CC BY
35
IP
Т
УПАКОВКА И ЛОГИСТИКА ДЛЯ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
ТЕМА НОМЕРА
УДК 621.798.4:66.084
Повышение качества
комбинированных полимерных материалов и дизайн упаковки
В.В. Ананьев, канд. техн. наук, профессор, Ю.А. Филинская, канд. техн. наук, доцент, И.А. Кирш, канд. техн. наук, доцент, О.А. Банникова, аспирант, А.О. Уткин, аспирант Московский государственный университет пищевых производств
Упаковочная индустрия - наиболее интенсивно и эффективно развивающаяся отрасль экономики. Упаковка - неотъемлемая часть технологического процесса производства и реализации любого пищевого продукта, и играет важную роль в сохранении его качества. Комплекс требований, предъявляемых к упаковочным материалам, непрерывно расширяется, в том числе в связи с использованием высокоскоростных технологических линий и оборудования. Поэтому разработка новых и совершенствование существующих технологических процессов производства упаковочных материалов -актуальная задача сегодняшнего дня [1].
При выборе материала и способа упаковки исходят, прежде всего, из специфических свойств пищевого продукта, требуемого срока годности, возможных биохимических изменений продукта, вероятности его взаимодействия с упаковкой, степени защиты от влияния негативных внешних факторов. Тип и структура упаковочного материала влияют и на затраты при его использовании. Полимеры - материалы, наиболее полно отвечающие современным требованиям. Наряду с однослойными пленками для упаковки пищевых продуктов все шире применяют многослойные (МПМ) и комбинированные пленочные материалы (КПМ), так как за счет комбинирования полимерных материалов друг с другом, бумагой, металлами, а также их модификации можно достичь улучшения качества упаковки.
Для жидких продуктов питания (молоко, кефир, соки, вина и пр.) распространены материалы на основе бумаги и нескольких слоев поли-олефинов, получаемые методом эк-струзионного ламинирования [2]. При производстве КПМ в качестве герметизирующего термосваривае-мого слоя и слоя, обеспечивающего адгезионное взаимодействие между слоями, наиболее широко применя-
Ключевые слова: комбинированные полимерные материалы; дизайн упаковки; ультразвуковая обработка; полиэтилен.
Key words: combined polymeric materials; design of packaging; ultrasonic treatment; polyethylene.
ют ПЭНП. Однако низкая свободная поверхностная энергия ПЭНП и, следовательно, ограниченная способность к адгезионному взаимодействию обусловливают необходимость использования методов повышения этого взаимодействия с материалом основы. Особенно актуальна данная проблема в связи с постоянным стремлением производителей увеличивать производительность оборудования. Адгезионное взаимодействие в первую очередь определяется процессами смачивания поверхности пленки-основы расплавом и выступает определяющим фактором в гетерогенной системе.
В настоящее время одно из основных требований при производстве КПМ - высокая скорость их производства. Процессы формирования адгезионного взаимодействия при экструзионном ламинировании подразумевают формирование истинной поверхности контакта во время нанесения расплава на основу. При увеличении скорости процесса времени на смачивание поверхности становится все меньше. При очень высокой температуре расплава (300...320 °С) в нем могут протекать процессы сшивания, которые в основном локализованы во внешних слоях расплава и в дальнейшем препятствуют установлению интенсивного адгезионного взаимодействия. В связи с этим сопротивление расслаиванию по границе раздела слоев становится недостаточным для успешной эксплуатации. Поэтому улучшение эксплуатационных свойств композитов часто связано с изыска-
нием методов регулирования адгезионного взаимодействия между компонентами гетерогенной системы [3, 4].
Среди физических методов модификации наибольшее применение получили: лучевая обработка (радиационная обработка, радиацион-но-термическая обработка, обработка УФ-излучением), воздействие электромагнитных полей (электротермическая обработка, обработка в магнитных полях), газопламенная обработка, воздействие электрических разрядов, периодическое деформирование. Эти методы обработки инертных субстратов способствуют повышению поверхностной энергии и, следовательно, адгезии [5, 6]. К подобным технологическим приемам относится рассмотренный в данной работе метод ультразвуковой обработки расплава полимеров.
