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FAQ sur la perméation

La perméation est le mouvement de gaz et de vapeur à travers une barrière telle que la paroi d'une bouteille. Elle est provoquée par le gradient de concentration du perméat qui se produit toujours du côté haute concentration du perméat vers le côté basse concentration.

Permeation a Natural Process

         Fig 1.       La perméation, un processus naturel         


Par exemple, imaginez qu'il y ait une bouteille de boisson gazeuse (Fig 1). Le CO2 contenu dans le produit est d'environ 4 atm (lorsqu'il est fraîchement rempli) alors que la concentration de CO2 dans l'environnement est inférieure à 0,5 % dans l'air. Par conséquent, le CO2 s'infiltrera de l'intérieur de la bouteille vers l'extérieur. De même, l'oxygène de l'air ambiant s'infiltrera de l'extérieur de la bouteille vers l'intérieur. Bien que le processus de perméation soit invisible, il peut être détecté par la perte de concentration de CO2 au fil du temps. Ou, tout simplement, vous pouvez goûter la boisson gazeuse. Le goût plat du liquide indique la perte de CO2 qui entraîne la perte de sa qualité première ou de sa durée de conservation.

     Solution-Diffusion Mechanism
       Fig 2.      Mécanisme de diffusion de solution

Le mécanisme de perméation comporte trois étapes (Fig 2) :
  • Les molécules perméables s'absorbent dans la surface (côté à haute concentration)
  • Les molécules perméables se déplacent ou se diffusent à travers le matériau barrière
  • Les molécules perméables se désorbent de l'autre côté (côté à faible concentration)

Par conséquent, la perméation est liée à la fois à la solubilité (S) et à la diffusivité (D) avec l'équation mathématique suivante :
Permeation Equation
P = coefficient de perméabilité
D = coefficient de diffusion
S = coefficient de solubilité
q = quantité de perméant transférée par une unité de surface, A, dans un temps t, est l'épaisseur du matériau et Δp est la différence de pression partielle.

Dans les applications pratiques, le taux de transmission (TR) est le moyen le plus courant de rendre compte du « flux » de gaz se déplaçant à travers un polymère. C'est aussi le plus logique, car de nombreux polymères sont multicouches ou revêtus. Le « flux net » d'oxygène, de vapeur d'eau, de dioxyde de carbone... etc. est ce qui est important pour la durée de conservation d'un produit.

La perméation et le taux de transmission ont les unités suivantes :
Permeation Rate Equation
Transmission Rate Equation
Les équations ci-dessus montrent que le taux de perméation est l'épaisseur et la force motrice du taux de transmission normalisé.

Liens connexes :
La perméation d'un matériau est obtenue par le test du taux de transmission. Les taux de transmission pour l'oxygène (OTR), la vapeur d'eau (WVTR) et le CO2 (CO2TR) peuvent être mesurés par des instruments de perméation avec différentes technologies de capteurs. La configuration pour l'analyse du taux de transmission d'un film (Fig 3) est analogue au schéma présenté pour le mécanisme de diffusion, c'est-à-dire le gaz de test d'un côté du film et un gaz vecteur de l'autre côté. Cette configuration est appelée méthode isostatique (ou méthode de pression égale). Le gaz vecteur (généralement de l'azote) transporte le gaz de test perméable jusqu'au capteur pour la quantification.
Voici quelques exemples d'instruments :
  • MOCON OX-TRAN± 2/22 pour les tests OTR
  • PERMATRAN-W± 3/34 pour WVTR
  • PERMATRAN-C± pour CO2TR
Liens connexes :
  • En savoir plus sur la perméation / Qu'est-ce que la perméation ?
  • En savoir plus sur la perméation/ Pourquoi nous choisir pour l'analyse de perméation ?
  • En savoir plus sur la perméation/ Glossaire de la perméation
  • En savoir plus sur la perméation/ FAQ sur la perméation
  • La perméation est influencée par les facteurs environnementaux tels que la température, l'humidité relative (HR), ainsi que la force motrice qui l'entoure. Voici quelques généralités importantes :
    • Pour chaque augmentation de 10°C de la température, le taux de transmission double.
    • L'humidité entraîne un comportement non Fickien pour les matériaux hydrophiles (par exemple, EVOH avec humidité)
    • Le taux de transmission est proportionnel à la force motrice
    • Le taux de transmission est proportionnel à la force motrice
    Par conséquent, les tests à température et humidité relative contrôlées sont essentiels pour obtenir des résultats précis sur le taux de transmission.

