Ydinmekanismi on selektiivinen läpäisevyys. Tavallinen hengittävä tulppa koostuu kolmesta kerroksesta: jäykästä ulkokuoresta (yleensä polypropeenia tai PTFE:tä), hydrofobisesta mikrohuokoisesta kalvosta keskellä ja tiivistetiivisteestä pohjassa, joka muodostaa vuotamattoman liitoksen säiliön aukkoon.
Kalvo on toimiva sydän. Expanded PTFE (ePTFE) -kalvot ovat alan vertailukohta, ja niiden huokoskoot vaihtelevat välillä 0,2-3 mikronia. Tässä mittakaavassa vesimolekyylit ryhmittyvät yhteen pintajännityksen alaisena eivätkä pääse läpi, kun taas yksittäiset kaasumolekyylit (O2, N2, CO2) kulkevat vapaasti. Tämä on sama periaate ulkoiluvarusteissa käytetyn Gore-Tex-kankaan takana.
Käytännössä 1 tuuman hengittävä ePTFE-tulppa, jossa on 0,5 mikronin huokoset, pystyy käsittelemään 1,5 - 2,5 baarin nesteen sisääntulopainetta (LEP) samalla kun ilmavirtausnopeus on 150 - 400 ml/min 1 mbaariin paine-erolla. Tämä yhdistelmä tekee siitä toimivan useimmissa teollisuus- ja kuluttajapakkaussovelluksissa.
Kemiallinen kestävyys ei ole yksittäinen ominaisuus. Se on yhteensopivuusmatriisi tulpan materiaalin, kemiallisen aineen, pitoisuuden ja altistuslämpötilan välillä. Säiliöiden kemikaalien kestävissä hengittävissä tulpissa käytetään kolmea yleisimmin käytettyä materiaalia:
| Materiaali | Haponkestävyys | Alkalin vastustuskyky | Liuottimen vastustuskyky | Tyypillinen käyttötapaus |
| ePTFE-kalvo | Erinomainen (HCl, H2SO4, HNO3) | Erinomainen | Erinomainen | Aggressiivinen kemikaalien varastointi, laboratorioreagenssit |
| HDPE-kotelo ePTFE | Hyvä 60 %:n pitoisuus | Erinomainen | Rajoitettu (ei aromaattisia liuottimia) | Teollisuusrummut, maatalouskemikaalit |
| Polypropeenikotelo PE-kalvo | Kohtalainen (vain laimeat hapot) | Hyvä | Köyhä | Ruokaastiat, miedot puhdistusaineet |
| 316L ruostumaton kotelo ePTFE | Erinomainen | Erinomainen | Erinomainen | Farmaseuttiset, erittäin puhtaat kemikaalisäiliöt |
PTFE on kemiallisesti inertti lähes kaikkia orgaanisia ja epäorgaanisia happoja, emäksiä ja liuottimia vastaan lähes 100 %:n pitoisuuksiin asti. Ainoat aineet, jotka hyökkäävät PTFE:tä vastaan, ovat sulat alkalimetallit ja alkuainefluori, joita ei kumpaakaan tavata tavallisissa pakkausskenaarioissa. Tämä tekee ePTFE-kalvoista oletusspesifikaation kaikille säiliöille, jotka sisältävät tai käsittelevät aggressiivisia kemikaaleja.
200 litran tynnyri, jossa on 35 % suolahappoa, tuottaa 0,3 - 0,8 baarin sisäiset paineenvaihtelut päivittäisten 10 - 35 C lämpötila-jaksojen aikana. Ilman hengittävää tulppaa rummun tiiviste joko ilmapallolla tai romahtaisi. 1,5 baarin LEP:n ePTFE-tulppa poistaa paineen ja estää happohöyryn karkaamisen.
Sovita aina tulpan kotelon materiaali kemikaaliin, ei vain kalvoon. Polypropeenikoteloon liimattu ePTFE-kalvo epäonnistuu asetoni- tai tolueeniympäristöissä, vaikka itse kalvo on liuottimenkestävä, koska kotelo halkeilee tai pehmenee ennen kalvon hajoamista.
