ITTO20130116A1 - Composizione per la regolazione dell'umidita' ambientale - Google Patents

Composizione per la regolazione dell'umidita' ambientale

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ITTO20130116A1
ITTO20130116A1 IT000116A ITTO20130116A ITTO20130116A1 IT TO20130116 A1 ITTO20130116 A1 IT TO20130116A1 IT 000116 A IT000116 A IT 000116A IT TO20130116 A ITTO20130116 A IT TO20130116A IT TO20130116 A1 ITTO20130116 A1 IT TO20130116A1
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Salvatore Davide Crapanzano
Dante Vaula
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Description

DESCRIZIONE
“COMPOSIZIONE PER LA REGOLAZIONE DELL'UMIDITA' AMBIENTALEâ€
La presente invenzione à ̈ relativa ad una composizione per la regolazione dell’umidità in ambienti chiusi, quali ad esempio imballaggi, contenitori, scatole o anche calzature.
E’ noto che la presenza di eccessiva umidità può alterare l’integrità di numerosi prodotti per via della formazione di funghi, muffe, cattivi odori o condense.
Al tempo stesso, un ambiente troppo secco à ̈ dannoso per altri materiali. In queste condizioni, ad esempio, può venire compromessa l’integrità degli strumenti musicali in legno, e vengono alterati il sapore e la fragranza di cibi o spezie.
Per ridurre l’umidità di un sistema chiuso à ̈ comune l’utilizzo di materiali disidratanti, generalmente forniti all’interno di sacchetti traspiranti. Tra i più utilizzati ci sono il gel di silice, le argille attivate e i sali igroscopici.
Tuttavia, i limiti che rendono questi materiali non idonei all’uso come regolatori di umidità sono numerosi. Innanzitutto essi catturano l’umidità (fino a loro completa saturazione) anche quando non à ̈ necessario, con il rischio di rendere troppo secco l’ambiente.
Un secondo limite à ̈ la loro scarsa o nulla capacità di rigenerazione (da intendersi come rilascio dell’umidità) una volta raggiunto il massimo assorbimento. In queste condizioni essi diventano inservibili, e per la loro riattivazione à ̈ necessario scaldarli anche oltre i 100 ï‚°C, con conseguente elevato dispendio energetico e scarsa praticità di utilizzo.
Un terzo limite di alcuni di questi materiali à ̈ la deliquescenza, fenomeno che consiste nella formazione di una soluzione acquosa in seguito all’assorbimento di umidità da parte di un sale igroscopico solido. In aggiunta, tale soluzione può contenere ioni potenzialmente corrosivi per il materiale da proteggere.
Per ovviare a questo problema sono note diverse formulazioni in cui particelle di sale igroscopico vengono miscelate a materiali addensanti. Addensanti organici come gli amidi o gli zuccheri modificati presentano però lo spiacevole inconveniente di essere un ottimo nutriente per lo sviluppo ed il proliferare di culture batteriche, soprattutto se usati in quantità considerevoli.
Un aspetto di rilevante importanza à ̈ che la maggior parte dei prodotti disidratanti sopra citati, non à ̈ utilizzabile a diretto contatto con gli alimenti. Una soluzione a questo problema può essere l’uso di idonee membrane protettive che contengano il materiale disidratante. In tal caso, però, la velocità di assorbimento dell’umidità viene inevitabilmente ridotta, e al tempo stesso aumenta il costo finale del prodotto.
Oltre a quanto descritto finora, per alzare l’umidità in un sistema secco vengono solitamente usati degli umidificatori, i quali rilasciano umidità in modo costante e fino a loro completo esaurimento. Come descritto per i disidratanti, anche in questo caso il processo non à ̈ controllabile, con il rischio di passare da un ambiente troppo secco ad uno troppo umido.
Lo scopo della presente invenzione à ̈ pertanto quello di fornire un nuovo materiale regolatore di umidità che abbia elevata capacità di trattenere o rilasciare umidità in base alle necessità di utilizzo, ch non presenti fenomeni di deliquescenza in tutte le condizioni di lavoro, che abbia rapida capacità di rigenerazione, altamente ecosostenibile, e che sia utilizzabile a contatto diretto con alimenti.
Tale scopo à ̈ raggiunto dalla presente invenzione, in quanto relativa ad un materiale regolatore di umidità secondo la rivendicazione 1 ed ad un metodo per la sua preparazione secondo la rivendicazione 4.
