Permeation und ihre Auswirkung auf Verpackungen

Themenbereiche

Permeation ist die Migration von Gasen oder Dämpfen durch festes Material
(z.B. Verpackungsmaterial)

Auswirkungen der Permeation



Die Mindesthaltbarkeit beschreibt die Zeitdauer, in der Nahrungsmittel, Getränke, Medikamente und andere verderbliche Produkte für den Verkauf, Gebrauch oder Konsum mindestens geeignet sind. Die Permation beeinflusst in hohem Maße die Haltbarkeit, da der Verlust oder das Eindringen von Sauerstoff, Wasserdampf, Kohlenstoff, Störgerüchen und Aromen negativen Einfluss auf Geschmack, Farbe, Textur und Nährstoffgehalt des Produktes haben kann. Sauerstoff verursacht zum Beispiel negative Reaktionen in vielen Lebensmitteln, wie zum Beispiel in Kartoffelchips. Durch Messen der Rate, mit der Sauerstoff das Verpackungsmaterial durchdringt, kann annähernd die Zeitdauer bestimmt werden, wie lange eine ungeöffnete Tüte 'gute Chips' liefert.

Permeationsmessungen sind ausschlaggebend bei der Bestimmung des so genannten 'Sweet Spot' von Verpackungen. Dieser Sweet Spot ist definiert als Schnittfläche zwischen effektivem Marketing, Schutz des Erzeugnisses und Kosten. Sind alle diese drei Bereiche in Einklang, haben wir eine funktionale, kosteneffektive Verpackung, die ihre Anforderungen an Haltbarkeit und Lagerfähigkeit erfüllt. Der Schutz des Erzeugnisses wird jedoch leider häufig übersehen, was wichtige andere Bereiche - besonders die Kosten - negativ beeinflussen kann.
Schutz des Erzeugnisses durch Verpackung umfasst sowohl physische als auch chemische Schutzmaßnahmen. Natürlich ist Schutz des Produkts gegen physische Schäden wichtig, aber auch Schutz gegen chemische Einflüsse muss in Betracht gezogen werden. Mikrobiologische Kontamination, Oxidation, Ranzigkeit, Feuchtigkeitsverlust, Abbau von Bestandteilen, Geschmacksverlust, Geschmacksverfälschung und Karbonisierung sind nur einige Beispiele für chemische Veränderungen, die durch ungeeignete Verpackung verursacht werden können. Permeationsmessungen sind der Schlüssel zur Bestimmung der geeigneten Verpackung, damit solche Schäden erst gar nicht auftreten oder auf ein Minimum reduziert werden.

Kennt man die Permeationsrate eines Verpackungsmaterials bereits am Anfang des Entwicklungsprozesses der Verpackung, können sowohl das Über- als auch Unterverpacken vermieden werden. Beide Szenarien sind letztendlich kostspielig, können aber mit entsprechender Überprüfung vermieden werden. Unterverpackung (nicht ausreichende Barrieren, falsches Material usw.) erlaubt die Transmission verschiedener Gase, was zu einer Verschlechterung der Produktqualität vor Ablauf der Mindesthaltbarkeit führen kann. Die negativen Auswirkungen durch Unterverpackung können von Reklamationen und Produktrückgaben bis zu in Anspruchnahme von Garantien und Rechtsstreitigkeiten führen.

Überverpackung führt wahrscheinlich nicht zu Rechtsstreitigkeiten, verursacht aber potenziell unnötige Kosten und Materialverschwendung. Häufig verleitet mangelndes Produktwissen einen Hersteller zur Verwendung der bestmöglichen Verpackung innerhalb seines gegebenen Budgets, um Unterverpackung zu vermeiden.
ABBILDUNG 1b: Verpackungsdesign in Wechselwirkung mit Umwelteinflüssen
ABBILDUNG 1b: Verpackungsdesign in Wechselwirkung mit Umwelteinflüssen
Wäre vor Produktionsstart ein entsprechendes Prüfprogramm implementiert worden, hätten einige Euro für kostspielige Überverpackung gespart werden können. Dazu kommt, dass nach Einführung des Produktes eine Änderung der Verpackung aus Furcht vor Einbußen von Marktanteilen häufig unmöglich ist. In beiden Fällen - Unter- oder Überverpackung - kann das Verpackungsdesign potentiell einen großen Einfluss auf die Umwelt (Sustainability) haben. Wie Abbildung 1b zeigt, führt Überverpackung zu Materialverschwendung mit entsprechend negativen Auswirkungen auf die Umwelt. Dagegen führt Unterverpackung zu Produktrückgaben und im Endeffekt zu mehr Müll, was wiederum einen negativen Einfluss auf die Umwelt hat.