    La perméation est également influencée par la nature du polymère et du perméant et leurs interactions. Parmi les facteurs, on peut citer, entre autres, les suivants :
    • Substituant chimique sur le squelette du polymère
    • Degré de tassement, cristallinité et orientation des chaînes moléculaires
    • Sensibilité à l'humidité et aux autres interactions possibles avec les chaînes (par exemple, EVOH avec l'humidité)
    • Perméants au contact des surfaces polymères
    • Additifs utilisés dans la fabrication ou la modification des polymères
    • Les polarités du polymère et du perméant.
    Liens connexes :
    L'ASTM a approuvé deux méthodes de test pour suivre la transmission de la vapeur d'eau des matériaux :
    • ASTM E96 - Transmission de la vapeur d'eau des matériaux par la méthode gravimétrique (adoptée en 1941), et
    • ASTM 1249 - Taux de transmission de la vapeur d'eau à travers une feuille de plastique à l'aide d'un capteur infrarouge modulé (adopté en 1990).
    Alors, que choisiriez-vous parmi ces deux méthodes pour répondre aux besoins actuels en matière d'emballage ? Examinons la comparaison de ces deux méthodes :

    Tableau récapitulatif de la comparaison des méthodes ASTM F1249 et E96

    Méthode ASTM

    F1249

    E96

    Type de capteur

    Capteur infrarouge modulé

    Équilibre des poids

    Limite inférieure de détection

    0,005 g/(m2*jour

    ~ 0.5 g/(m2*jour

    Reproductibilité

    Bonne

    Mauvaise

    Temps nécessaire pour obtenir des résultats mesurables

    Court

    Long

    À forte intensité de main-d'œuvre

    Non

    Oui, si manuel

    Contrôle de la température et de l'humidité relative

    Automatique

    Réglé manuellement

    Influence de l'environnement

    Non

    Oui, si manuel

    Dépendant de l'opérateur

    Non

    Oui, si manuel

    Capacité de détection WVTR

    Bonnes barrières

    Barrière mauvaise à moyenne

    Coût du capteur

    Généralement plus élevé

    Généralement plus faible

    Traçable NIST

    Oui

    Non


    Pour découvrir des faits intéressants et détaillés concernant ces méthodes, veuillez lire le livre blanc dans son intégralité en cliquant sur le lien suivant :

    http://www.mocon.com/assets/documents/mocon-wp-astm-e96-vs-f1249-method-for-wvtr-permeatio.pdf

    Liens connexes :
    Pour protéger la qualité du produit, les matériaux d'emballage barrière à l'oxygène sont largement utilisés pour les produits qui sont sensibles à l'oxygène. Par conséquent, une mesure précise du taux de transmission de l'oxygène (OTR) est importante pour évaluer les propriétés de la barrière à l'oxygène lors de la sélection des matériaux d'emballage, ainsi que pour le processus d'AQ/de CQ à venir.

    L'ASTM a approuvé deux méthodes de test distinctes pour déterminer le taux de transmission de l'oxygène des matériaux d'emballage : ASTM D3985 05 (Réapprouvé en 2010) – « Méthode de test standard pour le taux de transmission de l’oxygène gazeux à travers les films et feuilles plastiques à l'aide d'un Capteur coulométrique » et ASTM F2622 – 08Méthode de test standard pour le taux de transmission de l’oxygène gazeux à travers les films et feuilles plastiques à l'aide de Divers capteurs.

