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Temperatura di ebollizione dei liquidi per il vaping

Premessa

Tutti sappiamo che il PG in purezza ha una temperatura di ebollizione di 188°C circa mentre il VG bolle a circa 290°C. Sono dati facilmente reperibili su wikipedia e sui datasheet di tutti i produttori di tali sostanze.
Ma nessuno di noi, o quasi nessuno, svapa PG o VG in purezza. Molti svapano miscele PG/VG 50/50 o 50/45/5 in cui l’ultimo 5 è relativo all’acqua. Anche chi usa un alto contenuto di VG, ad esempio usando un base 80VG/20H2O, svapa in realtà una miscela VG/PG/H2O in quanto gli aromi sono solitamente disciolti in PG e pertanto una piccola percentuale ci sarà comunque.

Pertanto si pone il problema di determinare la temperatura di ebollizione della miscela PG/VG/H2O che, badate, non dipende linearmente dalle frazioni delle componenti. Infatti potrebbe sembrare intuitivo che una piccola percentuale di acqua nel VG non cambi troppo la temperatura di ebollizione rispetto ai 290 °C del VG puro, ma non è così: basta un 2.5 % di H2O nel VG per ridurre la temperatura di ebollizione a 185 °C e con il 10% di acqua in VG la soluzione bolle a 137 °C.

Qualcuno si chiederà a cosa può servire conoscere la temperatura di ebollizione del liquido che svapiamo. La risposta è assai semplice: a determinare correttamente la temperatura a cui regolare il TC.
Se sappiamo che il nostro liquido bolle a temperatura Tb=160°C sappiamo anche che la temperatura del TC andrà regolata poco sopra, diciamo a 180 °C. Solo così facendo trarremo il massimo vantaggio dalla tecnologia del TC ovvero ridurremo al minimo i rischi di svapare prodotti di decomposizione dei liquidi e della wick oltre che massimizzare la durata delle batterie. Ed è fondamentale il fatto che regolare il TC troppo sopra la temperatura di ebollizione non comporta alcun vantaggio, perlomeno in un sistema correttamente configurato. Infatti, se la coil non và a secco, nemmeno parzialmente, la temperatura di ebollizione non può mai essere superata ed il TC, se regolato sopra a tale temperatura, non interviene mai. Ma il TC serve a limitare la temperatura proprio quando la coil và a secco ovvero in una situazione patologica.

Se svapare pone un rischio per la salute che è grossolanamente stimato come non superiore al 5% dei rischi del fumo da tabacco, svapare in TC con una temperatura corretta riduce sicuramente i rischi ulteriormente, probabilmente di tanto, ma tanto. Quanto non lo sò dire e non lo sà dire
nessuno allo stato delle conoscenze, ma, considerato che la principale fonte di rischio del vaping è individuata nei prodotti di decomposizione termica, và da sè che eliminandoli il rischio precipita.
Per quanto strano possa sembrare, sul WEB non mi è riuscito di trovare informazioni complete ed attendibili sulla temperatura di ebollizione delle miscele da svapo (Aprile 2016). Dico che è incredibile perchè ci sono milioni di appassionati di vaping che discutono pubblicamente di aspetti anche molto tecnici, in particolare sui forum in lingua inglese, ma più di qualche ipotesi non ho trovato. In campo tecnico scientifico si trova abbastanza facilmente la temperatura di ebollizione delle soluzioni acquose di PG e un pò meno facilmente quella relativa alle soluzioni acquose di VG, generalmente pochi valori sperimentali e tanti valori calcolati mediante formule più o meno attendibili.

Mi sono quindi proposto l’obiettivo di colmare tali lacune ed ho, da poco, cominciato a studiare il problema da quasi completo ignorante nel campo della chimica. I risultati ottenuti si possono riassumere nella Illustrazione 1.

