Wilgotność Równowagowa Materiałów Higroskopijnych
- Szczegóły
Dyskusja dotycząca wpływu warunków klimatycznych w czasie magazynowania i transportu wyrobów papierniczych, a także procesów poligraficznych sięga początków przemysłu papierniczego. Pokolenia ekspertów pracowały nad określeniem optymalnych warunków klimatycznych w procesach przemysłu papierniczego, zwracając szczególną uwagę na konieczność monitorowania i kontrolowania temperatury oraz wilgotności. Pomimo wielu lat doświadczenia, nie wszystkie związki zostały zbadane, a niektóre zachodzące w tych procesach zależności nadal pozostają tajemnicą.
Klimat Wewnętrzny i Atmosfera Otoczenia
Klimat wnętrza to termin określający klimat w pomieszczeniach, całkowicie lub częściowo wykluczając ludzi i materiały od wpływu zewnętrznych warunków klimatycznych. Pod tym względem istnieje duża różnica między klimatyzowanymi i nieklimatyzowanymi pomieszczeniami. W przypadku pomieszczeń z pierwszej grupy, panują tam warunki klimatyczne kontrolowane przy pomocy systemów ogrzewania, nawilżaczy i osuszaczy. Natomiast w przypadku nieklimatyzowanych pomieszczeń, warunki w nich nie podlegają kontroli i pozostają one pod silnym wpływem warunków zewnętrznych.
Termin atmosfera otoczenia odnosi się do opisu warunków atmosferycznych w bezpośrednim sąsiedztwie obiektu, np. rolki papieru lub stosu arkuszy. Temperatura powietrza jest miarą stanu termicznego powietrza, czyli technicznie rzecz biorąc stanu energii cząsteczki powietrza (głównie azotu i tlenu). Powietrze zawsze zawiera określoną ilość wilgoci w postaci pary. Wilgotność powietrza może być podawana jako wilgotność bezwzględna lub jako wilgotność względna.
Wilgotność Bezwzględna i Względna
Wilgotność bezwzględna powietrza to stosunek masy pary wodnej do objętości powietrza, czyli ilości wilgoci w gramach zawartych w metrze sześciennym powietrza. W danej temperaturze, powietrze może zawierać tylko określoną ilość wilgoci w postaci pary wodnej. Im wyższa temperatura, tym więcej wilgoci może wchłonąć powietrze. Jeśli wchłonięta zostanie maksymalna ilości wilgoci, jaką może zawierać powietrze w określonej temperaturze, wówczas powietrza nazywane jest nasyconym. Gdy wilgotne powietrze schładza się do określonego punktu (temperatura punktu rosy), zawarta w nim wilgoć zaczyna się skraplać.
Wpływ Wilgotności na Materiały Porowate
Materiały porowate, takie jak papier, zawierają wilgoć w postaci pary wodnej w większych porach oraz w postaci cieczy w drobnych kapilarach struktury papieru. Zawartość wilgoci wyrażona w procentach to procent masowy wody w papierze w stosunku do masy materiału. Materiały porowate, takie jak papier, dążą do osiągnięcia stanu równowagi między własną wilgotnością, a wilgotnością otaczającego powietrza. Oznacza to, że wilgotność powietrza oddzielającego pojedyncze arkusze papieru w stosie oraz wilgotność samego papieru będą w równowadze.
Przeczytaj także: Wpływ wilgotności na zdrowie
Wilgotność względna w stanie równowagi odzwierciedla zatem zależność pomiędzy wilgotnością materiału, a wilgotnością otaczającego powietrza. Dopóki obie wartości są porównywalne, papier nie wchłania wilgoci, ani nie oddaje wilgoci do otaczającego powietrza. Odchylenia wilgotności względnej w stanie równowagi do 5% nie powinny przyczynić się do powstania falistych lub zacieśnionych krawędzi. Temperatura powietrza ma niewielki wpływ na wilgotność w stosie. Niemniej jednak należy stale ją monitorować i kontrolować, ponieważ jest jednym z elementów określających wilgotność względną powietrza.