    Il est évident qu'à en juger par les titres, la principale différence entre les deux méthodes concerne le capteur, « Coulométrique » et « Non-coulométrique ». Le tableau suivant résume les principales caractéristiques des deux méthodes.

    Tableau récapitulatif de la comparaison des méthodes

    Type de capteur

    Coulométrique

    E96

    Méthode ASTM

    D3985

    F2622

    Le capteur doit être étalonné

    Non

    Oui

    Dépendant du gaz vecteur

    Non

    Oui

    Linéarité de la réponse du capteur

    Court

    Non linéaire

    (Peut nécessiter un étalonnage à différents niveaux)

    Dépendant du débit du gaz vecteur

    Non

    Oui

    Dépendant du débit du gaz vecteur

    Non

    Oui

    Niveau OTR

    Bonnes barrières à l'oxygène

    Matériaux moyennement à hautement perméables

    Coût du capteur

    Généralement plus élevé

    Généralement plus faible

    Traçable NIST

    Oui

    Non


    Les méthodes coulométriques et non coulométriques pourraient avoir des applications différentes.

    Lorsque l'on travaille avec des matériaux à barrière élevée pour emballer des aliments ou d'autres produits facilement oxydables, le matériau d'emballage à faible niveau d'OTR nécessite un capteur plus précis. La meilleure pratique consiste à choisir un instrument conforme à la méthode coulométrique. Les améliorations apportées à la manipulation de la température, de l'humidité relative, des fuites du système et d'autres paramètres font la différence entre une bonne et une mauvaise réponse. Lorsque des décisions commerciales sont prises sur la base de résultats générés par un appareil de mesure de la perméation, la précision, la reproductibilité et la fiabilité des résultats doivent être fiables.

    si l'application est l'emballage de fruits et légumes où des niveaux élevés d'oxygène sont nécessaires pour la respiration des produits, ou d'autres produits qui ne sont pas sensibles à l'oxygène, alors le matériau d'emballage utilisé est généralement de la polyoléfine ou d'autres matériaux à faible barrière à l'oxygène. Dans ce cas, des instruments avec des capteurs non coulométriques conviennent à l'application. Un exemple est l’OX-TRAN® 2/12 de MOCON récemment développé.

    Liens connexes :
    L'ASTM E96, également appelée méthode gravimétrique ou méthode du creuset, est une méthode courante utilisée pour déterminer le taux de transmission de la vapeur d'eau (WVTR) des matériaux non tissés ou des barrières plastiques à haute transmission. Malgré sa popularité, il existe une méthode plus précise et plus conviviale pour mesurer un WVTR élevé : la méthode décrite dans la norme ASTM D6701, qui correspond au PERMATRAN± 101K produit par AMETEK MOCON.

    Lors du test d'une membrane à très haut taux de transmission, l'espace d'air entre le matériau de test et l'eau ou le déshydratant utilisé dans la méthode du creuset représente lui-même une barrière importante (figure 1). Plus l'espace d'air est grand, moins la vapeur d'eau s'infiltre au travers.

    La méthode ASTM D6701 (figure 2) est une méthode instrumentale avec le concept modifié du creuset inversé et du film de protection, de sorte qu'elle élimine complètement le problème de l'entrefer et donne des résultats WVTR plus précis.

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    Le test de perméation peut être effectué par la méthode de pression égale ou la méthode de pression différentielle.

    La méthode de pression égale est également appelée méthode isostatique. Au cours du test, comme le montre le graphique ci-dessous, les deux faces du film sont exposées à une pression égale de gaz de test et de gaz vecteur, généralement la pression atmosphérique. La force motrice est la pression partielle du gaz de test ou la différence de concentration à travers le film. Le flux continu de gaz vecteur amène les molécules de gaz de test perméables au capteur pour la quantification. Certaines normes ASTM connues et couramment utilisées pour quantifier le taux de transmission sont ASTM D3985, F1249, etc.