Lämpötila vaikuttaa suoraan sekä kalvon läpäisevyyteen että kotelon rakenteelliseen eheyteen. Pakkaussäiliöiden lämpötilankestäviä tuuletustulppia varten käyttöalue määrittää käyttökategorian.
| Lämpötila-alue | Sopiva materiaali | Kalvon tyyppi | Tyypilliset sovellukset |
| -40C - 80C | Polypropeeni | Mikrohuokoinen PE tai PP | Elintarvikepakkaukset, kulutustavarat, kylmäketju |
| -40 - 120 astetta | HDPE tai nylon 66 | ePTFE | Autonesteet, teollisuussäiliöt |
| -40C - 175C | Polysulfoni (PSU) | ePTFE | Moottoriöljyt, hydraulijärjestelmät, akut |
| -55C - 200C | PVDF tai PEEK | ePTFE | Kemialliset reaktorit, ilmailukomponentit |
| Jopa 260 C (ajoittain) | Täysi PTFE runko | ePTFE | Autoklaavisäiliöt, sterilointilaitteet |
Korkeissa lämpötiloissa tapahtuu kaksi asiaa samanaikaisesti: kaasun viskositeetti laskee (ilman virtaus paranee kalvon läpi) ja kotelomateriaali lähestyy pehmenemispistettään. Polypropeenitulppa, jonka lämpötila on 120 °C, alkaa muuttaa muotoaan 115 °C:ssa kuormituksen alaisena. Vähintään 20 C marginaalin määrittäminen materiaalin maksimiarvoa pienemmäksi on normaali suunnittelukäytäntö.
Alhaisissa lämpötiloissa kalvon huokosrakenne supistuu hieman, mikä vähentää ilmavirtausta 15-25 % -40 C:ssa verrattuna 23 C:n perusviivaan. Kylmäketjusovelluksissa tämä on otettava huomioon paineentasauslaskelmassa.
Tämä on keskeinen suunnitteluhaaste jokaiselle hengittävien tulppien valmistajalle. Nämä kaksi ominaisuutta ovat luonnostaan jännityksessä: suuremmat huokoset parantavat ilmavirtausta, mutta vähentävät nesteen sisääntulopaineen kynnystä. Ratkaisu on ohjata neljää muuttujaa samanaikaisesti.
Tasainen huokoskoko kalvon pinnalla estää heikkoja kohtia. Teollisuuslaatuisten ePTFE-kalvojen huokoskoon poikkeama on alle plus tai miinus 15 % kalvon alueella. Huokosten satunnainen jakautuminen heikompilaatuisesta tuotannosta luo paikallisia paineen alaisia vuotokohtia.
Paksummat kalvot (80-200 mikronia) tarjoavat korkeamman LEP:n, mutta rajoittavat ilmavirtausta. Ohuemmat kalvot (25 - 60 mikronia) läpäisevät ilmaa nopeammin, mutta vaativat pienempiä käyttöpaineita. Monikerroksiset laminaatit yhdistävät ohuen toiminnallisen kalvon tukikerroksen kanssa saavuttaakseen molemmat tavoitteet.
Pinnan hydrofobisuus (kosketuskulmalla mitattuna) määrittää, kuinka voimakkaasti kalvo hylkii vettä. ePTFE saavuttaa luonnollisesti 105-130 asteen kosketuskulmat. Jotkut kalvot saavat ylimääräisiä fluoripolymeeripinnoitteita työntämään tämän yli 140 astetta (superhydrofobinen), jolloin ne hylkivät pinta-aktiivisia aineita sisältäviä nesteitä, jotka muuten tunkeutuisivat standardikalvojen läpi.
Kokonaisilmavirta tulpan läpi on verrannollinen paljaalle kalvon alueelle. Tulppa, jonka aktiivinen halkaisija on 10 mm, tuottaa noin 4 kertaa ilmavirran halkaisijaltaan 5 mm:n tulppaan verrattuna samalla huokoskoolla ilman, että vuodonestoteho muuttuu. Aktiivisen alueen kasvattaminen on ensisijainen menetelmä ilmavirran parantamiseksi LEP:stä tinkimättä.
