la migliore stima della durata di conservazione è determinata dai dati sulla velocità di trasmissione in condizioni di conservazione di temperatura e umidità reali. Questo può essere refrigerato, a temperatura ambiente o in un magazzino caldo a seconda dell'uso del prodotto.
Per comprendere i risultati TR a intervalli di temperatura estremi: Quando i dati desiderati superano i limiti di temperatura dell'analizzatore di permeazione, è possibile generare un grafico di Arrhenius da una serie di test di temperatura sequenziali per stimare la velocità di transizione desiderata a basse o alte temperature. Questi dati diventano meno affidabili al di sopra della temperatura di transizione vetrosa del materiale.
Per confrontare un potenziale nuovo materiale di imballaggio con un materiale di controllo: i dati più utili vengono creati testando i materiali testa a testa nello stesso ambiente di test.
Condizioni comuni di test del settore
Di seguito sono riportate le condizioni di test comuni del settore per OTR, WVTR e CO2TR in cui molto spesso verranno citate le specifiche della velocità di trasmissione.
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Temperatura
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Testare il gas UR
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Gas vettore RH
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Ossigeno
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23°C
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Asciutta (0%)
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Asciutta (0%)
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23°C
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50%
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50%
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23°C
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50%
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Asciutta (0%)
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Vapore acqueo
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37.8°C
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100%
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Asciutta (0%)
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23°C
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50%
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Asciutta (0%)
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Diossido di carbonio
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23°C
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Asciutta (0%)
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Asciutta (0%)
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In definitiva, sono i nostri clienti a determinare la temperatura che meglio si adatta alle esigenze del loro progetto.