Barrera en envases de PET para bebidas gaseosas

¿Qué interviene para que los refrescos o demás bebidas carbonatadas pierdan el gas?

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Seguramente en alguna ocasión, hemos destapado algún refresco o bebida gaseosa y nos ha tocado apreciar que nuestra bebida tiene una consistencia poco agradable o pérdida de sabor, ya que ha perdido el gas o dióxido de carbono (CO2). Lo que nos lleva a pensar en cuáles pudieran ser las causas potenciales que lleven a la pérdida del gas, provocando con ello una afectación en la vida de anaquel de dicho producto o bien la pérdida de calidad del producto a través del tiempo. Es decir el nivel de carbonatación disminuye con el tiempo, como resultado de los mecanismos de permeación o difusión a través de las paredes de la botella, como se comentó previamente en la primer parte de esta serie, en el mes de mayo 2018, “Introducción y generalidades sobre propiedades de barrera, parte 1”.

La vida útil de un alimento o una bebida envasada dependerá de la resistencia o barrera que las paredes del envase plástico sean capaces de ofrecer a diversos compuestos que se difunden a través de ellos (pérdida de CO2 o ingreso de oxígeno O2).

El escape del gas de una bebida carbonatada en un envase de PET es un problema multifactorial dependiente de la conjunción de diversas variables complejas como puede ser:

  1. La cristalinidad y la orientación
  2. Creep o fluencia lenta
  3. Efecto del estrés o tensión  generada durante el proceso o soplado del envase la temperatura y la humedad relativa
  4. Temperatura y humedad relativa
  5. Distribución del material y el espesor de pared en el envase

CRISTALINIDAD Y ORIENTACIÓN

Como lo hemos venido comentando en artículos previos en nuestra columna “PET y Reciclado”, el PET es un polímero semicristalino que presenta regiones parcialmente cristalinas y parcialmente amorfas, donde pequeños cristales se encuentra distribuidos  en la matriz amorfa.

Las regiones amorfa presentes entre cristales son permeables a la difusión de los gases, mientras que los cristales en sí mismos son no permeables como se puede apreciar en la fig. 1, por lo que debe aumentarse el grado de cristalinidad para minimizar la permeabilidad.

Así mismo, las regiones amorfas pueden ser modificadas mediante una orientación de cadena paralela a la superficie del envase, reduciendo su permeabilidad a gases o diversos compuestos.

Es importante mencionar que la forma como sea inducida la cristalinidad, ya sea mediante un calentamiento o templado térmico, o bien un estiramiento mecánico durante el procesamiento, son equivalentes.

Cuando el PET es procesado mediante moldeo por inyección (preformas de envases) o por extrusión (lámina extruida para su posterior termoformado) presenta un bajo porcentaje de cristalinidad. El templado térmico por encima de la Tg (temperatura de transición vítrea) aumenta el grado de cristalinidad, con la consecuente reducción de la permeabilidad. Por lo que tanto la velocidad de transmisión del vapor de agua, como la permeabilidad al oxígeno y al dióxido de carbono, disminuye linealmente con el incremento de la cristalinidad. Por ello el PET amorfo al ser estirado a temperatura por arriba de la Tg, como sería el caso de una preforma de PET soplada  a 100°C, una porción cristaliza en forma de pequeños cristalitos.

Concluyendo en este punto en específico, la cristalinidad reduce la permeabilidad a gases y es fuertemente controlada por la temperatura y el grado de estiramiento.

CREEP O FLUENCIA LENTA

Otro factor relacionado con el efecto de la morfología del material plástico (es decir el nivel de región amorfa y/o región cristalina presente) sobre las propiedades barrera, es el deslizamiento intermolecular que puede experimentar el material al estar sometido bajo una fuerza o una presión o creep, lo cual lleva a aumentar la región amorfa, reduciendo la región ordenada y consecuentemente  permitiendo una mayor permeabilidad.

Creep es otra característica importante de los polímeros bajo tensión continua como es el caso de los envases presurizados de bebidas carbonatadas (CSD), los niveles de estrés son altos si se aplican durante un período prolongado de tiempo. El tiempo que la botella permanece bajo presión tiene un gran efecto sobre la magnitud de la pérdida de carbonatación debido a la fluencia o creep.

ESTRÉS O TENSIÓN DURANTE EL SOPLADO

La facilidad de difusión de los gases o permeabilidad de la mayoría de los polímeros semicristalinos aumenta cuando son sometidos a tensiones. Los niveles de estrés en este caso pueden originar una tensión elástica y tal vez  una cantidad relativamente pequeña de creep a largo plazo. En estudios  reportados por la empresa Eastman, donde evaluaron la permeabilidad al dióxido de carbono, oxígeno y vapor de agua en envases de PET de 2 litros con un espesor alrededor de 13 milésimas de pulgada, probando en envases con y sin presión, (el estrés generado es función y proporcional a la presión interna del envase), observaron que la permeabilidad aumenta significativamente con la tensión.