Известно, что ультразвуковая обработка (УЗ) приводит к изменению структуры макромолекул вследствие деструктивных процессов, протекающих в полимере, что позволяет увеличить адгезионное взаимодействие между подложкой и покрытием. Образцы КПМ получали на лабораторной экструзионно-ламинаторной установке, снабженной узлом УЗ-об-работки расплава непосредственно в процессе получения материала [7]. В качестве покрытия использовали ПЭНП и сополимеры полиэтилена, а в качестве подложки - картон и полимерные пленки. Адгезионную прочность полученных образцов определяли методом расслаивания под углом 180°. Испытания проводили на разрывной машине РМ-50, для обеспечения постоянного заданного угла было разработано приспособление в виде вращающегося цилиндра (рис. 1).
Результаты измерения сопротивления расслаиванию образцов, полученных экструзией на поверхность картона расплава ПЭ при 270 °С, приведены на рис. 2.
Как видно из диаграммы, обработка КР бумаги приводит к увеличению сопротивления расслаиванию материала. Но в то же время, обработка расплава ПЭ ультразвуком
обеспечивает значительно больший эффект как на исходной, так и на обработанной КР бумаге. При этом высокое адгезионное взаимодействие сохранялось у исследуемых материалов и после года хранения.
Данные, полученные при изучении поверхности расслоенных образцов методом световой микроскопии, позволили сделать вывод о лучшем смачивании поверхности картона расплавом в случае его УЗ-обработ-ки. При этом усилилось и адгезионное взаимодействие, о чем свидетельствует наличие значительного количества волокон, оставшихся на поверхности ПЭ после расслаивания (рис. 3).
На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что использование обоих методов (обработка подложки КР и обработка расплава полиэтилена УЗ) приводит к увеличению адгезионного взаимодействия. Но наибольший эффект повышения эксплуатационных свойств КПМ достигается при их совместном применении.
Далее для оценки изменения структурных изменений в расплаве при УЗ-обработке провели изучение молекулярно-массового распределения (ММР) в образцах ПЭ, экстру-дированных при различных температурах.
Исследования проводили на гель-хроматографе GPC/V 2000 марки Allians фирмы WATERS при следующих параметрах: колонка -STYRAGEL HT6E TOLUENE 7,8 на 300 мм, растворитель - трихлорбен-зол, концентрация растворов 1 мг/1 мл, поток раствора 1 мл/1 мин, калибровку проводили по полистиролу. Оценивали величины Mn (сред-нечислового), Mw (средневесового) молекулярного веса, а также условный показатель полидисперсности, характеризующий ширину молеку-лярно-массового распределения.
Результаты исследования молеку-лярно-массового распределения (ММР) в образцах ПЭ, экструдиро-ванных при различных температурах, приведены в таблице.
Как следует из результатов исследований, повышение температуры экструзии приводит к увеличению ширины ММР, как и УЗ-обработка расплава ПЭ при температуре 270 °C, но при 300 *C УЗ-обработка приводит к сужению ММР. Одновременно изменяются и значения средних молекулярных масс. При 300 *C снижается средняя молекулярная масса, что в сочетании с оценкой ММР позволяет сделать вывод о том, что УЗ-обработка расплава при высокой температуре уменьшает сшивание в
PACKAGING AND LOGISTICS FOR FOOD PRODUCTION
поверхностных слоях при экструзии. Мы считаем этот эффект одной из причин улучшения адгезионных характеристик материалов, полученных методом экструзионного ламинирования с УЗ-обработкой расплава. Достигнутые результаты могут быть реализованы на практике при соответствующей модернизации эк-струзионных установок или формующего инструмента (плоскощелевой головки) и оснащения их устройствами для УЗ-обработки.
Если высокое качество упаковочного материала позволяет привлечь производителей пищевой продукции, то внешний вид получаемой упаковки позволяет привлечь внимание потребителей к упакованному пищевому продукту и в результате повысить его продажи. Поэтому так важна возможность изготовления из материала широкого ассортимента конструкций для упаковки разнообразных товаров.
