ITPI20060106A1

ITPI20060106A1 - Metodo per la misurazione di permeabilita' ai gas di contenitori ed elementi di tenuta in genere.

Info

Publication number: ITPI20060106A1
Application number: IT000106A
Authority: IT
Inventors: Mauro Lucchesi; Alessandro Piombini
Original assignee: Extrasolution S R L
Priority date: 2006-09-12
Filing date: 2006-09-12
Publication date: 2008-03-13
Also published as: EP2069756B1; RU2451284C2; ATE518129T1; JP5134626B2; WO2008032170A2; US20090282900A1; EP2069756A2; WO2008032170A3; US8015857B2; RU2009113112A; JP2010503848A

Description

Descrizione dell' invenzione industriale dai titolo: "METODO PER LA MISURAZIONE DI PERMEABILITÀ AI GAS DI CONTENITORI ED ELEMENTI DI TENUTA IN GENERE"

DESCRIZIONE

Ambito dell'invenzione

La presente invenzione riguarda un metodo per la misurazione di permeabilità ai gas di contenitori in genere, quali bottiglie, buste di forma svariata o anche membrane ed altri elementi di tenuta quali tappi.

Brevi cenni alla tecnica nota

Com'è noto, nell' industria della produzione di contenitori, sia ad uso alimentare che farmaceutico, è necessario limitare la permeabilità sia all'ossigeno che ad: altri tipi di gas, al fine di preservare la qualità del contenuto nel tempo.

Un sistema per la misurazione di permeabilità all'ossigeno di contenitori è descritto in US2005076705 . In questo documento viene descrìtto come misurare con appositi sensori, e seguendo l'equazione dei gas perfetti, la variazione di volume di gas permeato all'interno del contenitore, in due istanti diversi. Successivamente si integra la suddetta equazione nel tempo ottenendo la variazione volumetrica di gas nel tempo all'interno del contenitore Prima di effettuare le due misurazioni volumetriche, è necessario attendere la fine di un transitorio con conseguenti attese lunghe e dispendiose.

In un altro metodo diffuso un contenitore da testare viene posto all'interno di una camera di prova. Nella camera di prova il contenitore viene opportunamente sigillato e isolato, ad eccezione di un condotto di ingresso ed uno di uscita attraverso il quale viene fatto fluire nel contenitore un gas di trasporto, normalmente azoto. Nella camera di prova, esternamente al contenitore, viene immesso il gas campione puro, normalmente ossigeno o anidride carbonica, oppure una miscela costituita da un gas di trasporto e dal gas campione. Il gas campione può permeare all'interno del contenitore attraverso le pareti del contenitore stesso. Il gas di trasporto che fluisce dentro il contenitore ha la duplice funzione di mantenere nel contenitore la stessa pressione presente nella camera di prova, normalmente quella atmosferica, per tenere l'equilibrio ed evitare che il contenitore collassi, nonché di trasportare il gas permeato verso un dispositivo sensore per rilevarne la concentrazione.

Il gas di trasporto che fluisce fuori dal contenitore giunge ad un dispositivo sensore, normalmente una cella elettrochimica o un rivelatore infrarosso. Il dispositivo sensore, una volta avviata la misura, rivela un valore variabile di concentrazione del gas permeato all'interno del flusso del gas dì trasporto. Mantenendo costanti i flussi di gas campione nella càmera dì prova e di gas di trasporto nel contenitore, il dispositivo sensore fornisce una lettura che converge ad una condizione dì regime, ossia di costanza nel tempo del valore di lettura del gas permeato. La lettura, raggiunta la convergenza rappresenta, il flusso dì gas permeante che permette di ricavare la permeabilità del contenitore.

Lo stesso metodo può essere usato per misurare la permeabilità di elementi di chiusura di contenitori a bassa permeabilità, quali tappi o coperchi. Il contenitore viene posto in maniera analoga a quanto sopra descritto, nella camera di prova, sigillato dall'elemento di chiusura. Nelle pareti del contenitore vengono artificialmente creati passaggi dì ingresso e di uscita sigillati, normalmente con resina epossidica, per il flusso del gas dì trasporto.