Tendencja papieru do zwijania jest ściśle związania z wahaniami wilgotności. Włókna papieru rozszerzają się lub kurczą w kierunku poprzecznym. Gdy papier jest zwilżony z jednej strony, włókna rozszerzają się po tej stronie, powodując zwijanie się papieru w kierunku suchej strony.
Podwyższony poziom wilgotności względnej w stanie równowagi może prowadzić do znacznego wydłużenia czasu schnięcia atramentu/tuszu. Wydłużony czas schnięcia może być również spowodowany obniżoną temperaturą.
Wpływ Wilgotności na Wymiary Papieru
Włókna roślinne są podstawowym surowcem do produkcji papieru, ze względu na swoja strukturę są one jednak wrażliwe na wilgoć. Zdolność papieru do wymiany wilgoci zależy w dużej mierze od rodzaju surowców wykorzystywanych do jego produkcji oraz do sposobu ich przygotowania. Wypełniacze mineralne, takie jak węglan wapnia i kaolin nie pełnią istotnej roli w wymianie wilgoci. W zależności od rodzaju papieru, poziom wilgotności może znacząco wpływać na jego właściwości.
W zależności od względnej wilgotności powietrza, włóka roślinne zawarte w papierze wchłaniają lub wydzielają wilgoć, powodując ich puchnięcie lub kurczenie się. Takie zmiany w kształcie występują znacznie silniej w średnicy włókna, rzadziej na ich długości. W procesie produkcyjnym, włókna papieru orientują się głównie w kierunku przebiegu matrycy. W związku z tym różnice wymiarowe są znacznie większe w kierunku poprzecznym, niż w kierunku ruchu maszyny.
Przeczytaj także: Poradnik: walka z wilgocią w mieszkaniu
Dla różnych typów papieru, zmiany wymiarów mogą sięgać zakresu 0.1 - 0.3% w kierunku ruchu maszyny oraz 0.3-0.7% w kierunku poprzecznym. Zmiana wartości wilgotności o 10% może spowodować zmiany wymiarów nawet o 0.1 - 0.2% w kierunku poprzecznym, zatem dla arkusza o szerokości 100 cm, różnice wymiarów mogą wynosić od 1mm do 2 mm. Jest to wartość, która może znacząco wpłynąć na jakość wydruku.
Instalacje Nawilżające w Przetwórstwie Papieru
W obecnych czasach, instalacje nawilżające są wykorzystywane praktycznie na każdym etapie przetwarzania papieru. Przeważnie są to systemy automatyczne lub półautomatyczne i wymagają niewielkiej konserwacji. Zwłaszcza zimą, gdy wilgotność względna powietrza spada do niskich poziomów, instalacje nawilżające pomagają stworzyć optymalne warunki dla procesów drukarskich oraz magazynowania papieru. Konstrukcja instalacji nawilżających opiera się na dyszach działających na sprężone powietrze, które rozpylają mgiełkę wody.
Wilgotność a Suszenie Atramentów Heatsetowych
Atramenty heatsetowe osiadają, gdy wszystkie czynniki wiążące odparują. Aby tak się stało, zadrukowany arkusz papieru jest ogrzewany w wielosekcyjnym piecu suszarniczym, o różnych temperaturach suszenia dla każdej z sekcji. Zazwyczaj do suszenia atramentu używa się wysokich temperaturach, ponieważ sam proces odbywa się z dużą prędkością, a papier nie pozostaje w suszarce przez dług czas. Kiedy atrament wysycha, co naturalne, wysycha również papier. Jeśli temperatura suszenia jest zbyt wysoka, może to prowadzić do powstawania pęcherzy na zadrukowanych obszarach. Nagły wzrost temperatury arkusza papieru powoduje intensywne wytworzenie pary wodnej w strukturach papieru. Najskuteczniejszą metodą zapobiegania powstawaniu pęcherzy jest wyraźne obniżenie temperatury gorącego powietrza. Wilgotność papieru jest również bardzo ważnym czynnikiem.
