Способ выбора поглощающих композитных барьеров для упаковки

Способ выбора поглощающих композитных барьеров для упаковки

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение в широком плане относится к упаковочным материалам, более конкретно к поглощающим композитным барьерам для упаковки, в частности к способу выбора материалов и их композиции для поглощающих композитных барьеров для упаковки.

Предпосылки создания изобретения

Полимерсодержащие композиты, наполненные неорганическими дисперсными твердыми частицами, давно используются для улучшения механических свойств термопластичных и термоотверждающихся полимеров. Композиты, наполненные влагопоглотителями, были предложены с целью получения обезвоживающих вкладышей и других внутренних частей термопластичных контейнеров и регулирования влажности в таких контейнерах, например патент США № 6130263. Применение в электронной, автомобильной, фармацевтической, диагностической и пищевой промышленности требует очень низких уровней влажности внутри упаковки, или капсулирующей оболочки, для защиты влагочувствительных продуктов или компонентов от воздействия влажности окружающей среды. Все в большей степени электронные изделия и автомобильные электронные изделия переходят от использования металлических отливок для корпусов и компонентов к использованию термопластов. Данный переход подкрепляется необходимостью снизить массу и стоимость в условиях все возрастающей конкуренции. В результате быстрых темпов развития указанных применений способ выбора термопластичных смол часто не принимает во внимание свойства переноса водяного пара таких смол, которые непосредственно определяют срок службы компонентов или устройства. В связи с этим имеется тенденция к миниатюризации компонентов или устройств, которая оставляет мало или не оставляет пространства для заключенных сорбентов, что дает в результате неадекватную защиту от влаги или не дает защиту совсем. В настоящее время выбор и использование термопластов, показывающих наилучшие пассивные влагобарьерные характеристики, часто не обеспечивают защиту от доступа влаги в течение желаемого срока службы компонента или устройства. До сих пор оболочки указанного типа по существу не обеспечивали достаточные характеристики с точки зрения предотвращения доступа влаги.

Несколько патентов США рассматривают улучшение влагопереноса в композите, наполненном осушителем, для того чтобы усилить осушающий эффект таких композитов при быстром удалении влаги из внутреннего пространства упаковки, особенно при использовании в качестве внутренней части контейнера. См., например, патенты США №№ 5911937, 6130263, 6194079 и 6214255. Устройства являются неадекватными относительно многих описанных требований, так как они не обеспечивают предотвращение доступа влаги, а только поглощают влагу после того, как она поступает в оболочку в процессе упаковочных операций, в течение службы устройства или после раскрытия герметичных контейнеров.

Поскольку все полимерные материалы являются проницаемыми к атмосферным газам и водяному пару, пластики неспособны обеспечить среду, не содержащую влагу, внутри любой упаковки или оболочки, выполненной из них, в течение значительных периодов времени. До сих пор регулирование проникшей влаги, т.е. влаги, которая уже поступила в оболочку, было главной мотивацией для разработки влагопоглощающих композитов. Альтернативный подход к удалению влаги, которая уже проникла в упаковку, представляет собой улучшение влагобарьерных свойств самого полимерного материала упаковки. Диспергирование водопоглотителя в термопластичной полимерной смоле позволяет создать композит, который действует как активный барьер для проницания водяного пара. Активные барьеры задерживают и удаляют влагу, диффундирующую через барьер, с помощью физического и/или химического средства. Такие барьеры позволяют снизить или полностью исключить проникновение влаги в упаковку в течение значительных периодов времени. См., например, заявки на патент США №№ 11/040471, 11/335108 и 11/635750, которые приводятся в настоящем описании в качестве ссылки во всей их полноте.

