Устройство для регулирования относительной влажности - RU2401451C2

Описание

Область изобретения

Данное изобретение относится к регулированию влажности и, более конкретно, к средствам для регулирования влажности, которые могут быть использованы в конкретной среде для поддержания влажности на желательном уровне.

Уровень техники

Традиционно гигроскопичные соединения, обычно соли, используют для уменьшения относительной влажности в замкнутом пространстве. Хорошо известно, что различные соединения имеют изменяющееся сродство к влаге. Например, каждое гигроскопичное соединение имеет характерную способность поглощения влаги и характеристическую равновесную относительную влажность (ERH), когда гидратировано.

Десикканты можно рассматривать как регуляторы влажности по той причине, что они используются для полного (или почти полного) удаления всего водяного пара из воздуха в замкнутой системе. Эффективный десиккант в эффективном количестве будет поглощать водяной пар из воздуха в упаковке, снижая равновесную относительную влажность (ERH) до момента, когда конденсация не будет больше происходить, или до момента, когда пороговая ERH внутри герметичной упаковки или системы никогда не превышается в условиях, воздействию которых будет подвергаться упаковка или система. Большее количество эффективного десикканта будет уменьшать количество водяного пара в замкнутой системе значительно ниже точки росы, когда относительная влажность системы сопоставима с ERH десикканта при текущей степени его гидратации.

Однако есть области применения (пищевая, фармацевтическая, аналитическая, медицинская диагностика), где десиккант не наилучшая альтернатива. В таких случаях ERH продукта необходимо поддерживать, скорее, на некотором конкретном промежуточном уровне, чем близкой к нулю. Широко распространенный и экономичный способ регулирования влажности во влажных средах предусматривает применение соединений-увлажнителей. Неорганические соли являются наиболее эффективными и наиболее часто используемыми, хотя многие гигроскопичные или гидратируемые соединения могут быть использованы в соответствующей системе. Эти соединения имеют сродство к воде, которое регулирует давление водяного пара в атмосфере внутри замкнутого сосуда или камеры. В сущности, такие соединения будут поглощать влагу, пока они полностью не перейдут в раствор. Когда это случается, смесь твердой соли и раствора соли будет сосуществовать. Этот раствор будет насыщенным и будет иметь характеристику ERH конкретной используемой соли или соединения.

Специфический увлажнитель в таких случаях выбирают на основе желательной равновесной относительной влажности (ERH). Соль, такая как хлорид лития, может быть единственной в природе. Смесь двух солей также может быть использована. В качестве примера, раствор карбоната калия имеет относительную влажность около 43%. Поэтому раствор карбоната калия с избытком нерастворенных кристаллов карбоната калия будет поддерживать постоянную относительную влажность приблизительно 43%. Если относительная влажность начинает расти выше 43%, раствор соли будет принимать влагу из среды, снижая таким образом относительную влажность ближе к 43%. Наоборот, если относительная влажность начинает падать ниже 43%, раствор будет высвобождать влагу, пока окружающая среда не достигнет приблизительно 43%. Величины ERH для различных насыщенных водных растворов солей могут изменяться от 11% до 98%.

Другие изобретения, относящиеся к средству для регулирования влажности, описывают вязкий раствор, содержащийся внутри тканого или нетканого полимерного мешочка. Вязкий раствор в таких случаях включает воду, соль и может иметь загущающий материал (такой как альгинат или ксантановая камедь). На практике эти солевые растворы создают трудности при обращении с ними, потому что они являются жидкостями, которые могут проливаться или просачиваться через упаковку или из сосуда, содержащего их. Даже стабилизированный солевой раствор может выделять влагу или течь за счет капиллярных сил из упаковки, которая должна по необходимости быть пористой для водяного пара для того, чтобы функционировать. Эта проблема усложняется тем, что тенденция выделять влагу становится больше, когда увлажнитель притягивает влагу из своего окружения и становится более жидким. С жидкостью, даже с загущенной жидкостью, утечка может происходить через упаковку, если степень влагопроницаемости пленки или мешочка слишком велика или если поверхностная энергия или "смачиваемость" слишком высока. Это явно не способствует желательной цели защиты продукта.