El envase presurizado con un valor de presión típico de 60 psi reportó una permeabilidad de 35 a 40%  mayor que el encontrado para el envase que no fue sometido bajo presión. Por otro lado, las mismas condiciones utilizadas fueron probadas en un envase de 0.5 litros, donde se observó que el aumento en la permeabilidad fue menor, debido al radio inferior del envase más pequeño, resultando que la tensión es proporcional al producto de la presión interna y el radio el envase. De igual manera, destacaron que al reducir el espesor de pared del envase y al aplicar la misma presión interna, se originó un mayor aumento en la permeabilidad debido a que la tensión es inversamente proporcional al espesor de pared.

En este mismo punto cabe mencionar que durante las pruebas de calidad y de evaluación de los envases, entre los parámetros importantes de caracterización se consideran tanto el peso  del envase muestra como el espesor, por lo que  si lo analizamos desde la perspectiva de maximizar las propiedades barrera, el peso del material plástico deberá estar distribuido con un espesor lo más uniforme posible que permitan retener los niveles de gas de acuerdo al tiempo y aplicación específica del envase.

  • Temperatura y humedad relativa

Partiendo de la aseveración de que la permeabilidad de los materiales plásticos aumenta con la temperatura, tendríamos que recordar para lograr entenderlo, lo que se planteó en nuestro artículo “La cristalinidad amigo o enemigo durante el procesamiento del PET” publicado en mayo del 2017, donde se describió la cristalinidad como un ordenamiento de la estructura molecular que permite el acomodo o arreglo  de las cadenas de tal forma que ofrecen un obstáculo al paso de gases o compuestos volátiles, mientras que la región amorfa presenta un arreglo molecular aleatorio es decir un completo desorden, que no logra oponer resistencia al paso de gases. Por ello es importante considerar las condiciones a que son sometidos los envases de las bebidas carbonatadas durante el almacenamiento, ya que al alcanzar valores de temperatura cercanas o por encima de la Tg, puede favorecer el reacomodo o aleatorización molecular que combinado con el aumento en la humedad relativa presente en el ambiente causará un aumento en la permeabilidad.

Sin embargo, un cambio en la permeabilidad no puede solo atribuirse a un efecto individual de los cambios en la temperatura sino a la combinación con los factores previamente mencionados como podemos apreciarlo a continuación:

  • Temperatura y presión. Partiendo de que la solubilidad del dióxido de carbono en el agua disminuye con la temperatura, así mismo durante la carbonatación, al aumentar la temperatura  se incrementa la presión de CO2 dentro del envase de la bebida gaseosa, promoviendo con ello la penetración de gas resultando en una elevada velocidad de pérdida de CO2 y una vida útil más corta.
     
  • Temperatura y estrés. El aumento de la presión interna a temperaturas elevadas ocasiona tensiones mayores en la pared del envase, causando con ello un incremento en la permeabilidad ocasionado por el aumento de la temperatura, con consecuencias equivalentes al efecto temperatura y presión en la pérdida de CO2 y la vida útil del producto. 
     
  • Temperatura y Creep. Una mayor presión interna en temperatura máxima da como resultado la formación adicional de creep y una incipiente deformación elástica. Sumado al efecto de la elevada temperatura, la alta probabilidad de que la degradación se manifieste en una reducción de las propiedades mecánicas manifestando mayor susceptibilidad a que el material presente creep, aumentando consecuentemente el volumen del envase, causando pérdida del nivel de carbonatación.   

Por lo anteriormente discutido, como recomendación  importante a considerar para las empresas de bebidas gaseosas, sugerimos tomar en cuenta los siguientes puntos para que sus envases cumplan en lo mayor posible con las especificaciones de vida de anaquel:

  • Se tendrá una mayor permeabilidad, cuando el envase al ser soplado y estirado durante el procesamiento, por condiciones de proceso o cuestiones de diseño de la preforma o envase, presenta zonas con altos niveles de estrés.
     
  • En la vida de anaquel de los envases de PET,  el factor temperatura tanto durante llenado, almacenamiento, etc.  es un factor a no perder de vista.
     
  • Variación mínima en le distribución del espesor puede afectar considerablemente, la pérdida del gas de carbonatación de los envases acortando la vida de anaquel de los mismos.

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