Asela Llovera; Dolores Drtolá; Ampara ChiralL Ingenieros Agrícolas. Docentes. Universidad Politécnica de Valencia. Departamento de Tecnología de Alimentos. Valencia-España

i bra evaluar la permeabilidad de recubrimientos céreos que presentan dificultades para formar films aislados de características apropiadas para su evaluación, es necesario recurrir a materiales soporte altamente permeables. En este trabajo se han implementado y puesto a punto dos métodos para determinar la permeabilidad de materiales soporte, que posteriormente podrán ser utilizados para el análisis de las propiedades barrera del propio recubrimiento. El primero de ellos se basa en el método gravimétrico ASTM E 96-00 para determinar permeabilidad al vapor de agua, se ha puesto a punto el método ligeramente modificado y se han determinado las propiedades de un material hidrofílico, la celulosa, estudiándose la influencia de la humedad relativa y la temperatura. El segundo método puesto a punto permite determinar la permeabilidad al C0₂ mediante un método dinámico con análisis cromatográfico de las corrientes difundidas a través del film. La verificación del método se ha llevado a cabo determinando la permeabilidad al gas de un material hidrofóbico, polietileno de baja densidad (LDPE).

High permeance support films are necessary to measure the permeability of wax coatings unable to make isolated films that are suitable for its evaluation. Two methods for the permeability determination of support films that are likely to be used for the measurement of coatings barriers properties, have been implemented and standardized. First one is a gravimetric method for the water vapor permeability according to ASTM E 90-00 method. This method slightly modified, has been standardized and employed for the determination of the properties of an hydrophilic material, such as cellophane. The influence of relative humidity and temperature was studied. The second standardized method allowed the determination of C0₂ permeability by a dynamic method through the application of gas chromatography for analysis of gas permeating through the film. This method was evaluated by gas permeability determination of an hydrophobic material, low density polyethylene (LDPE).

El materia! analizado tue un film no barnizado de celulosa regenerada Rayophane SOOP (UCB Films-La Cellophane Española S.A.), de nombre comercial Celofán. Antes de comenzar las experiencias, se extendió sobre él una película de agua con la ayuda de un rodillo de espuma, con el fin de simular las condiciones en que comúnmente se aplicarán los recubrimientos céreos o comestibles. Esta lámina de agua se dejó secar a temperatura ambiente.

Se ha determinado la permeabilidad al vapor de agua del material bajo distintas condiciones ambientales (temperatura y gradiente de humedad relativa). La tabla 1 presenta las diferentes combinaciones de temperatura y humedad relativa definidas para el estudio.

Materiales Métodos Permeabilidad al vapor de agua

El método puesto a punto para la determinación de la permeabilidad al vapor de agua de un film, es una modificación del método gravimétrico ASTM E96-00 (ASTM, 2000). Para ello se utilizaron unas cámaras o celdas de un material anticorrosivo e impermeable al agua (metacrilato), consistentes en un cilindro y una corona circular del mismo material en cuya unión se coloca un anillo de goma para garantizar la estanqueidad. Ambas, cámara y corona quedan conectadas entre sí por un orificio circular y simétrico de aproximadamente 5 cin de diámetro. En él se ubicará el materia] a estudiar, quedando perfectamente delimitada el área expuesta al flujo. Para acelerar el paso de vapor de agua a través del material y a la vez evitar la formación de una lámina estacionaria de aire por encima del mismo, se ubicaron en la parte superior de la celda unos pequeños ventiladores tipo CPU Y.S. TECH 12 V (Cano, 2001).

El gradiente de humedades relativas se consiguió ubicando en el interior de la celda de medida una lámina de agua de espesor suficiente para asegurar el 100% de HR. En el exterior se ubicaron diferentes disoluciones sobresaturadas de sales de acuerdo a la humedad requerida. Todo el conjunto se mantuvo en el interior de una cámara termostatada modelo HotcoldM (Pseleeta/Barcelona España) (Figura 1).

Tabla 1. Condiciones de temperatura y humedad relativa definidas para determinar la permeabilidad al vapor de agua del celofán.

Figura 1. Esquema montaje para determinación de permeabilidad al vapor de agua.

Se ha determinado la permeabilidad al CO_j de un material de soporte, polietileno de baja densidad 100% (LUPE) (UCB. Films - La Cellophane Española S.A.).

Para ello se ha puesto a punto un método dinámico con análisis cromatográfico del espacio de cabeza.

Se han construido unas celdas de muestreo en metacrilato (figura 2). Cada una de ellas consta de dos cámaras entre las cuales se coloca41 na sección circular del material a estudiar. Por la cámara inferior, con un volumen de 12673,4 mm’, se hicieron circular 6,0 mL/min de C0₄ con una pureza cercana al 100% y sin presencia de humedad. Fbr la cámara superior, cuyo volumen es de 29185,3 mm¹, circulan 15 mL/min de un gas inerte (N_s) con una pureza cercana al 100% y también sin presencia de humedad.

