CC BY
23
УДК 621.798; 664 (075.8)
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ УПАКОВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
А.М. Рожков
Проведены исследования, позволяющие оценить влияние прочностных свойств упаковочных полимерных материалов и температуры на деформационную долговечность при ползучести в области быстрого нарастания деформации, предшествующей разрушению, и при длительном нагружении.
Ключевые слова: полимерная тара, прочность, долговечность, упаковка пищевых продуктов.
Для упаковки сыпучих пищевых изделий (крупы, макароны, орехи, добавки и т.п.) широко применяют тару из полимерных или комбинированных упаковочных материалов, например, в виде плоских или объемных пакетов с тремя или четырьмя швами.
При проектировании тары для сыпучих продуктов необходимо принятие целого ряда оптимальных решений в комплексе взаимосвязанных задач, представленных на рис. 1. Немаловажными задачами при проектировании являются учет особенностей транспортирования, хранения, распределения, продажи и потребления упакованной продукции, а также изучение технологии утилизации использованной упаковки [1].
Рис. 1. Задачи проектирования оптимальной конструкции тары для упаковывания сыпучих продуктов
В работе [2] были рассмотрены основные виды пакетов и фасовоч-но-упаковочное оборудование, которое для них используется, были получены выражения, позволяющие оценить, как на количество получаемых пакетов влияют основные габаритные размеры пакета, площадь полимерной пленки. Было выявлено, что для обеспечения рационального расхода упаковочного материала, необходимо выполнить следующее. Во-первых, правильно определить габаритные размеры тары и ее швов, при которых расход материала будет минимальным, но целостность пакета при его транспортировке и хранении, исключающая просыпание сыпучего продукта, не будет нарушена. Во-вторых, унификация размеров пакета позволит стандартизировать фасовочно-упаковочное оборудование, снизив себестоимость тары.
Для обеспечения целостности полимерного пакета с сыпучим продуктом необходимо проанализировать прочностные свойства упаковочного материала. Выбор материала мягкой тары является многофакторной оптимизационной задачей, основанной на комплексе требований, выдвигаемых к упаковке ее основными функциями, упаковываемым продуктом, печатным и упаковочным оборудованием.
Одним из важных свойств надежности упаковочных материалов является долговечность, которая заключается в свойстве материала сопротивляться развитию постепенного разрушения, обеспечивая выполнение полимерной тарой требуемых функций в течение необходимого временного ресурса.
Было выявлено, что при малых длительно действующих статических нагрузках характер временной зависимости вязкоупругих свойств полимерных материалов практически не связан с величиной напряжения. При более высоких нагрузках вязкоупругие свойства полимеров становятся нелинейными. При этом временная зависимость вязкоупругих свойств становится функцией напряжения [3].
Для определения и анализа деформационной долговечности упаковочного полимерного материала при ползучести в области быстрого нарастания деформации, предшествующей разрушению, воспользуемся выражением, оценивающим долговечность формы в зависимости от основных прочностных характеристик материала
Г / Л
Е0-у о
tф = А ■ ехр
(1)
Я ■ Т
где А - постоянная материала; Ео - энергия активации процесса ползучести; у/ - коэффициент интенсивности напряжения; о - разрушающее напряжение; Я - универсальная газовая постоянная; Т - температура деформации [3].
Проанализируем, как на величину tф влияют прочностные свойства
некоторых видов полимерных материалов: полистирол, полиметилметак-рилат, поливинилхлорид. Каждый из этих материалов характеризуется свойствами, представленными в табл. 1. Для дальнейшего исследования все параметры упаковочных материалов были переведены в общепринятые единицы размерностей.
Для исследования степени влияния основных параметров упаковочных материалов на долговечность формы при различных температурах в программе ЫмИСАО были построены графики для трех рассмотренных видов полимерных материалов при деформации растяжением. Полученные графики зависимостей долговечности формы от температуры представлены на рис. 2.
Графики показывают, что наилучшими прочностными свойствами при деформации растяжения обладает полистирол, затем полиметилметак-рилат и на последнем месте поливинилхлорид. Долговечность формы дан-
ных материалов в области быстрого нарастания деформации, предшествующей разрушению составляет от 0,38 до 0,07 с для полистирола, от 0,3 до 0,01 с для полиметилметакрилат при диапазоне температур от 200 до 400 К и от 0,27 до 0,001 с для поливинилхлорида при температурах от 200 до 250 К.