La presente invenzione verrà nel seguito descritta in modo dettagliato con riferimento alle figure dei disegni annessi, in cui:
- la Figura 1 illustra i risultati del test condotto nell’esempio 3;
- la Figura 2 illustra i risultati del test condotto nell’esempio 4;
- la Figura 3 illustra i risultati del test condotto nell’esempio 6;
- la Figura 4 illustra i risultati del test condotto nell’esempio 7;
Secondo un primo aspetto dell’invenzione, viene fornita una composizione per la regolazione dell’umidità in forma di gel comprendente cloruro di magnesio, una cellulosa selezionata tra idrossipropilmetilcellulosa e metilidrossietilcellulosa e acqua, in cui il rapporto tra la quantità del cloruro di magnesio e la cellulosa à ̈ compreso tra 0,1 e 16, preferibilmente tra 0,5 e 4, più preferibilmente uguale ad 1.
La composizione così ottenuta si presenta in forma di gel ed à ̈ in grado di assorbire umidità fino ad oltre il 250% in peso in condizioni di estrema umidità relativa.
Vantaggiosamente, la selezione dello specifico sale e dello specifico gelificante utilizzati nella composizione sopra riportata, consente di ottenere un regolatore di umidità che non presenta la deliquescenza tipica dei cloruri e non modifica il proprio aspetto prima e dopo l’assorbimento con enormi vantaggi dal punto di vista applicativo. Essa inoltre à ̈ costituita esclusivamente da componenti approvati dall’FDA in campo alimentare, essendo il cloruro di magnesio largamente utilizzato come integratore alimentare e le cellulose applicate sovente nell’ industria farmaceutica come rivestimenti di pillole e capsule. Pertanto la composizione può essere utilizzata a contatto diretto con gli alimenti o come rivestimento di involucri ad uso alimentare.
Preferibilmente la composizione può essere utilizzata tale e quale o in alternativa può essere utilizzata all’interno di un involucro, ad esempio un contenitore o un sacchetto, permeabile all’umidità.
In accordo ad un secondo aspetto dell’invenzione viene inoltre fornito un metodo per la preparazione della composizione sopra descritta.
Nell’arte à ̈ noto preparare composizioni comprendenti Sali igroscopici e cellulosa, come illustrato ad esempio in US 7326363 e US 7927655.
Il primo prevede l’aggiunta di piccole quantità di cellulosa ad una soluzione di cloruro di calcio preparata in precedenza (metodo in soluzione). Come evidenziato nel brevetto, tale metodo mostra gli svantaggi di produrre un campione altamente disomogeneo, con presenza di grumi, che rendono necessari vari accorgimenti nel processo produttivo (dosaggi di cellulosa minimi e graduali, nebulizzazione della soluzione, etc.). Di conseguenza, tale metodo risulta meno efficace, più costoso ed energeticamente svantaggioso rispetto al metodo di sintesi proposto brevetto dalla presente invenzione.
Per ovviare all’ inconveniente della disomogeneità del campione in fase di sintesi, l’arte nota propone un secondo metodo a secco illustrato in US 7927655. Tale metodo prevede la miscelazione dei due componenti solidi i quali vengono successivamente condizionati in camera climatica. Tale condizionamento prevede due fasi distinte: la prima ad elevata umidità, ad esempio UR = 90%, e la seconda a bassa umidità e alta temperatura, allungando così in maniera determinante (circa il doppio) i tempi di sintesi.
Il metodo dell’invenzione permette invece di ovviare agli svantaggi sopra descritti.
La prima fase consiste nella preparazione di una soluzione ottenuta disciogliendo in acqua il cloruro di magnesio. La soluzione così ottenuta viene scaldata ad una temperatura superiore ai 50°C, preferibilmente 70 °C. Dopo il riscaldamento, viene aggiunta sotto agitazione la cellulosa in polvere. La soluzione così ottenuta viene poi rapidamente raffreddata a temperature inferiori ai 10°C preferibilmente inferiori ai 5°C. Il gel ottenuto viene poi condizionato in camera climatica alle condizioni desiderate in base all’applicazione finale.
Vantaggiosamente, a differenza dei metodi fino ad ora utilizzati, riscaldando la soluzione ad elevate temperature prima dell’aggiunta del gelificante, si può ottenere una composizione estremamente omogenea e lavorabile che non presenta deliquescenza. Inoltre tale metodo di preparazione risulta essere molto più economico e rapido rispetto ai metodi di preparazione a secco noti nell’arte.