Il problema di questo sistema sono i tempi di attesa necessari per il raggiungimento della convergenza, che possono in alcuni casi essere lunghissimi, ad esempio per tappi dì sughero, anche di settimane, rendendo un siffatto metodo dispendioso.

Sintesi dell'invenzione

È quindi scopo della presente invenzione fornire un metodo per la misurazione di permeabilità ai gas dì contenitori o di elementi sigillanti che richieda un tempo di misura molto minore rispetto alle tecniche tradizionali .

È anche scopo dell'invenzione fornire un metodo di misurazione della permeabilità ai gas di contenitori che non richieda necessariamente sensori molto sensibili e dunque costosi .

Questi ed altri scopi sono realizzati mediante un metodo secondo la presente invenzione per la misurazione di permeabilità ad un gas campione attraverso un contenitore o un elemento sigillante, detto contenitore o detto elemento sigillante avendo una faccia esterna, uno spessore ed una faccia interna, in detto spessore essendo presente una determinata concentrazione iniziale di gas campione, comprendente le seguenti fasi;

esposizione della faccia esterna ad un flusso di detto gas campione miscelato ad altri gas ad una determinata e costante concentrazione;

esposizione della taccia interna ad un flusso di gas di trasporto, ad una determinata e costante concent razione;

contatto delia faccia Interna con detto gas di trasporto e misurazione del gas campione effettivamente permeato e condotto da detto gas di trasporto;

attesa di una condizione di regime della misura del gas effettivamente permeato, e lettura di tale misura come permeabilità del contenitore o dell'elemento sigillante al gas campione;

caratterizzato dal fatto che;

- detta determinata e costante concentrazione del gas campione cui è esposta detta faccia esterna è scelta in modo tale che la differenza tra la concentrazione del gas campione cui è esposta detta faccia esterna e detta concentrazione iniziale di detto gas campione in detto spessore è all'incirca uguale alla differenza tra la concentrazione iniziale di detto gas campione in detto spessore e la eventuale concentrazione di gas campione cui è esposta detta faccia interna, in cui la concentrazione iniziale di detto gas campione in detto spessore è calcolata ipotizzando un coefficiente di solubilità pari a 1.

In altre parole, ipotizzando un coefficiente di solubilità unitario del gas campione nel materiale, se nello spessore del contenitore la concentrazione iniziale del gas campione è pari a X, dentro il contenitore la concentrazione del gas campione è X0, allora la concentrazione del gas campione fuori del contenitore è pari, secondo l'invenzione, a 2(X-X0). In tal modo, a regime, il profilo di concentrazione del gas campione, nello spessore tra l'esterno e l'interno assume un andamento sostanzialmente rettilineo decrescente con valore medio sulla mezzeria dello spessore pari al valore X iniziale. Così, la migrazione del gas campione viene ripartita per metà spessore rispettivamente tra l' esterno e la mezzerìa e tra la mezzeria e l'interno, riducendo notevolmente il tempo di migrazione, e quindi di convergenza ai valori di regime.

Vantaggiosamente, nel caso in cui detta faccia interna è esposta a gas di trasporto puro, con totale assenza di gas campione, detta determinata e costante concentrazione del gas campione cui è esposta detta faccia esterna è scelta in modo tale da essere all'incirca il doppio di detta concentrazione iniziale di detto gas campione in detto spessore.

In particolare, nel caso di misurazione di permeabilità di detti contenitori all' ossìgeno la percentuale di ossìgeno presente in detta camera stagna è compreso tra il 40 e il 44%, ed in particolare è pari al 42%, essendo in tal caso la percentuale dì gas presente all' interno di tutta la sezione dell' elemento da testare nella condizione iniziale compresa tra il 20 e il 22%, ed in particolare è all'incirca il 21%, essendo questa la concentrazione di ossigeno presente in aria. Questo vale se il coefficiente di solubilità dell'ossigeno nel materiale del contenitore per semplicità ipotizzato pari ad 1. In realtà la concentrazione di ossigeno nel materiale è proporzionale a tale valore in funzione del coefficiente di solubilità, normalmente sempre molto inferiore ad 1. La scelta di un coefficiente di solubilità unitario è fatta esclusivamente per semplicità di calcolo.