Calcolo della temperatura di ebollizione di una miscela di liquidi

Ho quindi scoperto che per le miscele di liquidi volatili in generale non esiste una relazione esatta in grado di prevedere la temperatura di ebollizione a partire dalle caratteristiche delle sostanze che costituiscono la miscela. Ciò significa che in generale l’unica soluzione è quella della determinazione sperimentale. Esiste però una legge, quella di Raoult, valida rigorosamente solo per i liquidi ideali, che entro certi limiti consente una stima della temperatura di ebollizione delle miscele. Ho pertanto deciso di partire con le stime basate sulla legge di Raoult per poi procedere ad una verifica sperimentale di tali leggi, perlomeno per le miscele più utilizzate nel vaping.

La legge di Raoult fornisce in realtà la pressione di vapore delle miscele a partire dalla conoscenza delle pressioni di vapore dei componenti e della loro frazione molare nella miscela. Ma la temperatura di ebollizione a pressione atmosferica è la temperatura alla quale il liquido ha una pressione di vapore coincidente con quella atmosferica, normalizzata a 760 mmHg (millimetri di mercurio o Torricelli) per cui il passaggio è banale. Fortunatamente PG e VG sono liquidi molto studiati per gli usi industriali e pertanto è stato semplice trovare gli andamenti della loro pressione di vapore al variare delle temperature (equazione di Antoine con parametri determinati sperimentalmente). Applicata quindi la legge di Raoult e trasformate le frazioni di volume (comunemente usate dai vapers) in frazioni molari ho determinato gli andamenti riportati nei grafici che seguono.

In questo primo grafico è riportato l’andamento della temperatura di ebollizione di una miscela VG/H2O (in verde) ed una miscela PG/H2O (in blu) per una frazione di volume di acqua tra lo 0.5% ed il 30%.

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Si osservi che per valori di acqua superiori al 5% le differenze sono inferiori ai 5°C. Questo implica che la temperatura di ebollizione delle miscele ternarie VG/PG/H2O con acqua non inferiore al 5% possono essere ben approssimate da una curva compresa tra le due e tanto più vicina ad una o all’altra in funzione del rapporto VG/PG. Ad esempio, per una miscela 45/50/5 , si può stimare che la temperatura di ebollizione è circa la media delle miscele 95/0/5 (157 °C) e 0/95/5 (149) per ottenere così

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Facendo i conti con l’equazione di Raoult si otterrebbe T=152.2 °C, valore praticamente coincidente.
In questo secondo grafico è riportata la temperatura di ebollizione di una miscela PG/VG al variare della percentuale di PG dal 100% (a sinistra) allo 0 % (a destra). Ad esempio,una miscela 50PG/50VG bolle a 210°C.

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Misura delle temperature di ebollizione delle miscele VG/PG/H2O

Ho determinato sperimentalmente le temperature di ebollizione di alcune miscele omogenee di VG/PG ed acqua con diverse frazioni di volume dei componenti.
Per ogni miscela ho preparato una quantità pari a 40 ml con una precisione del 2% circa sul volume del singolo componente. L’intera quantità di ciascuna miscela è stata portata ad ebollizione in un recipiente di acciaio SS304 in cui era infilata una termocoppia di tipo K di classe A collegata ad un multimetro con accuratezza del 2% sulla temperatura. Durante il riscaldamento il liquido veniva continuamente mescolato. La temperatura misurata è stata registrata nel momento in cui l’ebollizione era diffusa su tutta l’area del fondo del bicchiere in acciaio.

