A magas szigetelőképességük okán a fémes fóliákat gyakran használják hagyományos és fenntartható csomagolások alapanyagaként is. Poliolefin alapjuk miatt újrahasznosíthatónak tekinthetők abban az esetben, ha vékony bevonatuk nagyon kis mennyiségben tartalmaz fémet. A különböző alkalmazások okán a fémes fóliák barrier, vagyis szigetelő tulajdonságait - mint pl. a vízpára áteresztési arány (WVTR) – meg kell vizsgálni. Azonban a múltbéli és a jelenlegi tapasztalatok is azt mutatják, hogy a fémes fóliák WVTR mérései során kihívást jelent a megismételhető eredmények elérése, köszönhetően elsősorban a rejtélyes nem-ficki* viselkedésnek (pl. az alapanyag magas párával szembeni kitettség esetén változik). Mit érdemes tehát tudni a fémes fóliákról és melyek a legjobb laboratóriumi módszerek a minél pontosabb eredmények eléréséhez?

*Bár a magyar nyelvben nem használatos a ficki/nem-ficki kifejezés, az egyszerűség kedvéért jelen írásban így fogunk hivatkozni a viselkedés megnevezésére
 

A fémes fóliák vizsgálatának problémái

A fémes fóliák vízpára-áteresztőképességének (WVTR) mérése esetenként igen nagy kihívást jelent. A különböző laboratóriumok jelentése szerint az olyan extrém magas relatív páratartalom (RH) értékek alkalmazása mellett, mint pl. 90% RH akár ugyanazon az alapanyagokon történő mérések is eltérő WVTR értékeket mutattak. Az egyes laborok persze különböző kritériumokat támasztanak a tesztek végrehajtására vonatkozóan, néhány tesztet idő előtt leállíthatnak, mielőtt elérnék a végső egyensúlyi állapotot.

Az 1. ábra megmutatja, hogy a WVTR értékek hogyan változhatnak akár közel 100 óra után is, abban azt esetben, ha a fóliát a számára komoly megterhelést jelentő 38°C hőmérsékleten és 90% RH értéken tesztelik. Épp ezért, a különböző vizsgálati időtartamok egészen eltérő WVTR-adatokat eredményezhetnek. Mindez pedig azt sugallja, hogy az ilyen típusú anyagok nem-ficki viselkedést mutatnak.

1. ábra: Tipikusan nem-ficki anyag WVTR vizsgálati görbéje, magas RH értéken
 

Mit jelent a nem-ficki viselkedés?

Adolf Fick diffúziós törvénye szerint egy olyan diffúziós folyamat, mely megfelel a Fick-törvénynek, normális, vagyis ficki-diffúziónak tekintendő. Más esetben nem-ficki diffúzióról beszélhetünk. Hasonlóképpen, a Fick-törvénynek engedelmeskedő anyagok esetében az áteresztés egyenesen arányos a koncentrációval, az összes koncentráció-tartományban. Néhány anyagot hátrányosan befolyásol a nedvesség felszívódása, ami által a szigetelőképesség csökken, így ezeket nem-ficki anyagoknak nevezzük.

2. ábra: A ficki és a nem-ficki viselkedés illusztrációja
 

A legáltalánosabb ismeretek szerint a víz erősen poláris, ezért ilyen módon csak a hidrogénkötésektől függő poláris polimer csoportokkal lép reakcióba. A nem-ficki anyagok ismertebb példái közé tartozik pl. a nylon és az EVOH. Más poláris csoportok, mint pl. a PET bár szívnak fel nedvességet, mégsem kerülnek befolyásolásra, mivel a barrier tulajdonságaik nem függenek a hidrogénkötésektől.

A következő tanulmányokból azonban kiderül, hogy a fémes fóliák nem-ficki viselkedést is mutathatnak. 
 

Az AMETEK MOCON fémes fóliákról szóló korábbi tanulmányának összefoglalása
 

2000-ben az AMETEK MOCON WVTR profilvizsgálatokat végzett különböző fajta PET-alapú fémes fóliákon, különböző RH szinteken és eltérő típusú vízpára áteresztési arányt vizsgáló készülékkel. A vizsgálat célja az volt, hogy felfedjék az egyenetlen mérési eredmények valódi okát és rájöjjenek, hogy a tesztfolyamat, a készülék, vagy a tesztkörülmények okozzák azokat.

Az első tesztet egy MOCON PERMATRAN-W 3/31 (ASTM F-1249) készüléken végezték (3. ábra). A tesztek 48 órán keresztül, szekvenciális jelleggel zajlottak a legalacsonyabbtól a legmagasabb RH szintig. A tesztfolyamat során a minta egyik oldalát folyamatosan egy specifikusan meghatározott RH értékkel terhelték, míg a másik oldal fluxusát egy modulált infravörös szenzoron áramoltatták át és számszerűsítették azt. A vizsgálatokat 37,8°C hőmérsékleten végezték, 50%, 75%, 90% és 100% RH mellett. Összehasonlításképp egy kalkulált, Fick-törvénynek megfelelő viselkedési görbe (50% RH alapján) is ábrázolásra került a grafikonon.

3. ábra: A WVTR eredmények és az előzetesen kalkulált ficki viselkedés értékeinek különbsége
 

A 3. ábrán látható, elvárható ficki viselkedéshez képest az anyag egyértelműen nem-ficki módon viselkedett. A WVTR érték 90% RH és 100% RH-érték között majdnem megduplázódott. A 100% RH-értéken mért WVTR érték az előzetesen, ficki viselkedés alapján kalkulált érték majdnem tízszerese. Ez azt jelenti, hogy a magasabb RH-értékek jóval nagyobb hatást gyakorolnak az anyagra, mint az alacsonyabb RH-értékek.