Secondo l'invenzione la concentrazione del gas campione nella condizione iniziale si mantiene ad un valore costante in corrispondenza del piano mediano tra detta faccia esterna e detta faccia interna . In particolare, nel caso di ossigeno come gas campione, il valore costante in corrispondenza del piano mediano è compresa tra il 20 e il 22%, ed in particolare è all' incirca il 21%.

Breve descrizione dei disegni.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del metodo secondo la presente invenzione, risulteranno più chiaramente con la descrizione che segue di una sua forma di realizzazione, fatta a tìtolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento agli ulteriori disegni annessi, in cui;

-la figura 1 mostra schematicamente in una vista prospettica di un dispositivo per effettuare il test di permeabilità ai gas applicando un metodo esistente; -la figura 2 mostra un transitorio della permeazione attraverso una sezione di parete di un contenitore da testare di generico spessore la cui superficie esterna è a contatto con l'aria;

-la figura 3 mostra schematicamente una vista prospettica del dispositivo per effettuare il test di permeabilità ai gas applicando il metodo secondo l' invenzione;

-la figura 4 mostra schematicamente la sezione trasversale di un contenitore da testare durante la fase di permeazione del gas con il metodo secondo l 'invenzione;

- la figura 5 mostra in dettaglio il confronto dell'andamento del flusso del gas che permea attravèrso la sezione del contenitore nel tempo secondo l'invenzione e secondo lo stato dell'arte.

Descrizione delle forme di realizzazione preferite.

Nella descrizione che segue e nei disegni sì è sempre, per semplicità, fatto riferimento ad una solubilità del gas campione nel materiale pari a 1. In realtà la solubilità del gas campione nel materiale sarà sempre di molto inferiore a 1; tuttavia, non è necessario conoscere la effettiva solubilità, in quanto i vantaggi del metodo secondo l'invenzione rimangono invariati.

Con riferimento alla figura 1, viene descritta una configurazione di sistema per eseguire un metodo per la misurazione di permeabilità all'ossigeno di contenitori quali bottiglie, buste oppure elementi di tenuta generici quali membrane o tappi. Secondo la tecnica nota, un contenitore generico 2, ad esempio una bottiglia realizzata in un materiale la cui permeabilità deve essere misurata, ad esempio un materiale cartaceo, plastico, sughero, ecc., viene posto all'interno di una camera di prova 1 stagna.

La camera di prova 1 è collegata con un condotto 10 per aria e collegato ad un regolatore gas-massa indicato con 3. Il regolatore 3 ha lo scopo di mantenere un flusso costante di gas, in questo caso aria, da far giungere all'interno della camera 1 durante il test di permeabilità. Un condotto 11 serve invece per portare un altro gas diverso dall'ossigeno, in particolare azoto !3⁄4, oppure anche idrogeno ò elio o una loro miscela, che percorre il condotto 11 come gas di trasporto.

Il gas di trasporto, attraverso un regolatore gasmassa 5, giunge dentro il contenitore 2 percorrendo un condotto 8 dispósto tra il condotto 11 e la camera 1. Tra il condotto 11 ed il condotto 8 è disposta una valvola 12 atta a commutare il flusso tra la camera 1 ed un bypass 13, che sfocia su un condotto di uscita 14 per il gas di trasporto, tramite la valvola 12'. Il bypass 13 serve per effettuare la taratura di "zero", necessaria per valutare la eventuale presenza di tracce di ossigeno già presenti nel gas di trasporto, ad esempio per insufficiente purezza o per la presenza di perdite nell'impianto, e non dovute alla permeabilità del materiale in esame. Tale taratura si effettua facendo fluire solo il gas di trasporto, senza che questo venga a contatto con la camera 1.

Il gas di trasporto, in particolare N2, trascina il gas da misurare, in particolare O2, permeato attraverso il contenitore 2 ed indicato con le frecce piccole. Quindi, attraverso il condotto 14 giunge ai sensore di misura 9, in particolare una cella elettrochimica o rivelatore infrarosso.

