La presenza di acqua, sotto forma di vapore, è sempre un problema nei processi sottovuoto. Le molecole di H2O, infatti, sono fortemente polari a causa della forte differenza di elettronegatività (ovvero la capacità di attrarre a sé gli elettroni di legame), rispettivamente, dell’atomo di ossigeno rispetto ai due di idrogeno. Una conseguenza di questa caratteristica su scala sub-nanometrica è la forte tendenza delle molecole d’acqua ad aderire alle superfici metalliche o a quelle di materiali capaci di dare legami secondari o legami a idrogeno. Nel caso dei metalli e, più specificamente, nel caso dell’acciaio inossidabile, è la presenza dello strato superficiale protettivo di ossido di cromo a offrire un eccellente “aggancio” alle molecole di H2O. Inoltre, nei materiali lavorati può esserci acqua adsorbita chimicamente sulle superfici o – in alcuni casi – presente nella struttura del materiale stesso.
Quest’acqua deve essere eliminata dal sistema di pompaggio disponibile in uno specifico impianto per il trattamento sottovuoto, allungando notevolmente i tempi necessari per raggiungere il livello di vuoto base richiesto. Ciò che accade comunemente, infatti, è che la cinetica di pompaggio del vapore acqueo è determinata e spesso dominata non solo dalla capacità delle pompe disponibili, ma anche dalla cinetica di desorbimento delle molecole d’acqua “ancorate” sulle superfici metalliche e su quelle dei substrati da trattare. Per questo motivo, è abbastanza comune l’uso di sistemi di riscaldamento all’interno della camera a vuoto progettati per accelerare il rilascio della maggior parte del cosiddetto “carico d’acqua” presente.
In ogni caso, il pompaggio del vapore acqueo rappresenta un problema in sé in quanto molti tipi di pompe per vuoto – e in particolare quelle rotative a bagno d’olio – presentano limiti da questo punto di vista, dipendenti anche dal particolare tipo di olio sigillante utilizzato. Infatti, l’acqua che passa attraverso una pompa di questo tipo può accumularsi nell’olio presente, aumentando il valore della pressione base
ottenibile e degradando così le prestazioni della macchina.
Possiamo quindi chiederci se esistano sistemi alternativi per gestire il “carico d’acqua”, specialmente nei casi in cui quest’ultimo sia cospicuo, con l’obiettivo di impedire al vapore acqueo di passare attraverso il sistema di pompaggio, eliminandolo comunque dall’ambiente di lavoro. Un esempio pratico, con cui abbiamo dovuto confrontarci, riguardava la necessità di evaporare rivestimenti metallici a scopo decorativo su substrati cartacei. La carta è un materiale a base di cellulosa, quindi molto idrofilo: il “carico d’acqua” in questo caso può essere molto elevato e la cinetica di desorbimento molto lenta. Si tratta quindi di un’applicazione difficile da gestire con un sistema di pompaggio standard, basato sull’uso di una pompa rotativa a bagno d’olio.
Una possibilità, spesso sollevata dai progettisti, riguarda l’uso di un sistema capace di congelare il vapore acqueo, all’interno della camera a vuoto, su una superficie opportunamente raffreddata. In linea di principio, si potrebbe utilizzare un’unità di refrigerazione esterna per creare un flusso di un fluido termovettore che, scorrendo all’interno di una serpentina metallica posta dentro la camera a vuoto, possa “catturare”, congelandolo, il vapore acqueo presente. Per ottenere questo effetto, sempre teoricamente, basterebbe che il fluido termovettore avesse una temperatura inferiore a 0 °C, ovvero il punto di congelamento dell’acqua: ciò permetterebbe di risolvere il problema utilizzando unità di refrigerazione molto economiche e ampiamente disponibili.
Purtroppo, la realtà dei fatti, come spesso accade, è ben diversa. Infatti, il solo fatto che un materiale si trovi allo stato solido non garantisce che la tensione di vapore del materiale stesso, alla temperatura in cui si trova, sia sufficientemente bassa. La tensione di vapore è la pressione di equilibrio del sistema solido-vapore considerato, che dipende non solo dalla chimica del sistema ma anche dalla temperatura. Ad esempio, ci sono molte sostanze solide che hanno una tensione di vapore rilevante: un esempio pratico è la naftalina. Il processo mediante il quale i vapori vengono rilasciati da un materiale solido, senza passare per lo stato liquido, è perfettamente possibile e si chiama sublimazione.
Nel caso del ghiaccio d’acqua, la tensione di vapore è notevolmente alta: ad esempio, a -25 °C è di 6,7 mbar, a -70 °C è di 2×10-2 mbar, mentre per raggiungere valori base accettabili per un normale processo sottovuoto, come 1×10-5 mbar, è necessario scendere a -112 °C!
Pertanto, l’uso di normali unità di refrigerazione per questa applicazione è escluso, poiché il limite inferiore di temperatura raggiungibile in un normale sistema monostadio è intorno ai -50 °C. È quindi necessario utilizzare, se si vuole adottare questa strategia per la gestione del “carico d’acqua”, un sistema più complesso, basato ad esempio:
su un sistema di refrigerazione a due stadi. Commercialmente, questa strategia è stata implementata in diversi sistemi, tra i quali il più famoso è probabilmente il cosiddetto “Polycold”.
Su altri sistemi capaci di raggiungere le basse temperature richieste: ad esempio, può essere utilizzato un sistema basato sulla circolazione di azoto liquido (-196 °C), o – per carichi termici inferiori – l’uso di raffreddatori Stirling.
Conclusioni
L’uso di sistemi criogenici per la gestione del “carico d’acqua” in un impianto di deposizione sottovuoto è una strategia possibile, tuttavia il “fai da te” non è raccomandato, poiché le basse temperature richieste non sono raggiungibili con sistemi di raffreddamento semplici ed economici. Le superfici raffreddate, capaci di catturare il vapore acqueo, devono trovarsi a temperature di almeno -110 °C, rendendo indispensabile l’uso di apparecchiature piuttosto sofisticate e costose.