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Un confronto con il PTFE
Perché i processi di diffusione sono importanti nell’imbottigliamento delle bevande?
Le bevande imbottigliate, in particolare la birra, non dovrebbero subire alcuna perdita di qualità durante il percorso verso il consumatore. Se durante il processo di imbottigliamento si introduce ossigeno, possono innescarsi reazioni chimiche che alterano la composizione e quindi il gusto, o addirittura riducono la durata di conservazione. Entrambe le cose sono indesiderate e quindi si cerca di evitarle. Finora, oltre all’EPDM e all’FKM, si usavano principalmente il PTFE e il PTFE modificato (ad es. TFM®) come materiale per guarnizioni o tubazioni flessibili (le cosiddette “tubazioni in teflon”). Soprattutto durante i fermi impianto, i gas presenti nell’atmosfera potevano diffondersi all’interno a causa della pressione osmotica e, come è stato dimostrato, aumentare, ad esempio, la concentrazione di ossigeno nelle bevande.
Perché il teflon non è a tenuta di diffusione?
Sebbene il PTFE termoplastico sia considerato più impermeabile alla diffusione rispetto agli elastomeri utilizzati, proprio questo fluoropolimero, con le sue eccezionali proprietà, presenta comunque ancora alcune carenze. Da un lato, questo dipende dal fatto che si tratta di un materiale sinterizzato a pressione con micropori che si formano durante la produzione. Dall’altro, le macromolecole non riescono ad aderire bene tra loro, il che porta a una struttura meno compatta. Infine, le forze intermolecolari (le cosiddette forze di Van der Waals) sono estremamente deboli a causa del forte legame C-F (carbonio-fluoro). Queste forze di coesione, nei termoplastici, fanno sì che le singole molecole si uniscano tra loro, bloccando così il passaggio dei gas.
Esiste un materiale simile al PTFE che sia più impermeabile alla diffusione, senza rischiare di avere svantaggi significativi?
L’UHMW-PE (ORGANOR® P1) ha una struttura quasi identica a quella del PTFE. Anche l’UHMW-PE è costituito da polimeri unidimensionali a catena molto lunga con catene principali di carbonio, le cui macromolecole non presentano reticolazione tra loro. Nell’UHMW-PE, al posto degli atomi di fluoro (F), ci sono solo atomi di idrogeno (H) che fungono da schermo sulle catene principali di carbonio. Per questo è anche privo di PFAS (sostanze alchiliche per- e polifluorurate). Le forze di van der Waals qui sono nettamente più elevate, il che porta a una struttura significativamente più densa. Questo è stato ora dimostrato nell’ambito di una tesi di laurea triennale, in collaborazione con l’Università di Scienze Applicate di Münster, da uno studente di laurea triennale, su iniziativa della bock machining gmbh.
Come si misura la densità di diffusione/permeazione dei gas?
Permeazione dei gas
«Il coefficiente di permeazione è una costante della sostanza, pertanto la sua determinazione non è vincolata a una specifica procedura di prova o a una determinata forma del campione.» [DIN 53536, ottobre 1992] Il protocollo di prova si basa sulla norma DIN 53380-2. Per ridurre la durata della misurazione e aumentare la sensibilità di rilevamento, sono state apportate alcune modifiche al metodo. Il sistema di prova è composto da due camere, separate l’una dall’altra dal provino. Una camera viene alimentata con il gas di prova, mentre quella opposta viene svuotata. Il gradiente di concentrazione che ne deriva garantisce un flusso di diffusione definito attraverso il campione in una sola direzione. Dopo una fase di assestamento specifica per il materiale, si stabilisce un flusso di diffusione stazionario. Questo flusso di diffusione costante serve come base per determinare il tasso di permeazione. La figura 1 qui sotto mostra uno schema di principio del sistema di prova.
La misurazione avviene essenzialmente attraverso l’aumento della pressione parziale nella camera di misura. Il volume evacuato dalla camera di misura viene misurato continuamente tramite spettrometria di massa, indicando così la concentrazione del gas di prova. La misurazione della permeazione viene effettuata a tre livelli di pressione: 2 bar, 4 bar e 6 bar. Pressurizzando la camera 1 e evacuando la camera 2 si ottiene una differenza di pressione rispettivamente di 3 bar, 5 bar e 7 bar. La misurazione viene effettuata a una temperatura ambiente di 23 °C.
Il gas di prova è l’elio.
Misurazione della permeazione
Nella figura 2 qui sotto è riportata la misurazione della permeazione di M4b, per spiegare la procedura e i punti di misurazione scelti. La tabella 1 che la accompagna mostra i punti di misurazione e i valori esatti.
Le misurazioni iniziano circa 10 minuti dopo che si è stabilizzata una portata costante. Il livello di pressione di 6 bar è stato mantenuto per un periodo prolungato, per determinare come varia la portata dopo un tempo di prova più lungo. Dopo un intervallo di 135,8 minuti dal punto di misurazione 3 al punto di riferimento, si riscontra una differenza del 3,9% nel tasso di perdita. Ne consegue che nei primi 10 minuti, dopo che si è stabilizzato un flusso costante di sostanza, si forma una portata volumetrica costante e il segnale di misura viene determinato al 95%.
| Tempo [min] | Perdita [mbar⋅𝑙/𝑠] | |
| Punto di misurazione 1 | 20,3 | 1,39E-04 |
| Punto di misurazione 2 | 29,4 | 2,52E-04 |
| Punto di misurazione 3 | 43,5 | 3,68E-04 |
| Punto di riferimento | 179,3 | 3,83E-04 |
È possibile ampliare l’impiego termico dell’UHMW-PE?
Nel settore dell’imbottigliamento delle bevande, negli impianti bisogna tenere conto di due livelli di temperatura: CiP (Clean in Process) fino a 95 °C. Sterilizzazione a vapore fino a 121 °C. Finora, l’UHMW-PE (ORGANOR® P1), anche in presenza di sollecitazioni meccaniche moderate, poteva essere utilizzato solo fino a circa 80 °C. Con ORGANOR® P25, bock machining gmbh ha sviluppato un UHMW-PE modificato che si adatta anche a questi impieghi ed è persino più impermeabile alla diffusione rispetto al noto PE 1000. Inoltre, le caratteristiche meccaniche, già eccezionali, sono state ulteriormente migliorate.
Vedi anche:
➥Plastiche prive di PFAS e resistenti alla deformazione termica: lo stato dell’arte
Quali componenti si possono realizzare con l’UHMW-PE modificato?
Anche ORGANOR® P25 è un materiale sinterizzato pressato che si lavora con asportazione di trucioli. Questo lo rende la scelta ideale per le applicazioni nell’industria alimentare, dove contano la sicurezza fisiologica, la resistenza alla flessione alternata e la facilità di pulizia (fino a circa 125 °C). Che si tratti di membrane, soffietti, guarnizioni statiche o tubazioni flessibili per il prodotto, tutti i componenti in PTFE realizzati con lavorazione ad asportazione di trucioli sono destinati a essere sostituiti. In questo modo non solo si ottiene una struttura 10 volte più resistente alla diffusione, ma si garantisce anche l’assenza di PFAS.
- P25 = ORGANOR® P25 = UHMW-PE modificato
- P1 = ORGANOR® P1 = UHMW-PE
- M4b = ENDUFLON® M4b = PTFE modificato
- V1 = ENDUFLON® V1 = PTFE
Teflon® è un marchio registrato di The Chemours Company.
Stefan Bock