    La méthode de pression différentielle est également appelée méthode manométrique. Au cours du test, comme le montre le graphique ci-dessous, un côté du film de ce côté de la chambre est exposé à un flux de gaz de test (par ex. : O2, CO2), l'autre côté de la chambre est généralement aspiré. La perméation du gaz à travers un film est déterminée par une différence de pression absolue à travers le film. La perméation du gaz de test est déterminée en mesurant la variation de pression dans le temps du côté de la pression inférieure et en trouvant la pente de la variation une fois qu'elle devient linéaire. L'exemple commun de l'ASTM est l'ASTM D1434.

    Voici une liste de comparaison pour la méthode isostatique et la méthode manométrique :

    Caractéristiques

    Méthode de l'égalité de pression

    Méthode de la pression différentielle

    Détecter les capteurs

    Spécifique au gaz

    Pression, non spécifique au gaz

    Gaz de test

    Un gaz spécifique

    Différents gaz, un à la fois

    Niveau inférieur de détection

    0,0005 cc/(m2*jour)
    (Par ex. OX-TRAN 10X)

    0,5 cc/(m2*jour)

    Limité par capteur de pression)

    Pression sur le film

    Même pression atmosphérique

    Pression artificielle sur un côté

    Film et/ou emballage

    Test à la fois des films et des emballages

    Test de film uniquement

    Contrainte sur le film

    Non

    Oui, en raison de la différence de pression

    Test avec HR précise

    Oui

    Très difficile, affecte la précision

    Sensibilité

    Très sensible et précis
    avec technologie coulométrique

    Pas assez sensible pour une bonne barrière

    Reproductibilité

    ±0.0005 cc/(m2*jour) ou ±1 %
    (Par ex. OX-TRAN 10X)

    Jusqu'à 20 %

    Niveau de barrière

    Barrières élevées à basses, large plage

    Barrières moyennes à basses

    Durée du test

    Aussi courte que possible
    le processus de perméation prend

    généralement plus longtemps en raison de la non sensibilité du capteur de pression

    Traçable NIST

    Oui

    Non

    Exemples d'ASTM

    D3985, F1307, F1927, F1249, F2622

    D1434


    Liens connexes :
    Les différentes structures moléculaires des films polymères déterminent la façon dont le polymère réagit à l'humidité qui l'entoure. Certains matériaux barrière, appelés matériaux Fickiens, ne seraient pas affectés par le changement d'humidité relative. Leurs résultats OTR obtenus à différentes HR seraient les mêmes. Il s'agit généralement de polyoléfines, ou de tout autre matériau de nature hydrophobe.

    L'autre type de matériaux, appelés matériaux non Fickiens, sont sensibles à l'humidité ou hydrophiles. Les résultats OTR mesurés à différentes HR pourraient être très différents. L'humidité ferait gonfler les chaînes de polymères et les rendrait plus perméables aux gaz qui les traversent. Dans ce cas, les tests OTR devraient être réglés avec une humidité relative précise afin que leurs pires performances puissent être connues lors d'applications réelles. Le graphique suivant montre des exemples d'OTR de matériaux polymères affectés par l'humidité relative.

    Liens connexes :
    Lors de la conception d'un emballage, les propriétés barrière du matériau d'emballage déterminent le degré de protection qu'il peut offrir, ce qui est la clé de la durée de conservation d'un produit.

    L'analyse des films et/ou des composants (bouteilles, bouchons) est une partie essentielle du processus de R&D et est utile pour sélectionner les emballages candidats. Toutefois, les taux de perméation dans les emballages finis pourraient être beaucoup plus élevés en raison des dommages causés lors de la fabrication, de l'expédition et de la distribution.

    Pour obtenir les taux de perméation réels dans un emballage, ce n'est qu'en analysant « l’emballage complet » que l'on peut comprendre le système d'emballage des composants étanches et intégrés, ainsi que les effets potentiels « d’usure » dus au traitement et à la distribution.

    Pour en savoir plus, veuillez lire « l’Article : PPS 14-5102 ».

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