Barrierematerialien



Das Know-how und die Optimierung der Barrieren in der Verpackungsindustrie haben sich in den letzten Jahren stetig verbessert, da hier eine Verschiebung weg von „absoluten“ Barriereverpackungen, wie Dosen und Flaschen, hin zu permeablen Verpackungssystemen stattgefunden hat. Im Jahr 1983 wurde erstmalig eine extrudierte, mehrschichtige Ketchupflasche aus Kunststoff in die amerikanischen Supermarktregale gestellt. Seitdem arbeiten Unternehmen fieberhaft an neuen Verpackungsstrategien. Die Konkurrenz ist groß und Produktqualität sowie Produktdesign können sich als Schlüssel zum Markterfolg erweisen.

Die Entscheidungsträger müssen zunehmend unterschiedliche Rohstoffe sowie Verpackungskonfigurationen und -technologien analysieren und bewerten. Die verschiedenen Barriereeigenschaften reichen heutzutage von in der Elektronikindustrie eingesetzten Ultrabarrieren bis hin zu atmungsaktiven, perforierten, hochdurchlässigen Packmitteln für frische Produkte wie Obst und Gemüse. Standardmaterialien wie Polyethylen, PET und EVOH tummeln sich im Rampenlicht Hand in Hand mit Neulingen wie PGA und Flüssigkristallpolymeren.

Permeationsdaten bei der Verpackungsentwicklung



Im Folgenden ist schrittweise die empfohlene Methode erläutert, den optimalen Haltbarkeitsbereich einer Verpackung - also ihren Sweet Point - spezifisch für die zu schützenden Erzeugnisse zu bestimmen.


Identifizierung der Produktanforderungen

Es gilt zu verstehen, wie eine Verpackungsspezifikation entwickelt wird. Dafür muss nicht nur die zulässige Grenze für ein noch gutes Produkt definiert, sondern auch die entsprechenden Einflussfaktoren bestimmt werden. Das ist zwar sicherlich keine leichte Aufgabe, dennoch sind die Produktanforderungen eine Schlüsselinformation zur Entwicklung einer effizienten Verpackung. Ein- und/oder Austritt von Sauerstoff und Wasserdampf sind bekannt und gängig, aber auch Gase wie Kohlendioxid, Störgerüche und Aromen müssen berücksichtigt werden.

Identifizierung in Frage kommender Materialien (Kandidaten)

Angesichts der Fülle an neuen Materialien für Barriereverpackungen ist der Vergleich von aus den Datenblättern der Materialhersteller abgeleiteten Permeationsdaten häufig schwierig. Ein umfassendes Materialprüfprogramm kann implementiert werden, das die Auswahl des am besten für eine bestimmte Anwendung geeigneten Barrierematerials ermöglicht. Ausgehend von der Überprüfung der Durchlässigkeitsrate in Frage kommender Barrierematerialien (Kandidaten), um sowohl die Herstellerdaten zu bestätigen als auch das Kandidatenfeld einzugrenzen, können endgültige Verpackungskonfigurationen erstellt werden. Anschließend können die Verpackungen getestet werden, um die Barriereeigenschaften ganzheitlich zu bestimmen.

Festlegung des optimalen Systems

Die Produktanforderungen und potenziellen Materialien werden dann einander zugeordnet, um entweder die bei der Verpackung in einem spezifischen Material erzielbare Haltbarkeit zu bestimmen oder umgekehrt festzustellen, mit welchem Verpackungsmaterial eine gewünschte Haltbarkeit erzielt werden kann. In der Regel folgen Lagerfähigkeits- und Haltbarkeitsstudien, um die Leistungsfähigkeit der Verpackung zu bestätigen.

Was ist Permeation?