Pomiary wilgotności zadrukowanego papieru wskazują, że praktycznie cała wilgoć w wewnętrznej strukturze papieru jest wydobywana w piecu suszarniczym. Problem rozszerzania się lub rozrastania zadrukowanego papieru jest spowodowane intensywnym suszeniem. Ekstremalna utrata wilgoci prowadzi nieuchronnie do kurczenia się papieru. Kiedy papier przechodzi przez kolejne etapy obróbki, dostosowuje się do otaczającej wilgoci i pochłania wilgoć, co powoduje jego rozszerzenie.
Pomiary Wilgotności
Chociaż dokładne pomiary temperatury są stosunkowo łatwe do przeprowadzenia, to w przypadku pomiaru względnej wilgotności powietrza, są to pomiary bardziej złożone. Pomiary zawartości wilgoci są bardzo rzadkie w branży poligraficznej i wykończeniowej. Wybrane metody pomiarowe przedstawiono poniżej. Wartość ta określa stopień równowagi między wilgotnością względną papieru, a wilgotnością otaczającego powietrza.
Przeczytaj także: Wakacje w Bodrum
Aby określić wilgotność względną powietrza lub papieru należy zmierzyć zmianę wybranego parametru zależnego od wilgotności. Takimi parametrami, na które wpływ mają wahania wilgotności są np. zmiany długości włókien papieru, przewodnictwo elektrolitów, czy zmiany w rezystancji półprzewodników. W produkcji i obróbce papieru te metody są powszechnie stosowane w systemach pomiarowo-kontrolnych.
Elektroniczne wskaźniki z cyfrowymi wyświetlaczami są szeroko stosowanymi narzędziami do pomiaru wilgotności. Pomiar przewodnictwa wykorzystuje zmiany przewodnictwa elektrolitów higroskopijnych (np. chlorku litu) pod wpływem absorpcji pary wodnej. Użytkownik może również skorzystać z akcesoriów do kalibracji przyrządów pomiarowych. Sam proces kalibracji jest prosty, sonda jest szczelnie zamknięta w urządzeniu kalibracyjnym, a bezpośrednio pod czujnikiem pomiarowym umieszczany jest roztwór soli o znanej wartości %RH.
Aktywność Wody (aw) i Wilgotność Względna Równowagowa (ERH)
Zawartość wody jest bardzo często jedynym parametrem używanym przy określaniu wilgotności w produktach higroskopijnych. Ma wpływ na wiele fizycznych i mechanicznych właściwości materiału, nawet na cenę produktu. Zawartość wody jest bardzo ważnym parametrem dla producenta i kupującego. Jednak nie rozwiązuje wszystkich problemów np. stabilności produktu czy czasu przydatności do spożycia.
Aktywność wody (aw) albo wilgotność względna równowagowa (ERH) określa aktywną część zawartości wody, czyli „wodę wolną - niezwiązaną” w przeciwieństwie do całkowitej zawartości wody, która zawiera również „wodę związaną”. Aktywność wody (aw lub ERH) nie tylko określa stabilność zawartości wody (i parametrów, na które ona wpływa) ale jest również czynnikiem decydującym w rozwiązywaniu różnych problemów, gdzie zawartość wody nie jest brana pod uwagę na pierwszym miejscu.
Zależność między Zawartością Wody a Aktywnością Wody
Teoretycznie zawartość wody może być używana do określania aw i odwrotnie. W praktyce te możliwości są ograniczone i obydwa parametry powinny być mierzone niezależnie - w zależności od tego, jakiego problemu dotyczą.Znaczenie pomiaru aktywności wody aw lub ERH dawno temu zostało dostrzeżone przez przemysł spożywczy i papierniczy. Inne branże przemysłowe takie jak przemysł farmaceutyczny i chemiczny wykazują wzrastające zainteresowanie pomiarem aw jako pomiarem dodatkowym lub jako alternatywą do pomiaru zawartości wody.