Nämä kaksi tiivistystekniikkaa palvelevat vastakkaisia toiminnallisia tavoitteita ja ovat joskus hämmentyneitä, koska ne vievät saman säiliön aukon. Eron ymmärtäminen estää kalliita määrittelyvirheitä.
| Omaisuus | Alumiinifoliotiiviste | Hengittävä tulppa |
| Ensisijainen toiminto | Täydellinen hermeettinen tiiviste, peukalointitodistus | Paineen tasaus, tuuletus |
| Kaasunläpäisevyys | Nolla (este kaikille kaasuille) | Korkea (selektiivinen kaasunsiirto) |
| Nestesulku | Täydellinen | Täydellinen (under rated pressure) |
| Uudelleen käytettävä | Ei (kertakäyttöinen, kuorittu) | Kyllä (suunniteltu käyttöikään) |
| Paras sovellus | Farmaseuttiset tabletit, elintarvikejauheet, suljetut nesteet | Kemialliset tynnyrit, autosäiliöt, akkukotelot |
| Paineenkäsittely | Epäonnistuu (repeutuu) sisäisen paineen alaisena | Suunniteltu jatkuvaan paineenkiertoon |
| Lämpötilaraja | Jopa 130 C (induktiotiivisteluokka) | Jopa 260 C (PTFE-laatu) |
Alumiinifoliotiivisteet ovat oikea valinta, kun sisällä oleva tuote on eristettävä täysin ilmasta, kosteudesta ja hapesta koko säilyvyyden ajan. Hengittävät tulpat ovat oikea valinta, kun säiliössä tapahtuu paineen muutoksia ja jäykkä tiiviste joko repeäisi tai romahtaisi säiliön seinät. Joissakin pakkausjärjestelmissä käytetään molempia: kalvovuoraus alkuperäiseen hermeettiseen sulkemiseen täytön ja kuljetuksen aikana, jonka loppukäyttäjä poistaa, ja hengittävä tulppa asennettuna jatkuvaa varastointia varten, kun säiliö on aktiivisessa käytössä.
Jopa paras hengittävä tulppa epäonnistuu, jos se asennetaan väärin tai väärän kierteen kokoon. Useimmat tulpat toimitetaan vakiomuotoisina metrisinä (M12, M16, M20, M26) ja NPT (1/8, 1/4, 3/8 tuuman) kierrekokoonpanoina. Asennuksen aikana käytetty vääntömomentti vaikuttaa suoraan tiivistetiivisteen puristumiseen, mikä luo vuotottoman rajapinnan tulpan ja säiliön välille.
Kun arvioit pakkaussäiliöiden hengittävien tulppien toimittajia, pyydä dokumentaatio näille seitsemälle parametrille. Kaikki toimittajat, jotka eivät pysty toimittamaan testitietoja näistä kohdista, on suljettava spesifikaatiosta.
| Erittely | Miksi sillä on merkitystä | Hyväksyttävä vertailuarvo |
| Nesteen sisääntulopaine (LEP) | Määrittää suurimman nestepaineen, jonka tulppa kestää vuotamatta | Vähintään 1,0 bar useimpiin teollisiin käyttötarkoituksiin |
| Ilmavirtausnopeus | Määrittää paineen tasausnopeuden | 100 - 400 ml/min 1 mbar erolla |
| Käyttölämpötila-alue | Vahvistaa rakenteen ja kalvon eheyden koko käyttöalueellasi | Soveltuu sovellukseen plus 20C marginaali |
| Kemiallinen yhteensopivuusluettelo | Vahvistaa, että kotelo ja kalvo pysyvät kosketuksessa tietyn aineen kanssa | Täysi upotustestitiedot, ei vain yleisiä arvioita |
| IP-luokitus (jos sovellettavissa) | Vahvistaa pölyn ja veden pääsyn suojan elektroniikkaan tai ulkokäyttöön | IP67 vähintään ulkokäyttöön |
| UV-kestävyys | Soveltuu ulkovarastointisäiliöihin ja alttiisiin asennuksiin | 1000 tunnin UV-vanheneminen ilman halkeilua |
| Sertifikaatit | Elintarvikkeiden, lääkkeiden tai kemikaalien käsittelyn säännöstenmukaisuus | FDA 21 CFR, RoHS, REACH soveltuvin osin |