Il disidratante così ottenuto può essere utilizzato in numerose applicazioni per la regolazione dell’umidità in un ambiente, all’interno di imballaggi, contenitori, scatole o anche calzature.
Vantaggiosamente, alla composizione dell’invenzione possono essere aggiunti ulteriori additivi, quali ad esempio fragranze e sostanze antibatteriche, in relazione all’uso desiderato.
Ulteriori caratteristiche della presente invenzione risulteranno dalla descrizione che segue di alcuni esempi meramente illustrativi e non limitativi.
Esempio 1
Preparazione della composizione
Diversi campioni della composizione sono stati preparati come di seguito descritto.
Una quantità nota di sale viene sciolta in 10 ml di acqua demineralizzata. La soluzione ottenuta viene successivamente scaldata in bagno d’acqua ad una temperatura di circa 70 °C. Si aggiunge, agitando con una bacchetta, 1 g di idrossipropilmetilcellulosa (HPMC) in polvere e la miscela così ottenuta viene raffreddata rapidamente in un bagno di ghiaccio alla temperatura di 5 °C per far avvenire rapidamente la gelificazione.
La tabella 1 sotto riportata illustra le quantità utilizzate per la preparazione dei campioni prima del condizionamento.
Tabella 1
Campione Acqua (g) MgCl2(g) HPMC (g) MgCl2/ Gel
C0.1 10,0 0,1 1,0 0,1
C0.5 10,0 0,5 1,0 0,5
C1 10,0 1,0 1,0 1
C2 10,0 2,0 1,0 2
C4 10,0 4,0 1,0 4
C8 10,0 8,0 1,0 8
C16 10,0 16,0 1,0 16 I campioni così ottenuti vengono condizionati in atmosfere controllate per conferire loro le caratteristiche necessarie allo specifico utilizzo.
Nel caso in cui tale regolatore debba proteggere un materiale da condizioni di elevata umidità, ed evitare, ad esempio, formazione di funghi, muffe, cattivi odori o condense, i parametri di condizionamento potranno essere una temperatura di 23 °C e un’umidità relativa del 40%.
Dopo tale condizionamento i campioni riportano le composizioni elencate in tabella 2.
Tabella 2
Campione Acqua (%) MgCl2(%) Addensante MgCl2/ (%) Gel C0.1-bassa 34 6 60 0,1 C0.5-bassa 40 20 40 0,5
C1-bassa 54 23 23 1
C2-bassa 58 28 14 2
C4-bassa 61 31 8 4
C8-bassa 64 32 4 8
C16-bassa 66 32 2 16 Viceversa, nel caso in cui tale regolatore debba preservare condizioni di elevata umidità, come ad esempio nelle spedizioni e conservazione di tabacco, i parametri di condizionamento potranno essere una temperatura di 30 °C e un’umidità relativa del 90%. Dopo tale condizionamento i campioni riportano le composizioni elencate in tabella 3. Tabella 3
Campione Acqua (%) MgCl2(%) Addensante MgCl2/ (%) Gel C0.1-alta 64 3 33 0,1 C0.5-alta 76 8 16 0,5
C1-alta 82 9 9 1
C2-alta 85 10 5 2
C4-alta 87 10 3 4
C8-alta 87.8 10.8 1.4 8
C16-alta 88.4 10.9 0.7 16
I suffissi “bassa†e “alta†in tabella 2 e 3 identificano la quantità di acqua contenuta nei campioni, dovuta ai due differenti condizionamenti, dettati dalle specifiche applicazioni.
Esempio 2
Test di massimo assorbimento
I campioni di tabella 2 sono stati analizzati in relazione alla loro capacità massima di assorbimento quando sottoposti a condizioni di elevata umidità. Il test à ̈ stato effettuato ponendo i campioni in camera climatica a 40°C e con un valore di umidità relativa pari al 75%. I risultati ottenuti sono mostrati in tabella 4.
Tabella 4
Campione Assorbimento(%)
C0.1-bassa20
C0.5-bassa39
C1-bassa47
C2-bassa52
C4-bassa55
C8-bassa57
C16-bassa58
Dai risultati ottenuti si nota come la quantità di vapor d’acqua assorbito aumenti con l’aumentare della quantità di cloruro di magnesio.
L’aumento del dato di assorbimento non à ̈ linearmente proporzionale all’aumento della quantità di cloruro di magnesio, in quanto quest’ultima determina un aumento della quantità di acqua di gelificazione nel sistema di partenza.
