La pénétration et son impact sur l´emballage

Sujets

Pénétration Migration d’un gaz ou d’une vapeur à travers un matériau d’emballage

IMPACT DE LA PÉNÉTRATION



La durée de conservation est le temps donné à des aliments, boissons, produits pharmaceutiques, produits chimiques et autres produits périssables avant d'être considérés comme impropres à la vente, à l'utilisation ou à la consommation. La pénétration influence grandement la durée de conservation de ces produits car la perte ou l'enrichissement en oxygène, en vapeur d'eau, en dioxyde de carbone, en odeurs, et en aromes peut modifier le goût, la couleur, la texture et les valeurs nutritionnelles du produit. L'oxygène par exemple entraîne des réactions négatives pour beaucoup de produits comme pour les chips. En mesurant le taux de pénétration de l'oxygène à travers le matériau d'emballage, on peut commencer à déterminer la durée de conservation qui va garantir que l'emballage non ouvert abritera de 'bonnes' chips.

Les mesures de pénétration sont cruciales pour cibler les caractéristiques idéales d'un emballage. Ces caractéristiques idéales sont à l'intersection entre le marketing efficace, la protection du produit et les coûts. Lorsque ces trois domaines sont combinés, un emballage fonctionnel et efficace en termes de coûts, qui satisfait les exigences de la durée de conservation peut être développé. Cependant, le domaine de protection du produit est souvent passé outre, ce qui peut avoir un impact significatif sur les autres segments, et en particulier les coûts.

FIGURE 1b : Design de l'emballage vs impact sur l'environnement
FIGURE 1b : Design de l'emballage vs impact sur l'environnement
La protection du produit par l'emballage comprend les barrières physiques et chimiques. Alors que la protection du produit des dommages physiques est toujours un facteur pris en compte, la protection chimique devrait l'être aussi. La contamination microbiologique, l'oxydation, le rancissement, la perte d'humidité, la dégradation du composant, la perte du goût, le changement du goût et la perte de teneur en carbone sont quelques exemples de dommages chimiques pouvant être causés par l'absence d'un emballage adéquat. Les mesures de pénétration sont la clé pour la définition d'un emballage approprié permettant de minimiser ou de contrôler ces dommages. Comprendre les taux de pénétration d'un matériau d'emballage au début du processus de développement de l'emballage permet d'éviter les suremballages et les sous-emballages. Ces deux scénarios peuvent se révéler coûteux, mais peuvent être évités dans la plupart des cas par un protocole de test correct. Le sous-emballage (barrières inadéquates, jauges incorrectes, mauvais choix de matériaux, etc.) permet la transmission de certains composants à un taux entraînant une dégradation plus rapide du produit que la durée de conservation souhaitée. Les répercussions du sous-emballage peuvent être des réclamations et des retours, ainsi que des annulations de la garantie ou même des poursuites judiciaires.

Le suremballage n'aboutira probablement pas à une action en justice mais peut être à une perte d'argent et de ressources matérielles significatives. Souvent, un manque de connaissance du produit fera qu'un fabricant utilisera le meilleur emballage disponible dans un certain budget pour éviter le sous-emballage. Si le bon programme test avait été implémenté avant le lancement, une somme considérable aurait pu être économisée dans les suremballages. De plus, une fois que le produit est un succès, il est souvent impossible de changer quoi que ce soit en lien avec le design de l'emballage, de peur de perdre des parts de marché. Aux deux extrémités de sa vie, le design de l'emballage peut avoir un grand impact sur l'environnement. Comme le montre la Figure 1b., les suremballages entraînent une utilisation excessive de matériaux, avec un impact néfaste sur l'environnement. Les sous-emballages entraînent un retour de produits, augmentant les déchets et avec là aussi un impact néfaste sur l'environnement.

MATÉRIAUX BARRIÈRE



Les connaissances et le niveau de sophistication du commerce des emballages plastiques ont explosés car les emballages de type barrière absolue comme les cannettes et les bouteilles sont passés à des systèmes d'emballages perméables. 1983 a sonné l'introduction d'une bouteille de ketchup en plastique multi-couchesco-extrudées sur les rayonnages des supermarchés américains. Depuis lors, les entreprises ont travaillé d'arrache-pied sur les stratégies d'emballage. La concurrence est dure et la qualité du produit ainsi que le design de l'emballage pourraient être la clé du succès du marché.