Сущность изобретения

Данное изобретение относится к средству для регулирования относительной влажности, заключенному в оболочку или определенную среду. Изобретение включает отвержденный состав увлажнителя, содержащий соль-увлажнитель, воду и носитель. Предпочтительный вариант воплощения имеет состав в форме таблетки, который может включать применение связующего, которое может быть отличающимся от носителя. Предпочтительное воплощение формы таблетки - это таблетка, покрытая для долговечности. Соответствующие покрытия могли бы включать полиэтилен или другие термопластичные смолы, политетрафторэтилен, поливинилпирролидон и простые эфиры целлюлозы.

Данное изобретение относится также к средству для регулирования относительной влажности в замкнутом пространстве или в упаковке продукта, содержащему проницаемый для водяного пара контейнер с находящимся внутри контейнера стабилизатором или отвержденным составом увлажнителя. Отвержденный состав увлажнителя содержит соль-увлажнитель, воду и носитель. Предпочтительные материалы контейнера включают термоформованный нетканый материал, саше, проницаемую для водяного пара коробку или пластмассовый корпус, который может быть уплотнен за исключением "дыхательного" отверстия или закрыт воздухопроницаемой пленкой или мембраной. В предпочтительном варианте воплощения саше состоит из микроперфорированного материала сложный полиэфир/бумага/полиэтилен. Предпочтительные соли-увлажнители включают CaCl₂, LiCl₂, K₂CO₃, NaCl, K₂SO₄ и их комбинации. Предпочтительный вариант воплощения данного изобретения включает применение антимикробного агента в контейнере.

Предпочтительные варианты воплощения выше могли бы также включать специфические дополнительные элементы к составу, которые могли бы делать средство многофункциональным. Примером этого могло бы быть включение активированного угля для ограничения летучих примесей и/или поглотителя кислорода.

Подробное описание изобретения

Данное изобретение относится к увлажнителю обычно в твердой форме, чтобы исключить возможность утечки, потери или просачивания увлажнителя и происходящего в результате повреждения продукта или материалов, которые увлажнитель должен защищать. Данное изобретение относится к стабильному материалу в твердой форме, свободно стоящему в проницаемом для паров контейнере, для регулирования относительной влажности в замкнутой системе так, что продукт или материалы, находящиеся внутри упаковки, защищены и не разлагаются, не денатурируются или не загрязняются каким-либо образом.

Это осуществляется стабилизацией или отверждением насыщенного увлажнителя, давая упакованное средство для регулирования влажности, которое не будет пропускать воду, раствор или сам увлажнитель. Применение твердого соединения-увлажнителя поддерживает в замкнутом пространстве желательную влажность и ниже точки росы тоже, предотвращая возможность конденсации.

Другим аспектом данного изобретения является обеспечение дополнительной функциональности находящейся в твердом состоянии системе регулирования влажности. В качестве примера, соль основного характера может функционировать в качестве увлажнителя и также служить для нейтрализации летучих кислот, которые могут присутствовать внутри упаковки или которые могут выделяться из продукта внутри упаковки. Следует принимать во внимание, что соли могут одновременно выполнять функцию регулирования влаги внутри системы и служить буфером системы или обеспечивать восстановление среды, в которой кислород улавливается из замкнутой системы.

В типичном варианте воплощения данного изобретения отвержденная форма, содержащая соль-увлажнитель, может также включать антимикробный консервант, который будет ограничивать рост микроорганизмов внутри упаковки увлажнителя. Кроме того, выбирая антимикробный агент, который имеет некоторую летучесть и совместим с контейнером, сосудом, камерой или упаковкой и их содержимым, можно защитить всю замкнутую систему от микробиологической деградации.

Соединение-увлажнитель или солевой раствор по данному изобретению предпочтительно получают при заданной температуре раствора путем медленного добавления дистиллированной воды к конкретной соли при постоянном перемешивании. Раствор визуально должен быть подобен талому снегу, что отражает наличие избыточных нерастворенных кристаллов соли. Осторожное приготовление солевого раствора необходимо, так как это диктует точное достижение ожидаемого и желательного уровня влажности.