Esempio 3
Test ciclico in condizioni blande per simulare un’applicazione che preveda un tempo di utilizzo inferiore a quello di rigenerazione
Il campione C0.5-bassa della tabella 2 à ̈ stato analizzato in relazione alla sua capacità di assorbire l’umidità in condizioni blande e di rigenerarsi a condizioni atmosferiche. Il test à ̈ stato effettuato ponendo il campione in camera climatica a 40°C e con un valore di umidità relativa pari al 75% per 8 ore, per poi consentirne la rigenerazione all’aria per 16 ore. Queste condizioni sono state scelte per simulare una condizione di utilizzo relativamente breve (8 ore) come disidratante, e una fase di rigenerazione più lunga (16 ore).
Tale test à ̈ stato effettuato in maniera ciclica (5 cicli) per valutare la ripetibilità e la continuità di utilizzo del sistema. I risultati ottenuti sono mostrati in Figura 1.
Come si vede in figura 1, il sistema à ̈ in grado di assorbire il 40% di umidità durante le fasi di disidratazione dell’ambiente (8h ciascuna). Tale valore à ̈ pari alla quantità massima di umidità assorbita possibile (vedi tabella 1) denotando un’ottima velocità di risposta del sistema alle condizioni ambientali.
Ciò si tramuta, durante la fase di utilizzo, in un rapido condizionamento dell’ambiente grazie al trovato secondo l’invenzione.
In fase di rigenerazione, il sistema à ̈ in grado di tornare alla condizione di partenza (rigenerazione completa) a seguito di 16 ore a condizioni ambientali. Si nota altresì come il sistema abbia un comportamento di assorbimento e rigenerazione identico ad ogni ciclo di analisi, evidenziando un’estrema reversibilità.
Esempio 4
Test ciclico in condizioni stringenti per simulare un’ applicazione che preveda un tempo di utilizzo superiore a quello di rigenerazione
Il campione C0.5-bassa presentato in tabella 2 à ̈ stato analizzato in relazione alla sua capacità di assorbire l’umidità in condizioni di stress e di rigenerarsi a condizioni atmosferiche. Il test à ̈ stato effettuato ponendo il campione in camera climatica a 40°C e con un valore di umidità relativa pari al 75% per 16 ore e poi consentendo la rigenerazione all’aria per 8 ore. Contrariamente a quanto osservato nell’esempio precedente, queste condizioni sono state scelte per simulare una condizione di utilizzo relativamente lunga (16 ore), e una fase di rigenerazione più corta (8 ore).
Anche in questo caso, il test à ̈ stato effettuato in maniera ciclica (5 cicli) per valutare la ripetibilità e la continuità di utilizzo del sistema.
I risultati ottenuti sono mostrati in Figura 2.
Anche in questo caso, come si osserva in figura 2, il sistema à ̈ in grado di assorbire circa il 40% di umidità durante il primo ciclo. Come già osservato in precedenza, tale valore à ̈ pari alla quantità massima di umidità assorbita possibile (vedi tabella 1).
Il sistema à ̈ in grado di tornare alla condizione di partenza (rigenerazione completa) anche a seguito di una breve rigenerazione (8 ore). Tale dato evidenzia come il sistema à ̈ in grado di rigenerarsi in un breve lasso di tempo, rendendo così ottimale il suo utilizzo.
In figura 2 si nota come il sistema abbia un comportamento di assorbimento e rigenerazione identico ad ogni ciclo di analisi, evidenziando un’ottima reversibilità.
In generale, dagli esempi illustrati, si conclude che tale sistema può essere utilizzato per svariate volte senza alterare le proprie caratteristiche a prescindere dalle condizioni di utilizzo, blande o stringenti che siano.
Esempio 5
Test di massimo desorbimento
I campioni presentati in tabella 3 sono stati analizzati in relazione alla loro capacità massima di rilascio di umidità quando sottoposti ad un ambiente secco. Il test à ̈ stato effettuato ponendo i campioni in camera climatica a 23°C e con un valore di umidità relativa pari al 40%. I risultati ottenuti sono mostrati in tabella 4.
Tabella 4
Campione Desorbimento (%)
C0.1-alta45
C0.5-alta59
C1-alta61
C2-alta64
C4-alta65
C8-alta66
C16-alta66
Anche in questo caso la quantità di vapor d’acqua desorbito aumenta con l’aumentare della quantità di cloruro di magnesio. L’aumento del dato di desorbimento non à ̈ linearmente proporzionale all’aumento della quantità di cloruro di magnesio.