В композитных барьерах, наполненных влагопоглощающими добавками, добавка сорбента, распределенная в полимерной матрице, может вызвать значительное запаздывание, известное в технике как диффузионное время запаздывания барьерного слоя, прежде, чем влага начнет проникать в упаковку, которое часто на несколько порядков больше, чем запаздывание, наблюдаемое в барьерах, выполненных из ненаполненных смол. Хотя расчет времени запаздывания для барьеров ненаполненных смол и композитов смола/сорбент описан ниже в разделе «Подробное описание изобретения», должно быть отмечено, что указанные расчеты хорошо известны в технике. Указанные расчеты времени запаздывания были использованы как определитель разрушения оболочки. Другими словами, раз время запаздывания достигается, предполагается, что оболочка является разрушенной, так как считается доказанным, что далее происходит свободное проникновение влаги через барьер. Напротив, было установлено, что указанное допущение является несправедливым для некоторых типов сорбентных материалов и барьерных композиций. Например, в течение периода времени после достижения времени запаздывания оболочка может поддерживаться при относительной влажности ниже 10-50%, и обеспечивается, что содержимое оболочки не ухудшается и/или не разрушается при таких уровнях влажности, оболочка не разрушается только при достижении времени запаздывания. Таким образом, следует понять, каким образом ведет себя оболочка после достижения времени запаздывания.

Как можно сделать вывод из ряда устройств и способов, направленных на получение влагопоглощающих полимеров, используемых либо для создания активного барьера, либо для поглощения влаги, имеющейся в оболочке, было рассмотрено много средств для достижения желаемой цели, т.е. защиты влагочувствительного компонента от разрушения с увеличением в результате срока службы компонента. До сих пор требовались согласования между выбором материала и соотношениями смесей, и, как описано, такие определения были сделаны без полного понимания их эффектов. Таким образом, имеется назревшая необходимость в способе выбора полимерных смол, сорбентов и соотношений их смесей для достижения целей специальной разработки и характеристик. Имеется давно назревшая необходимость в средстве точного прогнозирования эффектов от выбора полимерных смол, сорбента и соотношения их смеси. Ввиду вышеуказанного настоящее изобретение позволяет улучшить влагобарьерные свойства упаковочных изделий в большей степени, чем только понимание их скорости влагопоглощения. Кроме того, барьер для влаги настоящего изобретения обеспечивает эффективные барьерные характеристики в точке доступа влаги, поэтому предотвращая или минимизируя влагопроницаемость в большей степени, чем обеспечение удаления влаги после того, как она достигнет внутреннего пространства оболочки.

Краткое описание изобретения

Настоящее изобретение в широком плане содержит способ выбора композиции связанного смолой сорбента, которая может быть использована, по меньшей мере, для частичного получения оболочки для защиты содержимого от внешней влажности, где оболочка имеет внутренний объем свободного пространства V, толщину L и площадь поверхности А, причем оболочка окружена внешней средой, имеющей внешнюю относительную влажность h _out, которая представляет собой долю плотности насыщенного водяного пара ρ _sat в воздухе при температуре T, причем внутренний объем имеет максимальную внутреннюю относительную влажность, означающую конечную точку барьерной защиты от влаги, причем способ содержит следующие стадии: а) выбор множества смол, множества твердых дисперсных сорбентов и множества соотношений между ними с образованием множества композитов и множества толщин композитного слоя, где каждая смола из множества смол имеет эффективный коэффициент диффузии водяного пара D _m и коэффициент растворимости водяного пара S _m и каждый композит из множества композитов имеет объемную долю смолы ϕ _m и объемную долю сорбента ϕ _d; b) расчет множества времен разрушения для множества композитов и множества композитных слоев, где каждое время разрушения из множества времен разрушения отсчитывается, когда внутренняя относительная влажность h _in каждого композита из множества композитов равна максимальной внутренней относительной влажности; с) определение, какое из множеств времен разрушения является большим; и d) выбор одного композита из множества композитов и одной толщины композитного слоя на основе результата стадии (с). Понятно также, что на интервал толщины композитного слоя, составляющего оболочку, часто влияют другие соображения конструирования оболочки, например механические и электрические свойства, вес, материалы и стоимость изготовления. Поэтому выбор оптимального композита на стадии (d) может быть сделан так, чтобы удовлетворять специальным ограничениям толщины стенки оболочки.