В качестве варианта истинный раствор может быть приготовлен и отвержден или он может быть введен в твердую фазу носителя и затем частично высушен до точки пересыщения, при которой избыточная соль предположительно может осаждаться, оставляя насыщенный раствор с избыточной солью. Отношение избыточной соли к насыщенному раствору будет определять количество влаги, которое может быть поглощено или высвобождено внутри данной системы в ее функциональном диапазоне влажности. Когда предполагается, что обслуживаемая среда будет находиться при более высокой влажности, чем ERH увлажнителя, может быть желательно полностью высушить импрегнированный или отвержденный увлажнитель, чтобы довести до максимума его поглотительную способность.

Предпочтительный вариант воплощения данного изобретения включает антимикробный агент внутри контейнера. Предпочтительно, антимикробный агент добавляют к раствору соли-увлажнителя. Это является предпочтительным вариантом воплощения, потому что рост микробов, в большинстве случаев плесень, может быть фактором, вносящим свой вклад в деградацию многих влажных упакованных продуктов.

Как отмечалось выше, соли-увлажнители по данному изобретению представлены в виде насыщенных растворов. Раствор затем отверждают (стабилизируют) добавлением его к несущей среде. Носителем может быть целлюлоза, силикагель, глина, углерод, углеводный или белковый гелеобразующий агент, гидроколлоид типа каррагинана или альгината, камедь, такая как коньяк, гидрофильный полимер, такой как акрилат или поливиниловый спирт, или любой другой материал, который может стабилизировать, отверждать, инкапсулировать или адсорбировать увлажнитель в твердом состоянии. Этот увлажнитель в твердой форме может быть затем помещен в подходящий контейнер в соответствии с изобретением и использован в упаковке без опасности для содержимого упаковки.

В предпочтительном варианте воплощения данного изобретения упакованный отвержденный гидроколлоидом увлажнитель заключают в нетканую оболочку, эту комбинацию помещают в замкнутое пространство, содержащее чувствительный к влаге аналитический реагент. Предпочтительной единственной солью является сульфат калия, так как раствор сульфата калия может обеспечить ERH приблизительно 98% (при температурах ниже 20°С). В этом случае увлажнитель служит в качестве источника влаги, поддерживая в то же время неконденсирующуюся атмосферу внутри герметичной камеры. Упаковка смеси вода/акрилат в войлок может подобным образом обеспечить постоянный источник влаги. Однако в последнем случае нет соли, чтобы поддерживать относительную влажность ниже точки росы содержимого упаковки, и, следовательно, вероятна конденсация при изменении температуры.

Как отмечалось выше, отвержденный увлажнитель может быть заключен в проницаемый для паров контейнер, созданный так, чтобы быть совместимым с запечатанной упаковкой системы, для которой желательно регулирование влажности. Межфазная граница контейнера должна обеспечивать возможность для достаточной влагопроницаемости между отвержденным увлажнителем и продуктом и его окружением внутри упаковки, в то же время надежно удерживая отвержденный увлажнитель. Типичные контейнеры могут принимать форму термоформованного нетканого материала, коробки или перфорированного жесткого или полужесткого сосуда или саше, изготовленного с микроперфорированной структурой сложный полиэфир/бумага/полиэтилен, или тканого или нетканого материала.

В альтернативном предпочтительном воплощении данного изобретения отвержденный увлажнитель может быть сформован в таблетку с помощью связующего. Связующее могло бы быть отдельным элементом в дополнение к указанному выше носителю. Например, носителем мог бы быть силикагель, а связующим могло бы быть любое из известных связующих, таких как поливинилпирролидон, смола на основе простого эфира целлюлозы, термопластичный полимер или воск. В качестве варианта связующее могло бы служить также в качестве носителя, если представлено в адекватных количествах для стабилизации и отверждения соли-увлажнителя.