Il transitorio della permeazione attraverso la parete del contenitore 2, di generico spessore t, è illustrato in figura 2, che rappresenta una sezione della parete del contenitore da testare la cui superficie esterna 23 è a contatto con aria, ossia come noto una miscela di gas con ossigeno al 211 presente nella camera di prova, mentre la superficie interna è a contatto con il solo gas di trasporto e dunque con assenza {0%} di ossigeno.

Prima dì èssere introdotto nella camera di prova, il contenitore si trova immerso in aria, e quindi, nel caso teorico di coefficiente di solubilità unitario, è in condizioni di equilibrio stabile al 21% di ossigeno, indicato dalla linea 25, in tutto il suo spessore t. Altrimenti la percentuale di ossigeno dipenderà dal coefficiente di solubilità dell'ossigeno nel materiale del contenitore.

Un volta introdotto nella camera di prova, ed avviati i flussi esterno di gas o miscela permeante e di gas di trasporto all'interno, io spessore t risentirà della differenza di percentuale di ossìgeno definita dalla presenza di ossigeno al 21% sulla superficie esterna 23 e dello 0% di ossigeno sulla sua superficie interna 24. Col procedere del tempo, lo spessore t dovrà raggiungere una nuova configurazione di equilibrio. Mentre di fatto la parete esterna 23 è già in una condizione di equilibrio con l'ambiente, via via che ci sì muove verso la parete interna 24 ogni sezione longitudinale lungo detto spessore t di detta sezione dovrà cedere ossigeno per portarsi nella condizione di equilibrio imposta sulla superficie interna 24. Il fenomeno transitorio evolve nel verso della freccia 21 secondo le curve 26', 26" rappresentate in figura 1, cioè inizialmente verrà rimosso dal gas di trasporto l'ossigeno presente nelle sezioni longitudinali più interne, e poi, col tempo, anche le sezioni longitudinali più esterne. Le curve 26', 26" rappresentano questa fase transitoria con flusso variabile di ossigeno nel tempo sino a raggiungimento della condizione stabile di flusso costante, rappresentata invece dalla retta a pendenza costante 27. Solo a questo punto il sensore 9 di figura 1 misurerà in condizioni di regime un flusso di ossìgeno permeato attraverso il contenitore.

Come sopra detto, i tempi di attesa necessari per il raggiungimento di detta condizione stazionaria possono essere molto lunghi. Inoltre per contenitori piccoli, essendo piccola la quantità di ossigeno che permea, diviene difficoltosa la .misurazione richiedendo sensori molto sensibili e costosi.

Seguendo il metodo secondo l'invenzione, la camera 1 viene attraversata, esternamente al contenitore 2, da un flusso di azoto e ossigeno, con ossigeno ad una percentuale del 42%, come indicato in figura 4. Contemporaneamente tramite il condotto 8 che si immette all'interno del contenitore 2 si farà fluire azoto.

Generalmente alla, fine di detto test avviene la taratura dì zero per i motivi elencati precedentemente . Ciò avviene azionando le valvole 12 e 12' che fungono da rubinétto di apertura e chiusura. In tal maniera è possibile far confluire, al sensore 9 solo il gas di trasporto, con le eventuali impurezze di ossigeno presenti. Per eseguire la misura vera e propria detto bypass viene settato in modo tale da isolare il condotto 13 e permettere il flusso ali'interno dell'involucro 2. La figura 4 descrive un siffatto funzionamento, rappresentando una sezione del contenitore 2 avente una superficie esterna 15 a contatto con la miscela di azoto e ossigeno ed una superficie interna 16 a contatto con azoto. All'inizio della misurazione effettuata secondo l'invenzione, il sensore 9, tramite detto condotto 14 secondo detto verso di freccia B, mostrati in figura 1, rileverà un flusso di ossigeno molto elevato trasportato dal gas di trasporto, in particolare azoto, e che decrescerà rapidamente nel tempo. Tale flusso elevato è dovuto al degassamento ovvero alla rimozione dell'ossigeno originariamente presente all'interno del contenitore 2.