В некоторых вариантах каждый твердый дисперсный сорбент из множества твердых дисперсных сорбентов является стехиометрическим и необратимым по отношению к количеству поглощенной воды, и каждый композит из множества композитов имеет стехиометрический коэффициент μ, начальную массовую концентрацию R ₀ и концентрацию C _out водяного пара, растворенного на внешней поверхности оболочки или композитного слоя, причем изменение относительной влажности после времени запаздывания t _LR рассчитывается согласно уравнению

в котором t представляет собой время достижения внутренней относительной влажности h _in;

t _LR представляет собой время запаздывания оболочки, имеющей толщину L.

В указанных вариантах время запаздывания рассчитывается по уравнению

в котором

Хотя в других вариантах каждый твердый дисперсный сорбент из множества твердых дисперсных сорбентов является необратимым по отношению к поглощению водяного пара и имеет изотерму сорбции водяного пара, указанная изотерма сорбции водяного пара является линейной, имеющей постоянный коэффициент растворимости водяного пара S _d и псевдостехиометрический коэффициент μ, который описывает максимальное равновесное количество поглощенной воды на единицу массы сорбента в контакте с насыщенным водяным паром, и каждый композит из множества композитов имеет начальную массовую концентрацию R ₀ указанного сорбента и концентрацию C _out водяного пара, растворенного на внешней поверхности, изменение относительной влажности после времени запаздывания t _LL рассчитывается согласно уравнению

в котором t представляет собой время достижения внутренней относительной влажности h _in;

t _LL представляет собой время запаздывания оболочки, имеющей толщину L; и

В указанных вариантах время запаздывания рассчитывается по уравнению

в котором

Хотя в еще других вариантах каждый твердый дисперсный сорбент из множества твердых дисперсных сорбентов имеет изотерму сорбции водяного пара, указанная изотерма сорбции водяного пара представляет собой сорбцию двойного типа с постоянной насыщения отверстия C _max, константой сродства Лангмюра b, и внутренний объем имеет начальную относительную влажность h _in, изменение относительной влажности после времени запаздывания t _LD рассчитывается согласно уравнению

в котором t представляет собой время достижения внутренней относительной влажности h _in;

t _LD представляет собой время запаздывания оболочки, имеющей толщину L;

и

В указанных вариантах время запаздывания рассчитывается по уравнению

в котором .

В еще других вариантах композиция связанного смолой сорбента образуется с помощью аппрета или добавки, улучшающей совместимость, где аппрет или добавка, улучшающая совместимость, являются химически совместимыми с каждой смолой из множества смол и улучшают адгезию или сопряжение с частицами сорбента с каждой смолой из множества смол. В некоторых из указанных вариантов аппрет или добавка, улучшающая совместимость, выбираются из группы, состоящей из реакционных и нереакционных агентов, хотя в некоторых из указанных вариантов добавка, улучшающая совместимость, выбирается из группы, состоящей из металла, оксида металла, акрилата, стеарата, блок-сополимера, малеата, эпоксида, силана, титаната, металлоорганического лиганда и их смесей. В еще других вариантах композиция связанного смолой сорбента компаундируется в двухшнековом экструдере.