Esempio 6
Test ciclico in condizioni blande per simulare un’ applicazione che preveda un tempo di utilizzo inferiore a quello di rigenerazione
Il campione C0.5-alta in tabella 3 à ̈ stato analizzato in relazione alla sua capacità di rilasciare umidità in condizioni di utilizzo blande e di rigenerarsi ad umidità relativa elevata. Il test à ̈ stato effettuato ponendo il campione in camera climatica a 23°C e con un valore di umidità relativa pari al 40% per 8 ore e poi consentendo la rigenerazione per 16 ore (T = 30 °C, UR = 90%). I risultati ottenuti sono mostrati in Figura 3.
Contrariamente a quanto discusso negli esempi 3 e 4, in questo caso il sistema viene utilizzato come umidificatore e, di conseguenza, in fase di utilizzo denota una perdita di peso (e non un aumento) dovuto al rilascio di umidità nell’ambiente secco.
In generale si nota che durante l’utilizzo ciclico del campione (5 cicli) esso à ̈ in grado di scambiare umidità con l’ambiente per un valore pari al 36% del proprio peso. In aggiunta, durante il primo ciclo di utilizzo, il campione mostra una capacità di umidificazione ancora maggiore rispetto al valore di equilibrio (36%), attestandosi su un valore prossimo al 50%.
Come già evidenziato nei precedenti test ciclici, anche in questo caso il sistema mantiene inalterate le proprie caratteristiche nel tempo.
Esempio 7
Test ciclico in condizioni stringenti per simulare un’ applicazione che preveda un tempo di utilizzo superiore a quello di rigenerazione
Lo stesso campione C0.5-alta dell’esempio precedente à ̈ stato analizzato in relazione alla capacità di rilasciare l’umidità in condizioni di stress e di rigenerarsi ad umidità relativa elevata. Il test à ̈ stato effettuato ponendo il campione in camera climatica a 23°C e con un valore di umidità relativa pari al 40% per 16 ore e poi consentendo la rigenerazione per 8 ore (T = 30 °C, UR = 90%). I risultati ottenuti sono mostrati in Figura 4.
In questo caso, dove le condizioni stringenti prevedono una breve rigenerazione ed un lungo utilizzo, il campione mostra comunque una riguardevole capacità di deumidificazione. Il campione infatti in grado di scambiare umidità con l’ambiente per un valore pari al 28% in peso.
Anche in questo caso, durante il primo ciclo di utilizzo, il campione mostra una capacità di umidificazione ancora maggiore rispetto al valore di equilibrio (28%), attestandosi su un valore prossimo al 57%.
Come già evidenziato nei precedenti test ciclici, anche in questo caso il sistema mantiene inalterate le proprie caratteristiche nel tempo, a prescindere dalle condizioni di utilizzo, blande o stringenti che siano.

Claims (1)

  1. RIVENDICAZIONI 1.- Composizione per la regolazione dell’umidità in forma di gel comprendente cloruro di magnesio, una cellulosa selezionata tra idrossipropilmetilcellulosa e metilidrossietil-cellulosa e acqua, caratterizzata dal fatto che il rapporto tra la quantità del cloruro di magnesio e la cellulosa à ̈ compreso tra 0,1 e 16. 2.- Composizione secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che il rapporto tra la quantità del cloruro di magnesio e la cellulosa à ̈ compreso tra 0,5 e 4. 3.- Composizione secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che il rapporto tra la quantità del cloruro di magnesio e la cellulosa à ̈ 1 4.- Metodo per la preparazione di una composizione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi: a) disciogliere il cloruro di magnesio in acqua per ottenere una soluzione, b) scaldare detta soluzione ad una temperatura maggiore di 50°C; c) aggiungere a detta soluzione una cellulosa selezionata tra idrossipropilmetilcellulosa e metilidrossietilcellulosa, d) raffreddare velocemente a temperature inferiori a 10°C, e) condizionare in camera climatica. 5.- Metodo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detta fase b) à ̈ condotta ad una temperatura di 70 °C. 6.- Metodo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detta fase d) à ̈ condotta ad una temperatura inferiore a 5°C. 7.- Uso della composizione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3 per la regolazione dell’umidità in un ambiente.
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