La figura 5 indica infatti con 22 la porzione di flusso decrescente rapidamente nei tempo secondo la presente invenzione coincidente anche con ciò che accade nello stato dell'arte. Successivamente il flusso diminuirà, ma continuerà ad esserci un transitorio con un flusso non costante nel tempo. Affinché si possa effettivamente misurare la reale permeabilità del contenitore all'ossigeno è necessario attendere un tempo in cui il flusso diviene costante.

Sempre in Figura 5 sono infatti indicati i tempi T1 e T2 necessari al raggiungimento di un flusso costante rispettivamente secondo l'invenzione e secondo lo stato dell'arte. Infatti come rappresentato in figura 4 tramite le curve di equilibrio 19, 19' e 19'', si vede come le varie sezioni del contenitore tendano al raggiungimento dell'equilibrio nel tempo. In particolare in una condizione iniziale tutta la sezione di detto contenitore conterrà una percentuale di gas al 21% come indicato dàlia lìnea orizzontale 18. Dunque, non appena detta sezione viene messa a contatto con una percentuale di ossigeno al 42% nella sua superficie esterna e allo 0% nella sua superficie interna, detta sezione tenderà a raggiungere la condizione di equilìbrio secondo dette curve 19' e 19'' nel tempo, sino alla condizione finale di equilìbrio rappresentata dalla retta 19 a pendenza costante e raggiunta dopo detto tempo T1 di figura 4. Ovvero la sezione esterna al 21% tenderà ad acquisire ossigeno per portarsi alla condizione dì equilìbrio dei 42% imposta dall'ambiente esterno della camera stagna 1, mentre la sezione interna 16 cederà ossigeno per portarsi alla condizione limite di 0% imposta all'interno dì detto contenitore. Si viene dunque a creare una asse di simmetria 17 nella sezione del contenitore 2 che si manterrà costantemente ad una percentuale di gas del 21%. Le due metà di detta sezione di spessore t/2 andranno dunque verso l'equilibrio in maniera indipendente. Ciò è dovuto al fatto che la particolare percentuale dì ossigeno al 42% imposta nella camera stagna 1 è esattamente doppia dì quella presente in tutta la sezione prima di iniziare il test. Ciò è equivalente al fatto che la differenza algebrica fra la percentuale di ossigeno costantemente mantenuta nella camera stagna 1 e quella nella detta sezione di spessore t a inizio test è uguale alla stessa differenza algebrica fra la percentuale di ossigeno presente in detta sezione all'inizio del test e quella presente all'interno dì detta bottìglia, cioè 0%, Questo fa sì da creare dunque detta simmetria rappresentata in figura 4 da detto asse 17 e fare in modo che le due parti di detta sezione vadano all'equilibrio indipendentemente e simultaneamente. Dato che il tempo necessario al raggiungimento dello stato di flusso costante rappresentato dalla curva 19, come ben noto in letteratura, dipende dal quadrato della sezione, allora essendo la sezione dimezzata, detto tempo si riduce di un quarto .

Senza alcuna limitazione lo stesso test può essere condotto con gas diversi dall'ossigeno e azoto, semplicemente facendo in modo da creare una asse di simmetria nella sezione del provino da testare tramite l'impostazione di percentuale di gas campione all'interno di detta camera stagna 1 doppia rispetto a quella presente nell'intera sezione prima dell'inizio del test.

Naturalmente la quantità di gas campione diverso dall'ossigeno presente inizialmente all'interno di detta sezione di detto contenitore deve essere noto ed imposto con una sorta di precondizionamento di detto contenitore» ad esempio ponendolo in ambiente con detto gas per un tempo predeterminato.