Настоящее изобретение в широком плане содержит изделие, изготовленное из композиции связанного смолой сорбента, где композиция связанного смолой сорбента получена в соответствии с описанным выше способом. В некоторых вариантах композиция связанного смолой сорбента содержит от примерно двух массовых процентов (2% масс.) до примерно пятидесяти пяти массовых процентов (55% масс.) сорбента и от примерно сорока пяти массовых процентов (45% масс.) до примерно девяноста восьми массовых процентов (98% масс.) смолы, хотя в других вариантах композиция связанного смолой сорбента содержит от примерно двадцати пяти массовых процентов (25% масс.) до примерно пятидесяти пяти массовых процентов (55% масс.) сорбента и от примерно сорока пяти массовых процентов (45% масс.) до примерно семидесяти пяти массовых процентов (75% масс.) смолы, и еще в других вариантах композиция связанного смолой сорбента содержит от примерно тридцати пяти массовых процентов (35% масс.) до примерно сорока двух массовых процентов (42% масс.) сорбента и от примерно пятидесяти восьми массовых процентов (58% масс.) до примерно шестидесяти пяти массовых процентов (65% масс.) смолы. В еще других вариантах композиция связанного смолой сорбента содержит смолу и твердый дисперсный сорбент, и по существу все частицы твердого дисперсного сорбента разделены полимерной матрицей.

Настоящее изобретение в широком плане содержит многослойную барьерную структуру, имеющую, по меньшей мере, один слой, где, по меньшей мере, один слой включает композицию связанного смолой сорбента, полученную в соответствии с описанным выше способом.

Задачей настоящего изобретения является создание способа выбора смолы, сорбента и соотношения между ними для структуры активного барьера из связанного смолой сорбента.

Другой задачей настоящего изобретения является максимизация срока службы оболочки на основе характеристик активного барьера оболочки и требований содержимого, заключенного в нее.

Другие задачи и преимущества настоящего изобретения будут легко выявлены из последующего описания предпочтительных вариантов изобретения и из прилагающихся чертежей и формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Сущность и способ действия настоящего изобретения будут теперь более полно описаны в последующем подробном описании изобретения, выполненном со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых

на фиг.1 представлено графически изменение давления водяного пара в пассивной мембране в сравнительных условиях (жирная линия) и в условиях установившегося состояния проницаемости (штриховая линия);

на фиг.2 представлен график сравнительного времени запаздывания в пассивной мембране;

на фиг.3 представлен график типичных изотерм водяного пара для молекулярного сита и силикагеля;

на фиг.4 представлен график модельных форм изотерм водопоглощения;

на фиг.5А представлен график изотерм водопоглощения для полипропилена и различных сорбентных материалов;

на фиг.5В представлен график динамики проницаемости через композитный барьер, содержащий полипропиленовую смолу и различные сорбентные материалы;

на фиг.6А представлен график изотерм водопоглощения для полиэтилена высокой плотности и различных сорбентных материалов;

на фиг.6В представлен график динамики проницаемости через композитный барьер, содержащий смолу полиэтилена высокой плотности и различные сорбентные материалы;

на фиг.7А представлен график изотерм водопоглощения для полиэтилентерефталата и различных сорбентных материалов;

на фиг.7В представлен график динамики проницаемости через композитный барьер, содержащий смолу полиэтилентерефталата и различные сорбентные материалы;

на фиг.8А представлен график изотерм водопоглощения для полиамида и различных сорбентных материалов;

на фиг.8В представлен график динамики проницаемости через композитный барьер, содержащий полиамидную смолу и различные сорбентные материалы;

на фиг.9 представлено поперечное сечение типичного композита смола - сорбент, полученного способом настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

Вначале, должно быть понятно, что одинаковые номера на различных чертежах идентифицируют идентичные или функционально подобные структурные элементы изобретения. Хотя настоящее изобретение описано в отношении того, что в настоящее время считается предпочтительными аспектами, должно быть понятно, что изобретение, как заявлено, не ограничивается рассмотренными аспектами.

Кроме того, понятно, что данное изобретение не ограничивается описанными частными методологией, материалами и модификациями и как таковое может, конечно, варьироваться. Также понятно, что терминология, использованная здесь, представлена только в целях описания конкретных аспектов и не предназначена ограничивать объем настоящего изобретения, который ограничивается только прилагаемой формулой изобретения.