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Discussione sui risultati sperimentali

Scostamenti tra valori misurati e calcolati. Le temperature di ebollizione misurate sono molto prossime a quelle calcolate in tutti i casi in cui le miscele non contengono acqua. In presenza di acqua invece, lo scostamento è tanto maggiore quanto più piccola è la percentuale di acqua e sempre con segno positivo nel senso che le temperature misurate sono superiori a quelle previste.
Le due righe evidenziate sono quelle relative agli scostamenti più grandi , in entrambi i casi con il 5% di acqua. E’ utile osservare che si tratta delle miscele con le quali la misura della temperatura è stata più critica ed incerta. In entrambi i casi infatti, la temperatura non si stabilizzava intorno al punto di ebollizione e la registrazione è stata eseguita a vista del bollore. Probabilmente durante il riscaldamento e superati i 100 °C a causa della fuoriuscita del vapore prodotto prima dell’ebollizione ad alta frazione acquosa, si è ridotta sensibilmente la percentuale d’acqua in soluzione ritardando l’avvento dell’ebollizione. In mancanza di dati sperimentali più precisi, e per quanto riguarda le miscele a bassa percentuale d’acqua (5-10%), ritengo più affidabili i valori calcolati rispetto a quelli misurati.

Effetto della nicotina. Si è misurata anche la temperatura di ebollizione di una base PG con 48 mg/ml di nicotina in soluzione di PG, per verificare se la nicotina influenza la temperatura. Il risultato è riportato in riga #3 della tabella. Si osservi che rispetto al PG in purezza (riga #2), la temperatura di ebollizione aumenta solo di un grado centigrado, valore inferiore all’accuratezza delle misure.
Considerato quindi che nella realtà il contenuto di nicotina nei liquidi da svapo è molto inferiore a 48 mg/ml, si può tranquillamente assumere che la nicotina non ha nessun effetto sulla temperatura di ebollizione.

Effetto degli aromi. In riga #5 è riportata la temperatura di ebollizione di una soluzione di PG con il 10% in volume di un aroma (Molinberry pink raspberry). La temperatura di ebollizione è rimasta invariata rispetto a quella del PG puro. L’aroma in questione è diluito in PG, come la maggior parte degli aromi, ma non è dichiarata la percentuale. Considerato che la quantità di aroma in purezza è sempre molto piccola, si può assumere che l’aroma non altera la temperatura di ebollizione del liquido.

Effetto dell’acqua. Si può notare che quando l’acqua è presente in quantità non inferiori al 10%, la temperatura di ebollizione della miscela non dipende sensibilmente dalle frazioni relative di VG/PG.
Infatti nelle righe #11-13-18-19 le temperature di ebollizione di quattro miscele tutte al 10% in volume di acqua, variano dai 131°C per il PG ai 147°C del VG ma limitandosi alle miscele ternarie la variazione è di appena 2 °C.
Se invece si considerano i valori calcolati, la temperatura di ebollizione di tutte e 4 le miscele al 10% di acqua sono comprese tra i 133 ed i 137°C.
Si conclude pertanto che è lecito assumere come temperatura di ebollizione di una miscela ternaria VG/PG/H2O e glicerina non inferiore al 30%, la stessa temperatura di una miscela binaria VG/H2O con la stessa percentuale di acqua.
Purtroppo però l’acqua è la prima ad evaporare e già dopo qualche svapata il liquido a contatto con la coil sarà completamente privo di acqua e la sua temperatura di ebollizione sarà quella del solo VG/PG, ma questa è un’altra storia che verrà trattata in un apposito articolo.

Osservazioni

Variazione della composizione della miscela durante lo svapo
Ogni miscela ha la sua temperatura di ebollizione alla quale il liquido evapora copiosamente. Il vapore prodotto però non ha la stessa composizione del liquido nel senso che contiene una frazione più elevata del componente che ha temperatura di ebollizione più bassa. Ad esempio, facendo bollire una soluzione 80VG/20H2O, il vapore prodotto conterrà acqua in percentuale maggiore del 20% per cui man mano che l’evaporazione procede, nella miscela ci sarà sempre meno acqua.
Quando svapiamo una miscela contenete acqua, dopo un paio di tiri il liquido che impregna la wick nei pressi della coil non conterrà più acqua in quanto già completamente evaporata. Se si tratta di un full VG al 20% di acqua, dopo due svapate sua temperatura di ebollizione sarà molto più alta di quella prevista ed il liquido molto più viscoso. Un liquido troppo viscoso tenderà ad incrostare la coil e a ridurre la portata della wick con il rischio di tiri a secco se non si usa il TC. Se invece si usa il TC ma la temperatura di soglia è regolata troppo vicina a quella di ebollizione iniziale, l’aumento della temperatura di ebollizione causato dalla riduzione di acqua non permetterà più l’evaporazione.
Siccome la nicotina bolle a 240°C, in un liquido con temperatura di ebollizione inferiore, come tipicamente succede, ma mano che il liquido evapora, quello che rimane conterrà sempre più nicotina.