A 100% RH teszt után még egy vizsgálatot végeztek ugyanazon a mintán (50% RH-értéken). Az eredmény azt mutatta, hogy a korábbi szigetelőképesség már nem állítható vissza azután, hogy az anyagot 100% relatív páratartalomnak tették ki. A további, más MOCON készülékekkel végzett vizsgálatok is hasonló, a Fick-törvénynek nem megfelelő eredményeket hoztak, mint a PERMATRAN-W 3/31 segítségével végzett tesztek.
 

Az AMETEK MOCON friss tanulmánya a fémes fóliák új generációjáról
 

2021-re számos új fémes fólia került feltalálásra és gyártásra. Azonban jobbak-e ezek az új alapanyagok és ami talán még fontosabb, viselkedésük alapján megfelelnek-e a Fick-törvény szabályainak? Az AMETEK MOCON a fémes fóliák WVTR értékeit ezúttal már újgenerációs áteresztésvizsgáló készülékeken mérte, a mintákat pedig OPET és BOPP fóliák szolgáltatták.

A „történeti hűség” kedvéért a vizsgálatokhoz egy hagyományos PERMATRAN-W 3/33 készüléket is bevetettek, emellett azonban két új szériás WVTR-vizsgáló, egy PERMATRAN-W 3/34 és egy AQUATRAN 3/38 képezte a tesztek gerincét. A WVTR teszteket 37,8°C hőmérsékleten, illetve 50%, 75%, 85%, 90% és 100% RH értékeken végezték.

Eredmények
 

Az alábbi táblázatok és grafikon (5. ábra) mutatják az OPET- és BOPP-alapú fémes fóliák WVTR-profiljának tendenciáit a különböző RH-szintek hatására. Az említett három különböző WVTR-elemző készülék három-három eredménye (összesen 9 adatpont) került átlagolásra, hogy a grafikonon szereplő adatpontokat létrehozzák.
 

Alapanyag	%RH	Átlag WVTR g/(m2 * nap)	Standard szórás
OPET	50	0,111	0,085
OPET	75	0,322	0,121
OPET	85	0,518	0,189
OPET	90	0,609	0,203
OPET	100	1,291	0,359

Alapanyag	%RH	Átlag WVTR g/(m2 * nap)	Standard szórás
BOPP	50	0,052	0,016
BOPP	75	0,087	0,015
BOPP	85	0,117	0,016
BOPP	90	0,149	0,030
BOPP	100	0,243	0,074

              OPET-alapú fémes fóliák átlag WVTR eredményei (9 teszt alapján)                                                                                                       BOPP-alapú fémes fóliák átlag WVTR eredményei (9 teszt alapján)
 

Az új tanulmányok több mindent árulnak el a fémes fóliákról

5.ábra: OPET- és BOPP-alapú fémes fóliák WVTR összevetése

Először is úgy tűnik, hogy mind az OPET-, mind a BOPP-alapú fémes fóliák bizonyos mértékig nem-ficki viselkedést mutattak, az OPET-alapú anyagok barrier képessége viszont súlyosabb károkat szenvedett a magasabb RH-szinteken.

Másodszor, a teszteredmények standard eltérése nagyobb szórást mutatott az OPET-alapú fémes fóliák értékeiben. E fóliák esetén az RH-szintek növekedésével párhuzamosan a szórás is növekedett. Eközben a BOPP-alapú fémes fóliák WVTR értékei jóval kiegyensúlyozottabbak lettek, habár 85% RH-szinten már nem-ficki viselkedést mutattak.

Az OPET-alapú fóliák súlyosabb barrier károsodásának magyarázatához célszerű a PET azon tulajdonságával kezdeni, mely szerint egy poláris polimerről van szó, így nagyobb valószínűséggel kötődik vízmolekulákhoz. Épp ezért a PET-fóliák fémes rétege sokkal könnyebben sérülhet, köszönhetően az anyag magas nedvességtartalmú közegben történő tágulása miatt. Ugyanakkor a BOPP nem poláris és hidrofób, így sokkal stabilabban viselkedik mérsékelten nedves környezetben.  A BOPP-fóliák magasabb RH-kitettség esetén kezdtek nem-ficki viselkedést mutatni, amelyet valamely ismeretlen szinergiának tudható be a fémes felület és a magasabb nedvességtartalom között.

A fenti okok és megfigyelések miatt tehát elengedhetetlennek látszik az, hogy megvizsgáljuk a fémes fóliák WVTR értékeit a tényleges RH-szintek mellett. Nem javasolt ugyanakkor a WVTR értékeket egyetlen szinten vizsgálni, majd a meglévő ismereteinkből más RH-szintekre vetítve megbecsülni azokat. A fémes fóliák összehasonlító tesztjeihez a mérsékeltebb RH  használata javasolt (pl. 70-75%RH), vagy érdemes lehet egy egyezményes %RH érték megállapítása a fóliagyártók és ügyfeleik között.

Összefoglalás

• A fémes fóliák magasabb RH-szinteken nem-ficki viselkedést kezdenek mutatni, így a WVTR értékek más RH-szintekre vetített becslése nem javasolt.
• Az enyhén hidrofil vagy poláris tulajdonságú alapanyagok sokkal nagyobb mértékben mutatnak nem-ficki tulajdonságokat.
• A magasabb RH okozta, fémes fóliák szigetelőképességét károsító behatások csökkenthetők, ha a relatív páratartalmat mérsékeltebb szintre szabályozzuk.
• Ha a vizsgálatokhoz magas RH-szintre van szükség (pl. 90% RH) a nem-ficki anyagok esetén hosszabb tesztidőre lehet szükség a végső egyensúlyi állapot eléréséhez és a valós barrier tulajdonságok megismeréséhez.