Если не определено иное, все технические и научные термины, используемые здесь, имеют такое же значение, как обычно понятно специалисту в данной области техники, к которой принадлежит данное изобретение. Должно быть отмечено, что термин «оболочка» является синонимом таких терминов, как «упаковка», «контейнер» и т.д., и такие термины могут использоваться взаимозаменяемо, как видно в описании и формуле изобретения. Хотя любые способы, устройства или материалы, подобные или эквивалентные описанным здесь, могут использоваться в осуществлении и испытании настоящего изобретения, теперь описываются предпочтительные способы, устройства и материалы.

В отличие от замкнутых осушителей и внутренних осушающих слоев, предназначенных для быстрого удаления влаги, захваченной внутрь упаковки/оболочки после герметизации, как описано выше, осушающие барьерные композиты настоящего изобретения предназначаются для, главным образом, предотвращения влагопроницаемости через упаковочное изделие, т.е. оболочку, в течение как можно более длительного времени. В процессе использования таких барьерных структур также наблюдается удаление влаги из внутреннего пространства упаковки, хотя скорость такого удаления может быть довольно медленной и увеличение скорости сорбции внутри оболочки не образует часть настоящего изобретения. Для того чтобы снизить скорость влагопроницаемости через полимерсодержащую композитную упаковку/оболочку, например оболочку из сорбента, связанного смолой, и замедлить достижение модели проницаемости в установившемся состоянии через толщину барьерной стенки, настоящее изобретение использует способ, описанный ниже, с выбором композитных материалов, соотношений между ними и технологии введения наполнителя.

Как описано выше, полимерные композиты, наполненные влагопоглощающими наполнителями, служат как эффективные долгостойкие барьеры для влаги в упаковках. Неустановившееся состояние таких барьеров описывается в плане диффузионного времени запаздывания и неустановившихся эффективных скоростей проницаемости в ограниченную среду после времени запаздывания. Хотя расчет диффузионного времени запаздывания хорошо известен в технике, определение неустановившихся эффективных скоростей проницаемости до сих пор не было выполнено. Результаты анализа для необратимых стехиометрических поглотителей, а также Fickian (линейная) и двойные типы изотерм сорбции воды полимерных матриц и наполнителей описаны ниже как модель данных неустановившейся проницаемости и кинетики нарастания влаги внутри герметичной упаковки. Здесь также рассматриваются критические характеристики конструкции композитного барьера и пути улучшения неустановившейся барьерной характеристики.

Характеристика проницаемых полимерных барьеров с проницаемостью к газу и водяному пару общепринято характеризуется двумя свойствами переноса в установившемся состоянии: скоростью передачи в установившемся состоянии (проницаемостью) TR ^SS и сравнительным временем запаздывания t_L. TR^SS представляет собой скорость течения проникающего вещества через единицу площади барьера А, приведенную к разности давления газа Δр в отдельных условиях. Скорость течения проникающего водяного пара выражается в единицах: моль на квадратный метр в секунду (моль/м²·с) или грамм на квадратный метр в секунду (г/м²·с), тогда как скорость течения проникающего газа выражается в единицах: моль на квадратный метр в секунду на Паскаль (моль/м²·с·Па), или в единицах: кубический сантиметр при стандартной температуре и давлении на квадратный метр в секунду на Паскаль (см³(СТД)/(м²·сПа)). Альтернативно, для переноса водяного пара проницаемость часто выражается в единицах: грамм на квадратный метр в день (24 ч) на разность в относительной влажности (г/м²·24 ч·ΔRH) при отдельной температуре и разности относительной влажности (ΔRH), т.е. разности относительной влажности на противоположных сторонах мембраны, поддерживаемой при одинаковой фиксированной температуре. Время запаздывания может быть определено как ответное время на скачкообразное изменение наружной относительной влажности для любых начальных условий в мембране или, другими словами, асимптотическое запаздывание перед установлением модели течения в установившемся состоянии проникающего вещества. Сравнительное время запаздывания первоначально дегазированной барьерной мембраны с давлением водяного пара ниже по потоку, поддерживаемым при нуле, обычно описывается как значение времени запаздывания t _L (см. фиг.1). Как показано на фиг.1, первоначальный сравнительный профиль водяного пара изображается для пассивной мембраны жирной линией, а для условия проницаемости в установившемся состоянии штриховой линией.