Zawartość wody w produkcie definiowana jest zazwyczaj jako % wagowy zawartości wody w stosunku do wagi suchej próbki.Aktywność wody lub równowagowa wilgotność względna to ciśnienie pary wodnej wytwarzanej przez wodę zawartą w produkcie higroskopijnym. Produkty higroskopijne mogą absorbować wodę różnymi sposobami: sorpcja i reakcja chemiczna, sorpcja i tworzenie hydratów, wiązanie wody dzięki energii powierzchniowej, dyfuzja molekuł wody w strukturę materiału, kondensacja kapilarna w roztworach etc.
Dzięki temu molekuły wody związane są w produkcie z różną siłą i w rzeczywistości tylko niewielka część całej zawartości wody może być wymieniona z otoczeniem w normalnych warunkach.Zawartość wody składa się z części nie aktywnej (woda hydratacji) i części aktywnej. To wyjaśnia brak dokładności i wiarygodności większości metod pomiarowych dla % H2O. Ilość wody znajdującej się w próbkach produktu zależy zarówno od metody pomiaru jak i sposobu przeprowadzenia pomiaru. Aktywna część zawartości wody lub woda wolna mierzona jest zazwyczaj jako ciśnienie jej pary wodnej, wyrażone w % wilgotności względnej wytworzonej w stanie równowagi jaka powstaje gdy próbka produktu jest umieszczona w zamkniętej przestrzeni w stałej temperaturze.
Aktywność wody (lub ERH) określa ilość „wolnej wody” zaabsorbowanej przez materiał i pokazuje wymiary, strukturę, kohezję, skłonności do skupiania jak również elektryczne i chemiczne właściwości produktu - o wiele dokładnej niż można to ocenić na podstawie zawartości wody. Oddziaływanie tej „wolnej wody” na właściwości fizyczne takie jak różnice w ciśnieniu pary wodnej a nie zawartość wody w produkcie odpowiadają za wymianę wody między produktem a otoczeniem np.: powietrzem, opakowaniem, innymi produktami. Dlatego stabilność zawartości wody w produkcie jest określona przez różnicę pomiędzy ERH i % rh otaczającego powietrza lub przez różnicę pomiędzy aktywnością wody aw lub ERH w produktach.
Izotermy Sorpcji
W stanie równowagi zależność pomiędzy % H2O i aw (aktywnością wody) w materiałach higroskopijnych może być przedstawiona graficznie przez krzywą zwaną izotermą sorpcji. Dla każdej wartości aw krzywa sorpcji pokazuje odpowiednią zawartość wody w zadanej stałej temperaturze. Ze względu na złożoność zjawiska sorpcji, izotermy nie mogą być wykreślane na podstawie obliczeń, muszą być eksperymentalnie określane dla każdego produktu.
Użyteczność izoterm sorpcji jest ograniczona przez wiele czynników: izotermy sorpcji są ważne tylko dla pojedynczego produktu, na izotermy sorpcji oddziałuje każda zmiana w składzie produktu (np. produkty naturalnego pochodzenia), izotermy sorpcji są różne dla absorpcji i desorpcji (histereza sorpcji), izotermy sorpcji są eksperymentalnie określane, niestety większość metod stosowanych do pomiarów % H2O nie jest ani bardzo dokładna ani wiarygodna.
Wynika z tego jasno, że zawartość wody bardzo często nie może być użyta do dokładnego określenia aw i vice-versa. Praktyczna użyteczność izoterm sorpcji jest ograniczona do produktów, których uprzednia historia „wilgotności” jest znana, mają określony skład i stałą temperaturę.
Nachylenie większości izoterm sorpcji jest takie, że mała zmiana % H2O odpowiada dużym zmianom aw. Z tego względu zawartość wody nie może być używana do zgrubnego oszacowania aw. Natomiast aw może być często używana do kontroli wilgotności np. sprawdzania wartości granicznych zawartości wody.