Die kolloidale Diffusion nach Graham veranschaulicht die drei Schritte der Permeation durch ein Packmittel. Der erste Schritt ist die Sorption des Permeanten in das Material. Als nächstes diffundiert der Permeant durch das Material selbst, bis er letztendlich auf der anderen Seite aus dem Packungsmaterialdesorbiert. Treibende Kraft hinter diesem gesamten Prozess ist das Konzentrationsgefälle(Gradient). Moleküle wandern von der Materialseite mit hoher Konzentration zur Seite mit niedriger Konzentration. Dieser Vorgang setzt sich fort, bis die Konzentration auf beiden Seiten im Gleichgewicht ist.
Die Permeationsmessung ist im Allgemeinen ein einfaches Konzept. Jedoch ist die in Zusammenhang mit der Permeation benutzte Terminologie häufig falsch. Permeationsrate und Durchlässigkeitsrate werden gleichbedeutend verwendet, sind im Grunde aber unterschiedliche Eigenschaften.

Die Rate, mit der ein Permeant einen bestimmten Bereich durchdringt, wird ausgewertet und ergibt letztendlich die Durchlässigkeitsrate. Die Einheit der Durchlässigkeitsrate ist das Permeantvolumen pro Fläche pro Zeit. Einige Beispiele für die Einheiten der Durchlässigkeitsrate sehen Sie nachfolgend:

Was ist Permeation?

Das spezifische Maß der Durchlässigkeitsrate ist abhängig vom eigentlich getesteten Material, dem Permeanten und Bedingungen wie Temperatur und relative Luftfeuchte (RH).

Sind eher allgemeine Ergebnisse gefragt, wird die Permeationsrate aus den Daten der gemessenen Durchlässigkeitsrate berechnet. Die Permeationsrate berücksichtigt die Materialdicke und die Antriebskraft oder das Konzentrationsgefälle des Permeanten. Die Permeationsrate beschreibt eher eine Materialeigenschaft, da sie für jede gegebene Materialdicke oder Antriebskraft eines Permanten benutzt werden kann. Für die Ermittlung der Permeationsrate werden die Messergebnisse der Durchlässigkeitsrate mit der Dicke des geprüften Materials multipliziert und durch das Partialdruckgefälle des Permeanten dividiert. Natürlich berechnen viele Messinstrumente die Permeationsrate und geben sie als Messergebnis aus. Einige Beispiele für die Einheiten der Permeationsrate sind:

Was ist Permeation?

Bei den Einheiten für Dicke, Fläche und Druck kann zwischen SI und metrisch gewechselt werden.

Messtechniken



Die meisten allgemeinen Messtechniken für die Bestimmung der Durchlässigkeitsrate setzen eine Materialseite dem Permanten (Prüfgas) aus, während die andere Seite mit einem Trägergas umströmt wird. Das Verpackungsmaterial wird in eine Diffusionszelle gegeben und teilt diese in zwei Kammern. Die innere Kammer wird mit Stickstoffträgergas gespült, die andere Kammer enthält den Permeanten. Moleküle des Permanten diffundieren durch die Folie in die innere Kammer und werden vom Trägergas zum Sensor transportiert. Der Computer überwacht den Anstieg der Wasserdampf- oder Gaskonzentration im Trägergas und ermittelt darausdie Druchlässigkeitsrate (ABBILDUNGEN 2a und 2b). Dieser Prozess wird durch die oben erläuterten Einheiten der Durchlässigkeitsraten - nämlich Permeantmenge pro Bereichseinheit pro Zeit - perfekt veranschaulicht. Wenngleich die typische Probengröße nur 50 cm² beträgt, wird sie auf entweder 1m² oder 100 in² normiert. Eine Vielzahl permeantspezifischer Sensoren wird zur Analyse der Konzentration im Trägergasstrom eingesetzt. Abhängig von der erforderlichen Empfindlichkeit aufgrund der Barrierequalität sowie von der gewünschten Genauigkeit können verschiedene Sensoren benutzt werden.
ABBILDUNG 2a: Schema eines Tests zur Ermittlung der Sauerstoffdurchlässigkeitsrate
ABBILDUNG 2a: Schema eines Tests zur Ermittlung der Sauerstoffdurchlässigkeitsrate
Die Daten der Durchlässigkeitsrate von Flachproben helfen bei den ersten Materialauswertungen, bei Anwendungen in Forschung & Entwicklung sowie der Einstufung potenzieller Materialien als Kandidaten für eine bestimmte Verpackung. Die letztendlichen Konfigurationen können und sollten jedoch in jedem Fall auch analysiert werden. Die Prüfung der Durchlässigkeitsrate von Verpackungen gibt Einblick in die Belastungen, die im Verpackungsprozess auftreten. Die Prüfung der Vollverpackung wird typischerweise dann empfohlen, wenn Aussagen bezüglich der Haltbarkeit des Packgutes getroffen werden sollen.
ABBILDUNG 2b: Schema eines Tests zur Bestimmung der Wasserdampfdurchlässigkeit
ABBILDUNG 2b: Schema eines Tests zur Bestimmung der Wasserdampfdurchlässigkeit
ABBILDUNG 3a: Schema eines Tests zur Ermittlung der Sauerstoffdurchlässigkeitsrate eines Packmittels
ABBILDUNG 3a: Schema eines Tests zur Ermittlung der Sauerstoffdurchlässigkeitsrate eines Packmittels