Les décideurs doivent évaluer toujours plus de nouvelles sortes de résines, matériaux, configurations et technologies d'emballage. Les niveaux de barrières des matériaux s'étendent des ultra-barrières utilisées dans l'industrie de l'électronique, jusqu'aux perméables et perforées pour les produits d'emballage. Les matériaux standards tels que le polyéthylène, PET et EVOH se partagent le gâteau avec les nouveaux arrivants tels que le PGA et les polymères à cristaux liquides.

UTILISATION DES DONNÉES DE PÉNÉTRATION DANS LE PROCESSUS DE DÉVELOPPEMENT DE L'EMBALLAGE



Les étapes suivantes soulignent la méthode de détermination d'un segment de protection de produit pour les caractéristiques idéales d'un emballage.


Identification des exigences du produit

ELe développement des spécifications d'un emballage : il ne faut pas seulement spécifier la valeur maximale autorisée de la dégradation du produit, il faut également identifier les acteurs de cette dégradation. Cette tâche n'est pas aisée mais les exigences du produit sont des informations fondamentales pour le développement d'un emballage réussi. Alors que la perte ou l'augmentation de l'oxygène ou des vapeurs d'eau est commune, d'autres gaz comme le dioxyde de carbone, les odeurs et les aromes doivent être pris en compte.

Identification des matériaux potentiels

Avec autant de matériaux d'emballage nouveaux et résines disponibles, il est souvent difficile de comparer les données de pénétration des fiches techniques des fournisseurs. Un programme de test complet peut être implémenté pour sélectionner le meilleur matériau barrière adapté à l'application correspondante. Des configurations d'emballage finales peuvent être créées en commençant avec le test du taux de transmission des matériaux pour confirmer les données du fournisseur et pour limiter le champ des matériaux candidats. Les emballages peuvent ensuite être testés pour déterminer le niveau de barrière global.

Détermination du système optimal

Les exigences du produit et les matériaux candidats sont ensuite comparés pour déterminer la durée de conservation qu'il est possible d'obtenir pour un matériau spécifique ou pour déterminer quel matériau fournit une durée de conservation spécifiée. Des études d'entreposage ou de durée de conservation sont souvent effectuées ensuite pour contrôler les performances d'emballage.

QU'EST-CE QUE LA PÉNÉTRATION?



La diffusion colloïdale de Graham illustre le processus en trois étapes de la pénétration dans un matériau. La première étape est l'absorption de la source dans le matériau. Ensuite la source se diffuse dans le matériau et sort de l'autre côté. Ce processus est entraîné par une différence ou un gradient de concentration. Les molécules pénètrent depuis le côté de concentration élevée du matériau vers le côté de concentration faible. Cela continue jusqu'à ce que la concentration des deux côtés soit égale. La mesure de pénétration est en général un concept direct. Cependant, la terminologie entourant la pénétration et sa mesure est souvent utilisée à mauvais escient. Le taux de pénétration et le taux de transmission sont utilisés l'un pour l'autre, mais ce sont des propriétés différentes.

Le taux auquel la source pénétrante traverse un matériau dans une zone spécifique est évalué pour indiquer le taux de transmission. Les unités du taux de transmission sont les dimensions du volume de la source par unité de zone par la durée. Voici quelques exemples des unités du taux de transmission :

QU'EST-CE QUE LA PÉNÉTRATION?

Le taux de transmission est une mesure spécifique pour le matériau testé, la source de la pénétration et les conditions telles que la température et l'humidité relative.

Lorsque des résultats plus généraux sont nécessaires, le taux de pénétration est calculé à partir des données du taux de transmission. Les taux de pénétration prennent en compte l'épaisseur du matériau et la force d'entraînement ou le gradient de concentration de la source de la pénétration. Le taux de pénétration fournit plus de propriétés matérielles qu'il peut en être utilisé pour une épaisseur de matériau donnée ou une force d'entraînement de la source de la pénétration. Pour obtenir le taux de pénétration, les résultats du taux de transmission mesuré sont multipliés par l'épaisseur du matériau testé et divisés par le gradient de pression partielle de la source de la pénétration. Bien sûr, de nombreux instruments calculent automatiquement le taux de pénétration et l'indiquent comme l'une des sorties. Voici quelques exemples des unités du taux de pénétration :

QU'EST-CE QUE LA PÉNÉTRATION?

Les unités d'épaisseur, de zone et de pression peuvent être commutées entre SI et métrique.