La figura 3 mostra una forma di realizzazione di un dispositivo che attua il metodo secondo l'invenzione, comprendente un condotto di adduzione per il gas di trasporto, in particolare azoto, sia in ingresso all'interno del contenitore 2 che in ingresso nella camera 1 ed esternamente al contenitore 2 di cui misurare la permeabilità. Il condotto di adduzione che sfocia all'interno del contenitore 2 è formato dai condotti 11 e 8, mentre, il condotto di adduzione che sfocia all'esterno del contenitore 2 è formato dai condotti 6 e 7. Tali condotti di adduzione hanno un'origine comune in modo da permettere la distribuzione tra dì essi del flusso 200 di gas di trasporto in ingresso. È previsto un condotto di adduzione 10 per un flusso di gas test, quale ossigeno, che sfocia sul condotto 7 per essere miscelato, insieme al gas di trasporto nella camera 1. E' previsto un regolatore gas-massa per ciascun condotto di adduzione, rispettivamente indicato con 5, 4 e 3.

La descrizione dì cui sopra di una forma esecutiva specifica è in grado di mostrare l'invenzione dal punt vista concettuale in modo che altri, utilizzando la tecnica nota, potranno modificare e/o adattare in varie applicazioni tale forma esecutiva specifica senza ulteriori ricerche e senza allontanarsi dal concetto inventivo, e, quindi, si intende che tali adattamenti e modifiche saranno considerabili come equivalenti della forma esecutiva esemplificata . I mezzi e i materiali per realizzare le varie funzioni descritte potranno essere di varia natura senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione . Si intende che le espressioni o la terminologia utilizzate hanno scopo puramente descrittivo e per questo non limitativo.

Claims

RIVENDICAZIONI I. Un metodo per la misurazione di permeabilità ad un gas campione attraverso un contenitore o un elemento sigillante, detto contenitore o detto elemento sigillante avendo una faccia esterna, uno spessore ed una faccia interna, in detto spessore essendo presente una determinata concentrazione iniziale di gas campione, comprendente le seguenti fasi : - esposizione della faccia esterna ad un flusso di detto gas campione miscelato ad altri gas ad una determinata e costante concentrazione; - esposizione della faccia interna ad un flusso di gas di trasporto, ad una determinata e costante concentrazione ; - contatto della faccia interna con detto gas di trasporto e misurazione del gas campione effettivamente permeato e condotto via da detto gas di trasporto; - attesa dì una condizione di regime della misura del gas effettivamente permeato, e lettura di tale misura come permeabilità del contenitore o dell' elemento sigillante al gas campione; caratterizzato dal fatto che: - detta determinata e costante concentrazione del gas campione cui è esposta detta faccia esterna è scelta in modo tale che la differenza tra la concentrazione del gas campione cui è esposta detta faccia esterna e detta concentrazione iniziale di detto gas campione in detto spessore è all'incirca uguale alla differenza tra la concentrazione iniziale di detto gas campione in detto spessore e la eventuale concentrazione di gas campione cui è esposta detta faccia interna, in cui la concentrazione iniziale di detto gas campione in detto spessore è calcolata ipotizzando un coefficiente di solubilità pari a 1.
2. Un metodo, secondo la rivendicazione 1, in cui detta faccia interna è esposta a gas di trasporto sostanzialmente puro e privo di gas campione, diverso dai gas test, detta determinata e costante concentrazione del gas campione cui è esposta detta faccia esterna essendo scelta in modo tale da essere all'incirca il doppio di detta concentrazione iniziale di detto gas campione in detto spessore.
3. Un metodo, secondo la rivendicazione 1, in cui, nel caso di misurazione di permeabilità di detti contenitori all'ossigeno la percentuale di ossigeno presente in detta camera stagna, è compreso tra il 40 e il 44%, ed in particolare è pari al 42%.
4. Un metodo, secondo la rivendicazione 3, in cui la percentuale di gas presente all'interno di tutta la sezione dell'elemento da testare nella condizione iniziale compresa tra il 20 e il 22%, ed in particolare è all'incirca il 21%.
5. Un metodo, secondo la rivendicazione 1, in cui la concentrazione del gas campione nella condizione iniziale si mantiene ad un valore costante in corrispondenza del piano mediano tra detta faccia esterna e detta faccia interna.
6. Un metodo, secondo la rivendicazione 1, in cui, nel caso di ossigeno come gas campione, il valore costante in corrispondenza del piano mediano è compresa tra il 20 e il 22%, ed in particolare è all'incirca il 21%.