Die Bestimmung der Durchlässigkeitsrate (ABBILDUNG 3a) von Verpackungen erfolgt nach dem gleichen Prinzip wie Folienmessungen. Das Prüfgas wird zur Innen- oder Außenseite der Verpackung geleitet, während das Trägergas die gegenüberliegende Seite umströmt. Bei einem typischen Testaufbau "Prüfgas innen / Trägergas außen" ist ein Einfangvolumen erforderlich. Da die Dicke einer Verpackung variiert und dieFläche schwer zu berechnen ist, lauten die Einheiten der Durchlässigkeitsrate von Verpackungen wie folgt:

Messtechniken?

ABBILDUNG 4: Zeitlicher Verlauf der Durchlässigkeitsrate
ABBILDUNG 4: Zeitlicher Verlauf der Durchlässigkeitsrate

Die Prüfung der Durchlässigkeitsrate führt nicht zur unmittelbaren Ausgabe eines Ergebnisses. Sowohl für Folien als auch für Verpackungen ist sie vielmehr ein dynamischer Test. Nach Start des Tests kommt es erst zu einem Übergangsverhalten, bis sich ein Gleichgewicht einstellt (ABBILDUNG 4). Diese Zeit bis zum Gleichgewichtszustand ist je nach Material, Permeant und Temperatur unterschiedlich lang. Bei hochwertigen Barrieren kann es bis zum Erreichen des Gleichgewichtszustands Wochen dauern, während es bei hochdurchlässigen Materialien unter Umständen nur einige Stunden sind.

Einflussfaktoren



Zwar ist das Konzentrationsgefälle die treibende Kraft der Permeation, aber auch andere Faktoren spielen eine wichtige Rolle. So hat die Temperatur einen großen Einfluss auf die Permeationsrate, da letztere um 5 bis 7% pro Grad Celsius ansteigt (ABBILDUNG 5).
ABBILDUNG 5: Einfluss der Temperatur auf die Permeationsrate
ABBILDUNG 5: Einfluss der Temperatur auf die Permeationsrate
Die Verpackungsprüfung kann besonders empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen sein, da viele Verpackungen in Umgebungsluft geprüft werden und die Temperatur in solchen Prüflabors im Verlauf von 24 Stunden um mehrere Grad Celsiusschwanken kann.

Die relative Feuchte (RH) kann die Permeationsmessergebnisse ebenfalls beeinflussen. Bei der Messung der Durchlässigkeitsrate von Wasserdampf (WVTR) ist die Optimierung der korrekten relativen Feuchte sowie deren Regelung und Überwachung von ausschlaggebender Bedeutung, da Wasserdampf als Prüfgas dient. Die Anwesenheit von Feuchtigkeit kann aber auch die Permeationsraten von Sauerstoff und anderen Gasen in bestimmten Materialien erheblich beeinflussen. Abbildung 6 zeigt die Auswirkung von Feuchtigkeit auf die Durchlässigkeitsrate von einigen Schlüsselmaterialien, die häufig in der Verpackungsindustrie eingesetzt werden. Die Sicherstellung der korrekten relativen Feuchte und ihre Regelung während der Prüfung der Durchlässigkeitsrate von Sauerstoff geben sicheren Aufschluss darüber, wie sich das Material unter diesen Bedingungen tatsächlich verhält.

ABBILDUNG 6: Einfluss der relativen Feuchte auf die Sauerstoffdurchlässigkeit von EVOH
ABBILDUNG 6: Einfluss der relativen Feuchte auf die Sauerstoffdurchlässigkeit von EVOH

Zu den weiteren bei der Prüfung der Durchlässigkeitsraten zu berücksichtigenden Faktoren gehören Dickeabweichungen, die Zeit bis zur Herstellung des Gleichgewichts, der Luftdruck und das richtige Prüfgas.

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