Должно быть отмечено, что после времени запаздывания относительная влажность в замкнутой среде будет непрерывно увеличиваться с достижением в конечном счете равновесия с окружающей средой. Поскольку температура окружающей среды может изменяться сезонно и в течение циклов день-ночь, всегда имеется возможность конденсации водяного пара внутри замкнутого объема при падении температуры. Как описано выше, конденсация может вызвать коррозию капсулированных электронных компонентов, корочение электрических цепей и другие нежелательные явления. Осушающая полимерная структура, выбранная и/или оптимизированная согласно настоящему изобретению, действует как долгостойкий барьер к влагопроницаемости и, таким образом, резко увеличивает срок службы упаковки.

Как установлено выше, настоящее изобретение содержит несколько стадий определения и выбора оптимальных полимерной смолы, сорбентного материала и соотношения между ними. Сначала авторы рассматривают ненабухающие полимерные барьеры, т.е. примеры смол, которые не позволяют воде конденсироваться в матрице и которые могут рассматриваться настоящим изобретением. Хотя полимерные барьеры не содержат сорбентный материал, барьеры все же поглощают влагу, как описано здесь ниже. В последующих вариантах рассматривается сплошная полимерная барьерная мембрана однородной толщины. Граничные условия на внутренней поверхности мембраны, т.е. внутри упаковки, фиксируются при относительной влажности h _in, а наружная поверхность мембраны, т.е. снаружи упаковки, фиксируется при относительной влажности h _out. Должно быть отмечено, что h _in эквивалентна отношению между плотностью водяного пара внутри упаковки при температуре Т, т.е. ρ _in, и плотностью насыщенного водяного пара при температуре Т, т.е. ρ _sat, тогда как h _out эквивалентна отношению между плотностью водяного пара снаружи упаковки при температуре Т, т.е. ρ _out и ρ _sat. Кроме того, каждая мембрана соответствует фиксированному парциальному давлению водяного пара p _in и p _out соответственно относительно давления насыщенного водяного пара p_sat при отдельной температуре Т.

Затем температурную зависимость плотности насыщенного водяного пара ρ _sat (Т) используют для определения количества воды m _in в упаковке, имеющей внутренний свободный объем V.

Должно быть отмечено, что подразумевается, что внутренний свободный объем V означает весь объем в упаковке или оболочке, который не заполнен компонентами, материалами или любыми объектами, содержащимися в упаковке.

Аналогично коэффициенту растворимости S неконденсирующихся газов в полимерах коэффициент растворимости водяного пара S _m в полимерных матрицах может быть выражен как масса m _W воды, растворенной в полимере, на единицу объема V _m сухой полимерной матрицы (первоначально отбрасывая набухание гидрофильных полимеров) при внешней относительной влажности (ОВ, RH) 100% при данной температуре Т. Коэффициент растворимости водяного пара S _m выражается в единицах: грамм на кубический метр на сто процентов относительной влажности (г/(м³·100% ОВ)).

Тогда концентрация C _m воды, растворенной в ненабухающей полимерной матрице с Fickian (линейной) сорбцией в равновесии с внешней влажностью h _out (T), является линейно пропорциональной внешней влажности h _out. Концентрация C _m выражается в единицах: грамм на кубический метр (г/м³).

Альтернативно, количество воды, растворенной в ненабухающей полимерной матрице, может быть рассчитано на основе прироста массы W _m в полимерной матрице, имеющей удельную плотность ρ _m. Прирост массы W _m выражается в единицах: грамм воды на грамм полимера (г(вода)/г (полимер)).