TECHNIQUES DE MESURE



La soumission d'un côté du matériau avec la source de la pénétration (gaz test) alors que l'autre côté est soumis à un gaz vecteur fait partie des techniques les plus communes pour la mesure du taux de transmission. Le matériau est placé dans une cellule de diffusion, la séparant en deux chambres. La chambre interne est rincée avec un gaz vecteur d'azote et la chambre externe contient
FIGURE 2b : Schéma d'un test de taux de transmission de la vapeur d'eau
FIGURE 2b : Schéma d'un test de taux de transmission de la vapeur d'eau
Bien que la taille de l'échantillon test typique soit de seulement 50 cm², elle est normalisée à 1 m² ou 100 in² pour les unités. Une grande variété de capteurs spécifiques aux différentes sources de pénétration est utilisée pour analyser la concentration dans le courant du gaz vecteur. Différents capteurs peuvent être utilisés en fonction de la sensibilité requise pour le niveau de barrière ainsi que de la précision souhaitée.
FIGURE 2b : Schéma d'un test de taux de transmission de la vapeur d'eau
FIGURE 2b : Schéma d'un test de taux de transmission de la vapeur d'eau
FIGURE 2a : Schéma d'un test de taux de transmission de l'oxygène
FIGURE 2a : Schéma d'un test de taux de transmission de l'oxygène

Les tests de taux de transmission d'emballage (FIGURE 3a) sont conduits avec les mêmes principes que les mesures de films. Le gaz test est alimenté à l'intérieur ou à l'extérieur de l'emballage alors que le gaz vecteur balaye le côté opposé. Typiquement dans le scénario de gaz test à l'intérieur / gaz vecteur à l'extérieur, un volume de capture est nécessaire.

Puisque l'épaisseur peut varier sur l'ensemble de l'emballage et que la zone peut être difficile à calculer, les unités de taux de transmission standard pour un emballage sont les suivantes :

Messtechniken?

FIGURE 4 : Graphique de la mesure du taux de transmission vs durée
FIGURE 4 : Graphique de la mesure du taux de transmission vs durée

Le test du taux de transmission ne fournit pas de résultat instantané. Pour les feuilles et emballages, c'est un test dynamique. Une fois le test démarré, il y a un temps de comportement transitoire avant d'atteindre l'équilibre (FIGURE 4). Cette durée jusqu'à l'équilibre varie en fonction des matériaux, des sources de pénétration et des températures. Les barrières excellentes peuvent nécessiter des semaines pour atteindre l'équilibre alors que quelques heures sont suffisantes pour les barrières perméables.

FACTEURS IMPORTANTS DANS LA MESURE DE LA PÉNÉTRATION



Alors que le gradient de concentration est la force d'entraînement après la pénétration, d'autres facteurs jouent un rôle important. La température présente des effets importants sur les taux de pénétration car il augmente de 5 à 7 % par degré Celsius (FIGURE 5). La commande et la mesure de température correcte sont cruciales pour obtenir des résultats précis.
FIGURE 5 : Effet de la température sur le taux de pénétration
FIGURE 5 : Effet de la température sur le taux de pénétration
Le test d'emballage peut être sensible aux variations de température car de nombreux emballages sont testés dans l'air ambiant et que la température dans de nombreux laboratoires varie sur une durée de 24 heures.

L'humidité relative peut également avoir un impact sur les résultats de la pénétration. Lors du test WVTR, la génération d'une humidité relative adéquate, la commande et la surveillance sont cruciales lorsque la vapeur d'eau sert de gaz test. Cependant, la présence d'humidité peut également avoir un impact sur les taux de pénétration de l'oxygène et autres gaz pour certains matériaux. La Figure 6 indique les effets de l'humidité sur l'OTR de certains matériaux clés utilisés dans l'industrie de l'emballage. Une génération d'humidité relative correcte et une commande pendant un test OTR donnent une indication précise des performances réelles du matériau dans les conditions spécifiées. D'autres facteurs sont à prendre en compte lors du test des taux de transmission, y compris la variation d'épaisseur de feuille, le temps d'équilibre, la pression barométrique et la génération correcte du gaz test.

FIGURE 6 : Effet de l'humidité relative sur le taux de transmission de l'oxygène d'EVOH
FIGURE 6 : Effet de l'humidité relative sur le taux de transmission de l'oxygène d'EVOH

D'autres facteurs sont à prendre en compte lors du test des taux de transmission, y compris la variation d'épaisseur de feuille, le temps d'équilibre, la pression barométrique et la génération correcte du gaz test

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