Таблетированный увлажнитель может быть использован как есть, без дополнительной упаковки, или может быть удерживаемым. Он может быть удерживаемым, как отмечалось выше, или может быть покрытым проницаемым для паров покрытием для дополнительной долговечности (по сравнению с непосредственным использованием таблетированного увлажнителя). В том случае когда покрытие желательно, таблетка может быть покрыта подходящим проницаемым для водяного пара покрытием. Подходящие такие покрытия могли бы включать порошкообразные полимеры, такие как полиэтилен или политетрафторэтилен, наносимые в сухом состоянии или в суспензии с последующим термоотверждением. В качестве варианта таблетированный увлажнитель мог бы быть покрыт смолой, такой как поливинилпирролидон или простой эфир целлюлозы, опять с последующей стадией сушки и отверждения.

Таблетированный увлажнитель может быть создан только для регулирования влажности, или он может быть создан многофункциональным, таким как адсорбирующая летучую кислоту таблетка из примера 6 ниже, которая содержит и активированный углерод и силикагель в дополнение к соли-увлажнителю. Например, если соль присутствует с силикагелем и активированным углем, все внутри связующего, соль-увлажнитель может нейтрализовать кислоту, пагубно присутствующую в среде, которая могла бы быть тогда адсорбирована активированным углем.

Другой пример показан в примере 7, который поясняет вариант воплощения, который содержит один углерод для адсорбции углеводорода или других летучих органических соединений (VOC) с солью-увлажнителем для регулирования влажности.

Эта многофункциональность могла бы быть дополнительно достигнута введением поглотителя кислорода, удерживаемого внутри отвержденного состава. В таком случае комбинация увлажнитель/вода/носитель/связующее могла бы включать железо, или аскорбиновую кислоту, или другое восстанавливающее соединение. Такие подборы ингредиентов могут быть сделаны специалистом в этой области с помощью данного раскрытия без особого усилия.

ПРИМЕРЫ

Пример 1

Отвержденный состав увлажнителя получают добавлением 100 г дистиллированной воды к 20 г сульфата калия при постоянном перемешивании. Смесь объединяют с 15 г каррагинана. Полученная смесь имеет ERH 98%.

Пример 2

Отвержденный состав увлажнителя получают добавлением 0,1 г антимикробного средства ProClin 300 к 100 г дистиллированной воды (ProClin - зарегистрированный товарный знак Rohm and Haas Company для консервантов, используемых в производстве биологических, химических, диагностических и лабораторных реагентов). Затем этот раствор вводят в 20 г сульфата калия при постоянном перемешивании. Эту смесь объединяют с 15 г каррагинана. Полученная смесь имеет ERH 98%. Смесь превращается в результате в твердый гель, который обертывают и запаивают в полиэфирный войлок. Полученное средство может быть деформировано при сжатии рукой, но не дает утечки при любых ручных манипуляциях.

Пример 3

Гранулы отвержденного увлажнителя получают вначале добавлением 0,4 г пропионата натрия к 50 г дистиллированной воды. Затем этот раствор вводят в 58 г карбоната калия при постоянном перемешивании. Эту смесь затем объединяют с силикагелем с широкими порами в соотношении 75:25 (массовый процент геля: массовый процент раствора). Полученный гранулированный твердый увлажнитель упаковывают в нетканое саше из HDPE. Полученная смесь имеет ERH приблизительно 44%.

Этот полученный увлажнитель поглощает 25% от своей массы влаги во влажной среде и будет поставлять 10% от своей массы влаги в сухую среду. В указанных пределах относительная влажность в замкнутом пространстве остается близкой к 44%.

Пример 4

Гранулы отвержденного увлажнителя получают раздельным добавлением 1 части 50% (мас./мас.) раствора CaCl₂ и 1 части 50% (мас./мас.) раствора K₂CO₃ к двум частям по массе силикагеля (сорта U.S.P.). Растворы полностью адсорбируются в течение 24 часов, и затем их сушат до влажности около 2%. Законченный высушенный гранулированный увлажнитель упаковывают в запаянное нетканое саше.

Найдено, что этот полученный увлажнитель имеет ERH 18,1%, влагопоглотительную способность 5,5% при r.h. 29% и способность поглощать кислоту по меньшей мере 0,5 мэкв/г.

Этот продукт эффективен для защиты и поддерживания активным хемилюминесцентного медицинского диагностического устройства в течение продолжительного периода хранения 12 месяцев.