При использовании коэффициента диффузии водяного пара D _m (T) в полимерной матрице, выраженного в квадратных метрах в секунду (м²/с), может быть рассчитана проницаемость водяного пара P _m (T). Проницаемость водяного пара P _m (T) выражается в единицах: грамм·миллиметр на квадратный метр в секунду на сто процентов относительной влажности ((г·мм)/(м²·с·100% ОВ).

В уравнении (7) выше 100% RH (ОВ) относится к разности относительной влажности ΔRH на противоположных сторонах проницаемого барьера, т.е. 100% RH на наружной поверхности и 0% RH на внутренней поверхности. Указанная разность относительной влажности служит движущей силой для диффузии водяного пара через барьер.

Скорость перемещения водяного пара в установившемся состоянии WVTR через единицу поверхности барьера с однородной толщиной L при разности давления водяного пара Δp(t), соответствующей разности 100% относительной влажности, выражается уравнением (8) ниже. Скорость перемещения водяного пара WVTR выражается в единицах: грамм на квадратный метр в секунду на сто процентов относительной влажности (г/(м²·с·100% ОВ).

Поток материала в установившемся состоянии водяного пара через единицу поверхности барьера с однородной толщиной L при разности относительной влажности Δh через нее выражается уравнением (9) ниже. Поток материала в установившемся состоянии выражается в единицах: грамм на квадратный метр в секунду (г/(м²·с)).

Равновесная концентрация водяного пара C _m в материале может потенциально зависеть нелинейно от давления пара в смежной газовой фазе посредством нелинейной изотермы сорбции C _m (р) или относительной влажности h при фиксированной температуре, как C _m (h). Данное сорбционное поведение рассматривается ниже.

Сравнительное время запаздывания t _L относится к асимптотическому запаздыванию до того, как устанавливается профиль концентрации растворенного вещества в установившемся состоянии C ^SS (ξ) в первоначально дегазированной мембране с давлением водяного пара ниже по потоку, поддерживаемым при нуле, т.е. p _m=0. Пример сравнительного времени запаздывания для пассивной полимерной мембраны с линейной сорбцией показан на фиг.2.

Для произвольного начального условия C ₀ (ξ)=C(ξ,t=0) для концентрации растворенного вещества через толщину мембраны L с безразмерной координатой ξ=x/L=[0..1] через толщину и фиксированных граничных условий C _in=C(0)=0 и C _out=C(1)>0 в пределах внутренней поверхности и наружной поверхности соответственно получается время запаздывания, например, при использовании метода Фриша (Frish H.L., J. Phys. Chem. 61, 93-95 (1957). Время запаздывания t _L, рассчитанное по методу Фриша, описывается в уравнении (10) ниже.

В уравнении (10) D_m представляет собой коэффициент диффузии проникающего вещества в барьерный материал, и начало координаты х расположено на внутренней поверхности мембраны (см. фиг.1). Для первоначально дегазированной мембраны с C ₀ (ξ)=0 и Fickian-сорбции с S _m=const концентрация пара в установившемся состоянии в мембране рассчитывается согласно уравнению (11)

Интегрирование уравнения (10), принимая во внимание уравнение (11), дает уравнение (12) с получением в результате сравнительного времени запаздывания t _L.

Для гомогенного материала барьера не имеет значения, выражается ли концентрация растворенного вещества в материале в граммах на кубический сантиметр (г/см³) или как прирост массы в граммах на грамм (г/г), поскольку указанные свойства линейно связаны друг с другом через плотность полимерной матрицы ρ_m согласно уравнениям (5) и (6), приведенным выше, и аннулируются.

После времени запаздывания t _L прирост массы водяного пара (m _in ) в замкнутом объеме V сопровождается приростом массы водяного пара (m _b ) в полимерной матрице барьера. Таким образом, прирост массы водяного пара в замкнутом объеме рассчитывается согласно уравнению (13).