W praktyce zawartość wody i aktywność wody powinny być rozważane jako dwa niezależne parametry.
Aw (lub ERH) w Przemyśle Papierniczym
Znaczenie jakie ma ERH w przemyśle papierniczym jest szeroko wyjaśnione w biuletynie „Papier i klimat”. Jeżeli zarówno ERH i temperatura papieru oraz % rh i temperatura otaczającego powietrza są utrzymywane w stosownych przedziałach, duża ilość problemów może być zminimalizowana lub wyeliminowana zupełnie: zjawisko ładunków elektrostatycznych, deformacje papieru podczas przechowywania, słaba jakość przy drugu kolorowym, problemy pylenia w maszynach offsetowych, zbyt długi czas suszenia atramentu.
FOGRA zajmowała się tymi problemami i przedłożyła generalne zalecenia dotyczące ERH. Stąd zaleca się, aby nie używać % H2O jako parametru uniwersalnego. Warte zauważenia jest, iż określonej wartości ERH odpowiadają różne wartości % H2O dla różnych typów papieru.
Aw w Przemyśle Spożywczym
Koncepcja wody „wolnej” jako przeciwieństwo do całkowitej, w tym „wody związanej” zyskała szeroką akceptację w przemyśle przetwórstwa żywności. Aktywność wody ma decydujący wpływ na takie zjawiska jak zmiana koloru, smaku, aromatu, wytwarzanie trucizn pokarmowych, psucie się (termin ważności) czy tracenie witamin etc. (całkowita zawartość wody ma z tym niewiele wspólnego).
Aktywność wody w środkach spożywczych może być kontrolowana poprzez użycie różnych dodatków (np. soli, cukru, etc.), poprzez odpowiednie pakowanie, poprzez utrzymywanie korzystnych warunków w czasie produkcji, warunków dojrzewania i przechowywania. Pomiary aktywności wody są coraz częstsze w badaniach żywności przy opracowywaniu nowych technologii jak i przy kontroli jakości.
Rozwój Mikroorganizmów
Aktywność wody wskazuje ilość wody dostępnej dla mikroorganizmów, jaka znajduje się w całej zawartości wody. Każdy rodzaj mikroorganizmów (bakterii, drożdży i grzybów) ma swoje własne minimum aw, poniżej którego ich rozwój nie jest dłużej możliwy. Ten limit odpowiada „sile ssącej” różnych organizmów, to znaczy żeby zaabsorbować z żywności wodę niezbędną do przemian metabolicznych i rozwoju, ciśnienie osmotyczne jakie wytwarzają musi być wyższe od tego, jakie panuje w wodnej fazie żywności.
Poprzez pomiar aw w produktach spożywczych możliwe jest określenie, które organizmy nie będą mogły rozwinąć się w danych warunkach. Organizacje US Food i Drug administration przyjęły teorię aktywności wody dla ustalenia limitów wilgotności, powyżej których różne typy żywności będą stawały się podatne na inwazję pleśni i bakterii. Według tej teorii żywność o pewnych określonych możliwościach wiązania wody może być rozważana jako osobna grupa (nie byłoby to możliwe według teorii pomiarów % H2O). Specyfikacja aktywności wody została wprowadzona do przepisów FDA. Podobne standardy najprawdopodobniej będą również wprowadzone w Europie.
Tabela: typowe wartości graniczne aw rozwoju mikroorganizmów:
- aw = 0.91… 0.95 = większość bakterii
- aw = 0.88 = większość drożdży
- aw = 0.80 = większość pleśni
- aw = 0.75 = bakteria słonolubne
- aw = 0.70 = drożdże
- aw = 0.65 = pleśnie kserofityczne
Trwałość Chemiczna
Kontrola aktywności wody jest ważnym czynnikiem dla chemicznej trwałości żywności. Przy dalszym wzroście aw następuje gwałtowny spadek szybkości reakcji Millarda. Aw ma duży wpływ również na samorzutną autokatalizę rozrywającą łańcuchy molekuł tłuszczu. Ten rodzaj psucia się żywności występuje przy wysokich wartościach aw. Ale nawet przy niskich wartościach aw, żywność zawierająca tłuszcz po dłuższym czasie przechowywania jełczeje.