Пример 5

Насыщенным раствором NaCl пропитывают равную массу силикагеля с широкими порами. Добавляют твердую аскорбиновую кислоту и аскорбат натрия, каждого по 1/3 массы отвержденного увлажнителя. Порошок железа в количестве, равном суммарному количеству увлажнителя и твердой кислоты и соли, затем добавляют и объединенную гранулированную и порошкообразную смесь упаковывают в микроперфорированное саше.

ERH отвержденного увлажнителя 56%. Эту относительную влажность поддерживают, пока кислород удаляют из фармацевтической упаковки. Полученная в результате атмосфера обеспечивает продолжительную стабильность активной фармацевтической таблетки.

Пример 6

Раствор карбоната калия добавляют к гранулированному активированному углероду, смешанному с гранулированным силикагелем, так, чтобы было 2,5% карбоната калия в расчете на сухое вещество. Связующую смолу поливинилпирролидона добавляют и после этого смесь частично сушат до оптимальной точки около 16% влаги, смесь прессуют в форме таблетки. Таблетку отверждают под действием тепла и позволяют ей повторно гидратироваться до ERH около 25%. Таблетка, не имеющая покрытия или какой-либо другой оболочки, внутри замкнутого корпуса имеет способность поглощать влагу, поддерживая ERH внутри корпуса ниже 44%. Таблетка также абсорбирует и нейтрализует летучие кислоты, защищая тем самым тонкий электронный компонент, также находящийся в корпусе. В этом примере на таблетку не наносят никакого покрытия.

Пример 7

Таблетку изготавливают с углеродом, пропитанным раствором LiCl₂, и затем сушат, чтобы улучшить поглощение влаги и достижение низкой влажности. Таблетка должна быть прочной, так что используют связующее РЕ, которое придает хорошую прочность.

Стадии изготовления этой таблетки.

1. Смешать 142,6 г LiCl₂ с 440 г Н₂О и перемешивать в течение 1 ч.

2. Добавить 1960 г сухого углерода низкой активности и 490 г углерода высокой активности в смеситель "V".

3. Пропитать углерод раствором соли в смесителе "V" в течение 4 минут.

4. Сушить углерод в печи в течение 16 ч при 110°С.

5. Поместить углерод в смеситель "V" и добавить 457,5 г РЕ и перемешивать 4 минуты.

6. Переработать на таблетировочном прессе и отвердить части при 110°С в течение 1 ч.

7. Рецептура таблетки:

Углерод низкой активности = 64,2%;

Углерод высокой активности = 16,1%;

Соль LiCl₂ = 4,7% (5,5% на углероде);

Связующее РЕ = 15,0%.

Результаты

Таблетку испытывали во влажной камере при RH 90% и 29°С на емкость. Таблетка принимала 40% Н₂О на основе общей массы таблетки и обнаруживала привес 47% на основе массы углерода.

Хотя изобретение было пояснено и описано здесь со ссылкой на конкретные варианты воплощения, это не означает, что изобретение ограничивается указанными деталями. Скорее, различные модификации возможны в деталях в сфере действия изобретения и пределах эквивалентов формулы изобретения без изменения сущности изобретения. Соответственно, имеется в виду, что прилагаемая формула изобретения покрывает все такие изменения, охватываемые сущностью и сферой действия изобретения.

Реферат

Изобретение относится к устройству для регулирования относительной влажности в среде, которое содержит проницаемый для паров воды контейнер в форме саше, состоящий из микроперфорированного материала сложный полиэфир/бумага/полиэтилен, и отвержденный состав увлажнителя в контейнере. Отвержденный состав увлажнителя содержит соль-увлажнитель, воду и носитель. Предпочтительные соли-увлажнители включают CaCl2, К2СО3, LiCl2, NaCl, K2SO4 и их комбинации. Предпочтительные носители выбраны из группы, состоящей из целлюлозы, силикагеля, глины, углеводного или белкового гелеобразующего агента, гидроколлоидной камеди и гидрофильных полимеров. Технический результат - предотвращение утечки влаги и солевого раствора из упаковки. 6 з.п. ф-лы.

Формула