Таблица 1
Основные прочностные свойства полимерных упаковочных
Название полимера А, с Ер, ккал/моль у/ ккал • мм2 моль•кгс а, МПа
полистирол 10-2 188 48 35
полиметилметакрилат 10-5 150 20,2 53
поливинилхлорид 10-13 185 14 50
Рис. 2. Графики зависимостей долговечности формы от температуры для упаковочных полимерных материалов: 1 - полистирол; 2 - полиметилметакрилат; 3 - поливинилхлорид
При длительном нагружении упаковочных полимерных материалов необходимо использовать обобщенную формулу для вычисления долговечности т полимеров
Гтт.
т = тд • ехр
и0-уа V Я • Т
(2)
в которой Т0 - коэффициент, характеризующий скорость тепловых колебаний атомов полимерного упаковочного материала; и 0 - энергия активации процесса разрушения; у - коэффициент снижения энергии активации разрыва химических связей при действии приложенного напряжения
[3].
Проанализируем, как на долговечность полимеров влияют их прочностные свойства. Проведем исследования для рассмотренных ранее видов полимерных материалов, свойства которых приведены в табл. 2. Для дальнейшего исследования по аналогии с предыдущими расчетами все параметры упаковочных материалов были переведены в общепринятые единицы размерностей.
Таблица 2
Основные прочностные свойства полимерных упаковочных _материалов при определении их долговечности _
Название полимера т0, с Ц/д, ккал/моль у ккал • мм 2 моль•кгс О, МПа
полистирол 10-13 55 5 35
полиметилметакрилат 57 2,6 53
поливинилхлорид 35 0,75 50
Для исследования степени влияния основных параметров упаковочных материалов на долговечность при различных температурах были построены графики для трех рассмотренных видов полимерных материалов при деформации. Полученные графики зависимостей долговечности от температуры представлены на рис. 3.
Т,с[-
600 V" 1
4001\\
200 0
200 210 220 230 240 Т, К
Рис. 3. Графики зависимостей долговечности от температуры
при длительном нагружении для полимерных материалов: 1 - поливинилхлорид; 2 - полистирол; 3 - полиметилметакрилат
Графики показывают, что наилучшими прочностными свойствами при длительном нагружении обладает поливинилхлорид, затем полистирол, полиметилметакрилат на последнем месте. Максимальная долговечность данных материалов при длительном нагружении 660 с для поливи-нилхлорида, 450 с для полистирола и 310 с для полиметилметакрилата при температуре 200 К. При этом к температуре 220 К долговечность резко снижается, практически падая до нуля.
Таким образом, исследование прочностных свойств некоторых видов полимерных упаковочных материалов показали, что при ползучести в области быстрого нарастания деформации, предшествующей разрушению, наиболее прочным оказался полистирол, а при длительном нагружении -поливинилхлорид. Это необходимо учитывать при выборе упаковочных материалов для пищевых продуктов.
Список литературы
1. Ефремов Н.Ф. Проблемы САПР в производстве мягкой тары // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2012. № 2. С. 29-39.
2. Рожков А.М. Обеспечение рациональных параметров полимерной тары в форме пакетов для сыпучих пищевых продуктов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 3. С. 433-438.
3. Ефремов Н.Ф., Лемешко Т.В., Чуркин А.В. Конструирование и дизайн тары и упаковки: учебник. Москва: МГУП, 2004. 424 с.
Рожков Александр, Михайлович, магистрант, rojkov. am@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
RESEARCH OF STRENGTH PROPERTIES POLYMER PACKAGING MA TERIALS
A.M. Rozhkov
The article presents studies that allow us to evaluate the influence of the strength properties of packaging polymer materials and temperature on the deformation durability during creep in the area of rapid increase of deformation preceding destruction, and under prolonged loading.
Key words: polymer packaging, strength, durability, packaging offood products.
Rozhkov Alexander Mikhailovich, masters, rojkov.am@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.798; 664 (075.8)
АНАЛИЗ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ФАСОВОЧНО-УПАКОВОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ПОСЫПКЕ ЭСКИМО
М.Б. Иголкина
Выявлены оптимальные условия процесса посыпки эскимо сухими пищевыми компонентами и параметры работы фасовочно-упаковочного оборудования, позволяющие равномерно распределить по поверхности мороженого и минимизировать потери компонентов смеси.
Ключевые слова: мороженое, эскимо, фасовочно-упаковочные линии, посыпка мороженого.
Эскимо на палочке с посыпкой из различных видов сухих продуктов, например, орехов, шоколадной крошки, кукурузных хлопьев, мармелада, кокосовой стружки и др. является одним из распространённых современных видов мороженого в виду привлекательного внешнего вида мороженого, неповторимого хруста и приятных вкусовых ощущений [1].
В предыдущей статье были проведены теоретические и экспериментальные исследования процесса посыпки мороженого сухими пищевыми изделиями в процессе его фасовки и упаковки. Было выявлено, для эскимо в молочном шоколаде с посыпкой из кешью, грецких орехов
355