Procesy Suszenia
Z małymi wyjątkami molekularna aktywność pary wodnej (ciśnienie) w materiałach higroskopijnych wzrasta wraz z temperaturą mniej więcej w takich samych proporcjach jak ciśnienie w nasyconej parze wodnej. W rzeczywistości aktywność wody cechuje jedynie ograniczona zależność od temperatury. Wzrost temperatury powietrza w suszarniach zarówno nie zmniejsza ciśnienia pary wodnej w powietrzu jak i nie zwiększa jego higroskopijności. Ciepłe powietrze zwiększa ciśnienie pary wodnej wytwarzanej przez suszony produkt przez podniesienie jego temperatury.
Aktywność wody ma duży wpływ na entalpię i stąd na energię niezbędną do wysuszenia produktu. Dla czystej wody (i.e.aw = 1.0) entalpia parowania wynosi do 2300 - 2500 kj/kg. To wyjaśnia dlaczego ostatnia partia wilgoci jest tak kosztowna i trudna do usunięcia podczas suszenia. Szybkość z jaką woda może być odparowywana z produktu jest wprost proporcjonalna do aktywnej powierzchni produktu i do różnicy w ciśnieniu pary wodnej pomiędzy produktem a otoczeniem. Różnice w zawartości wody nie mają z tym nic wspólnego.
Aw w Przemyśle Farmaceutycznym i Chemicznym
Znaczenie aktywności wody jest w dalszym ciągu niedoceniane, choć powinno być zarówno w przemyśle farmaceutycznym i chemicznym. Bardzo często jedynym parametrem używanym do określania warunków wilgotności jest zawartość wody. Tak jak to przedstawiono na przykładach, częstotliwość pomiaru aktywności wody wzrasta, tak jak wzrasta zrozumienie znaczenia tego pomiaru.
Proces Suszenia
Parametr aktywności wody a nie % H2O powinien być używany do monitorowania i sterowania procesu suszenia ze względu na to, że najważniejszym czynnikiem jest różnica pomiędzy ciśnieniem pary wodnej suszącego powietrza i produktu. Ciśnienie pary nad produktem jest funkcją właściwości sorpcyjnych produktu, temperatury i aktywnej części wody. Proces suszenia jest sterowany najdokładniej, gdy bierze się pod uwagę te wszystkie czynniki.
Uproszczenie Pomiarów Wilgotności
Kontrola jakości często dotyczy jedynie zawartości wody w produktach. Bardzo często sprawdza się, czy zawartość wody mieści się w określonych przedziałach a nie dokładnie mierzy jej wartość. Metody pomiaru % H2O są dokładne jedynie w warunkach laboratoryjnych. Należy ściśle przestrzegać zaleceń, gdyż bardzo wiele czynników trudnych do oceny i kontroli może wpłynąć na prawidłowość pomiaru.
Wiarygodny przyrząd do pomiarów aw (ERH) posiada szereg zalet w porównaniu z preferowanym przez kontrolę jakości typem pomiarów „MIEŚCI SIĘ / NIE MIEŚCI SIĘ” w wyznaczonym przedziale. Proponowany przyrząd do pomiarów aw, który może być wygodniejszy i bardziej wiarygodny niż miernik zawartości wody, minimalizuje błąd ludzki w rutynowych pomiarach i może być w łatwy sposób kalibrowany przy użyciu certyfikowanych roztworów.Metoda pomiaru przetwarza wcześniejszy przedział % H2O do przedziału wyrażonego w wartościach aw lub ERH. Pomiary aw (ERH) mogą być analizowane statystycznie w celu określenia stopnia wiarygodności (włączając ocenę praktycznego wpływu takich zmiennych.
tags: #wilgotność #równowagowa #materiałów #higroskopijnych