Альтернативно, прирост массы водяного пара может быть рассчитан с использованием уравнений (3) и (9), приведенных выше. Таким образом, прирост массы водяного пара может быть рассчитан с использованием уравнения (14).

В уравнении (14) ½ коэффициента появляется благодаря тому, что внешняя влажность h _out является фиксированной, тогда как влажность в оболочке h _in является изменяющейся. Перегруппировка уравнения (14) дает уравнение (15).

Результат интегрирования уравнения (15) представляет собой уравнение (16).

С учетом вышеуказанных уравнений для первоначально сухой замкнутой среды с h _in(0)=0, т.е. объема в оболочке, изменение относительной влажности внутри оболочки или упаковки аппроксимируется уравнением (17).

Резюмируя, в течение периода времени до достижения времени запаздывания t_L отсутствует влажность в оболочке, тогда как в течение периода времени после достижения времени запаздывания t_L изменение влажности в оболочке рассчитывается согласно второму уравнению в (17).

Далее рассматриваются композитные барьеры, т.е. барьеры, содержащие как смолу, так и сорбент. Когда мембрана содержит дисперсную твердую добавку, которая может поглощать диффундирующее проникающее вещество, возможны три случая: (1) добавка каталитически удаляет неограниченное количество проникающего вещества (при взаимодействии с ним и потребляя его или при превращении его в другие частицы без убывания поглощающей способности добавки); (2) добавка необратимо поглощает проникающее вещество до определенного стехиометрического количества (обычно посредством химической реакции или хемосорбции) или (3) добавка обратимо связывает проникающее вещество посредством физической адсорбции. Характеристика каталитически реакционных и стехиометрических реакционных барьеров, т.е. характеристика через время запаздывания, анализируется в другом месте. См. Siegel R.A. and Cussler E.L., J. Membr. Sci., 229, 33-41 (2004), и Solovyov S.E., J. Phys. Chem. В 108, 15618-15630 (2004). Время запаздывания в барьерах, содержащих обратимые адсорбционные наполнители (осушители в случае водяного пара), получают для обычно наблюдаемых двойных изотерм сорбции таких адсорбентов, диспергированных в полимерной матрице, Fickian (линейной) сорбцией. См. Paul D.R. and Kemp D.R., J. Polym. Sci., Symp. 41, 79-93 (1973). Настоящее изобретение позволяет прогнозировать и оптимизировать характеристику таких композитных барьеров после времени запаздывания, когда проникновение пара увеличивает давление пара в замкнутой среде ниже по потоку, т.е. в среде оболочки.

Водяной пар не может быть удален каталитически в условиях, герметичных к окружающей среде, т.е. неизвестная добавка не может необратимо удалить неограниченное количество водяного пара, поэтому здесь рассматриваются только неорганические поглотители с необратимой стехиометрической и обратимой линейной и двойной сорбцией, диспергированные в полимерных матрицах как тонкодисперсные твердые частицы (порошки).

Сначала рассматриваются необратимые стехиометрические поглотители. Обычно наблюдаемое двойное сорбционное поведение может обуславливать две различные модели сорбции: (1) быстрое насыщение при низких значения ОВ и (2) квазилинейную сорбцию в широком интервале ОВ (процесс заполнения пустот) с последующим асимптотическим насыщением (обычное растворение в матрице). Первая представлена синтетическими и встречающимися в природе молекулярными ситами (МС, MS)), а последняя - силикагельными (СГ, SG)) осушителями, как показано на фиг.3. Динамика проницаемости с изотермой сорбции МС-типа близко аппроксимируется стехиометрической необратимой химической реакцией, которая удаляет заданное количество воды перед дезактивацией, т.е. МС-насыщение выше приблизительно 20% ОВ. Данная характеристика показана на фиг.4 как стехиометрический поглотитель. Данный аспект особенно относится к делу, когда движ