En esta cámara superior se encuentra una tercera salida de gas conectada a un Micro Cromatógrafo de gases Hewlett Packard M200 modelo G2890A, de muestreo automático por aspiración, con una columna MS5A (para el análisis de OJ y una columna del tipo OPM-PU08 (para análisis de CO^ vapor de agua, volátiles y otros), con Helio (99,9%) como gas portador (8 mL/min). Las dimensiones de las columnas son respectivamente 4 m x 0,320 mm (DI.) y 8 m x 0,320 mm (DI.).

Según la primera ley de Fick, la difusión unidireccional de un componente i a través de un film viene dado por la ecuación (l):

J,; flujo o cantidad del componente difundido. (Sp.) por unidad de área (A) y unidad de tiempo (<?T) en la dirección z.

Donde J describe el flujo del componente /en régimen estacionario, C_n y C_M son las concentraciones de gas en ambos superficies del film y e el espesor del film.

Teniendo en cuenta la ley de Henry las concentraciones de / pueden expresarse en función de su solubilidad (S_;) y su presión parcial (p ), de forma que la ecuación (2) puede expresarse como:

L’sualmente, para describir la transferencia de materia a través de un film se emplea el término de permeabilidad (P) equivalente al producto de la solubilidad del componente transferido por su coeficiente de difusión, de forma que:

Con la metodología aplicada en cada uno de los ensayos realizados se determinó el flujo de componente i (vapor de agua y COJ, calculándose, mediante la ecuación 4 las correspondientes permeabilidades (P_w y P₍._()í).

Con el método experimental de la ASTM E96 se determinó la variación del peso de la celda de inuestreo con respecto al tiempo en cada una de las condiciones estudiadas. Representando gráficamente m^ vs. T se obtiene una serie de puntos con tendencia lineal cuya pendiente representa (dm^/dr) (Figura 3).

Figura 3. Pérdida de peso de la celda de medida con respecto al tiempo a 28 "C v AHR 100/23.

ft>r tanto, el flujo (g agua/m‘-s), denominado según este método WVTR (tasa de transmisión de vapor de agua), puede obtenerse dividiendo dicha pendiente por el área efectiva de transferencia.

Conocidas las presiones parciales de agua a ambos lados del film, la permeabilidad (PJ, expresada en !g agua/m s Pa) puede calcularse como.

La Tabla 2, resume los resultados obtenidos para la permeabilidad al vapor de agua del celofán a diferentes condiciones de temperatura y gradiente de humedad relativa, indicando para cada condición la fuerza impulsora, definida como la diferencia de presión parcial a ambos lados del film.

La figura 5 muestra la influencia de Ap sobre la permeabilidad al vapor de agua. Como puede observarse, la tasa de transmisión de vapor de agua (J ), muestra una evolución lineal creciente a medida que aumenta la diferencia de presión parcial entre los dos lados del film, independientemente del AHK y la temperatura utilizada. Estos resultados son similares a los reportados por Morillon et al. (2000), que muestran una tendencia lineal hasta aproximadamente los 5000 Pa. Sin embargo, el cambio de tendencia a presiones mayores observado por estos autores no se presenta en nuestros resultados. Probablemente la humectación previa del celofán comportó ya un cambio en su estructura provocado por la sorción de humedad (Morillon et al 2000), no observándose cambios posteriores a presiones elevadas.

En los ensayos de puesta a punto del método se pudo determinar que partiendo de una concentración de 0% de COj en la cámara superior de la celda de muestreo y realizando mediciones cada 7 minutos, resulta un aumento progresivo de su concentración en el interior de dicha cámara, como consecuencia de la permeación de este gas a través del film de polietileno.

El flujo del gas (J _coJ a través de la película de polietileno encuentra rápidamente un estado estacionario (Figura 6). En este instante, la ¹ concentración de CO_j en la cámara superior de la celda de muestreo indica una permeación constante, momento en el cual se determinó el flujo de este gas a través del film.

Para la determinación del flujo J _COí en estado estacionario se han efectuado los balances de materia y de gas, considerando las distintas corrientes implicadas en el sistema (Figura 7).

	t Q2X2
Q1 n₂

Siendo x la fracción molar de gas en la corriente (mol CCWmol total). Teniendo en cuenta que g xx^O; x₄=l y x_s=x₂, las ecuaciones 6 y 7 pueden escribirse como:

Balance de materia (mol total/s):

q₁+q₄=q₃+q₂

Balance de CO_g (mol CO_a/s): qx₁ + Q₄.x₄ = Q₃.x₃+Q₂.x₂

Determinado así el valor del flujo de gas en régimen estacionario puede calcularse el valor de la permeabilidad aplicando la ecuación 4 descrita en materiales y métodos.

Para realizar un cálculo de permeabilidad con un valor de flujo promedio, se realizaron tres repeticiones (Figura 8) con las siguientes condiciones:

1. ASTM. Standard test methods t'or water vapor transmission of materials. 2000. Std. ASTM E96-00.

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O	15	¹ 28	37
100/75	100/75	100/75	100/75
100/51	100/51	100/51	100/51
100/23	100/23	100/23	100/23
íoo/o	100/0	100/0	100/0

j_i=-^¡. = -0^	(l)
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