Variazioni di pressione durante il tiro
Capita di leggere sul web di ipotesi circa la riduzione della temperatura di ebollizione negli atom a causa della depressione che si viene a creare in seguito all’aspirazione da parte dei vapers. In linea di principio l’ipotesi è corretta ma l’entità della depressione è talmente modesta da non causare significati decrementi della temperatura di ebollizione.
Ci si può sincerare di questa affermazione usando l’equazione di Bernoulli relativa al moto dei fluidi (l’aria che transita nell’atomizzatore) stimando la velocità di uscita mediante un paio di ipotesi molto ragionevoli: 1) Che la quantità di aria aspirata attraverso il drip tip sia di 100 ml e 2) che la durata del tiro sia 4 secondi.
In base a tali ipotesi la portata del fluido è di 25 ml/sec che divisi per la sezione del drip tip danno la velocità in uscita. Nello stesso modo si calcola la velocità nei pressi della coil; il conto è molto semplice per una BVC in quando la sezione da considerare è quella del foro assiale della coil, generalmente pochi mm^2.
Vi risparmio i conti, ma vi dico che difficilmente la depressione può raggiungere il valore di 1 mmHg che corrispondo mediamente ad una riduzione della temperatura di 1 decimo di grado centrigrado.

Evaporazione sotto il punto di ebollizione
Capitato anche di leggere sul web che non è necessario arrivare alla temperatura di ebollizione del liquido al fine di svapare. Anche in questo caso c’è del vero nel senso che anche a basse temperature si verifica l’evaporazione. Se si lascia una bacinella d’acqua all’aria aperta dopo qualche giorno o mese l’acqua sarà evaporata completamente pur non avendo mai raggiunto l’ebollizione.
Se però si lascia del PG all’aria aperta il livello non cala o meglio cala molto più lentamente in quanto la pressione di vapore del PG è molto più bassa di quella dell’acqua a pari temperatura.
Per produrre un’evaporazione corposa è sempre necessario avvicinarsi il più possibile alla temperatura di ebollizione.

L’effetto della nicotina
La nicotina ha una temperatura di ebollizione di 240°C circa e quindi se aggiunta al PG tenderà a farne aumentare la temperatura di ebollizione. In pratica però, la frazione di nicotina nei liquidi è talmente bassa da non avere effetti percepibili. Un PG con 48 mg/ml di nicotina, concentrazione elevatissima non svapabile così com’è, bolle a 189 °C, ovvero un solo grado in più del PG puro.
Tenuto anche conto che a più di 24 mg/ml non si svapa e che spesso si stà abbondantemente sotto, è assolutamente lecito assumere che la nicotina non abbia alcun effetto sulla temperatura di ebollizione del PG. Alla stessa conclusione si può giungere anche se si svapa con un full VG in cui la nicotina aggiunta è diluita nel PG: sarà il PG, per quanto poco sia, a determinare l’abbassamento della temperatura di ebollizione del VG. Inoltre bisogna considerare che il VG si usa solitamente con piccole percentuali di acqua ed in tal caso è proprio il contenuto d’acqua a determinare l’abbassamento di temperatura.
L’unico caso in cui la nicotina è determinante si riscontra con un full VG senz’acqua in cui la nicotina è introdotta in purezza o in soluzione di VG.

Articolo di:
Igiit