Зайдя в любой магазин, потребитель сталкивается с огромным количеством предлагаемой продукции, однако зачастую одинаковые конструкции, схожесть в художественном оформлении затрудняют выбор товара. Поэтому производителю лучше отступить от традиционной формы и стиля оформления упаковки, используемой для аналогичной продукции.
КПМ широко используются в качестве упаковки разнообразной молочной продукции, в том числе молочных коктейлей с различными вкусами: шоколада, ванили, банана и т. д. Однако в отличие, например, от йогуртов, ассортимент вкусов и наполнителей для этого продукта гораздо меньше. Вкусы традиционных для России лесных и садовых ягод и фруктов (малины, черники, земляники, смородины, вишни и т. д.) задействованы реже или отсутствуют, что создает предпосылки для развития данного направления. Привлечь внимание к такой продукции, не дать ей затеряться среди привычных вкусов могла бы оригинальная упаковка.
Поэтому в качестве примера использования КПМ было решено разработать упаковку для молочного коктейля с условным названием «Узорочье», состоящую из трех индивидуальных фигурных упаковок, по дизайну отличающихся от существующих аналогов и соответствующих названию «Узорочье» (старорусский стиль, характеризовавшийся затейливыми формами, обилием декора, живописностью силуэта).
При выборе конструкции предусматривалось использование нетрадиционной для данного сегмента продукции конструкции, которая привлечет внимание к продукту и в то же время будет удобна в эксплуатации. Каждый пакет рассчитывался на 200 мл продукта, так как данный объем востребован среди основных
140 120 100 80 60 40 20 0
1
2
3
4
5
6
7
8
Рис. 2. Сопротивление расслаиванию образцов вдоль и поперек, полученных экструзией на поверхность картона расплава ПЭ при 270 °С: 1 - ПЭ, нанесен на необработанную бумагу вдоль направления экструзии; 2- то же, но поперек; 3 и 4- ПЭ нанесен на бумагу, обработанную КР, вдоль и поперек; 5 и 6- ПЭ, обработанный УЗ, нанесен на необработанную бумагу, вдоль и поперек; 7 и 8- ПЭ, обработанный УЗ, нанесен на бумагу, обработанную КР, вдоль и поперек
Молекулярно-массовое распределение в образцах ПЭ, экструдируемых при различных температурах
Материал Mn Mw Полидисперсность
ПЭ при 200 °С 40534 179232 4,42
ПЭ при 270 °С 42769 175884 4,11
ПЭ при 300 °С 30214 151118 4,48 5,00
ПЭ с УЗ при 300 °С 29334 145322 4,95
а б в г
Рис. 3. Фотографии отслоенного полиэтилена, полученного экструзией при 270 °С с различными способами обработки: а - расплав полиэтилена наносили на поверхность необработанного картона; б - расплав полиэтилена наносили на поверхность картона, обработанного коронным разрядом; в - расплав полиэтилена, обработанный УЗ, наносили на поверхность необработанного картона; г- расплав полиэтилена, обработанный УЗ, наносили на поверхность картона, обработанного коронным разрядом
IP
Т
УПАКОВКА И ЛОГИСТИКА ДЛЯ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
ТЕМА НОМЕРА
потребителей молочных коктейлей -детей, подростков, молодежи, предпочитающих употреблять весь продукт сразу, «за один прием».
За основу конструкции был взят используемый для упаковки жидких продуктов тип «Тетра Брик», однако вместо традиционной формы «кирпичика» предложена форма кувшина или бокала и проведена их оптимизация с учетом назначения. При этом сохранились такие достоинства упаковки, как легкое вскрытие, устойчивость пакета (благодаря плоскому дну), компактность упаковки. Благодаря изогнутой форме упаковки не только привлекают внимание, но и могут частично «входить» одна в другую, образуя единый ряд на полке.
При разработке художественного оформления для соответствия названию, передачи русского стиля за основу взяли элементы и стили русских народных орнаментов. Орнамент, идущий в нижней части, для всех упаковок сделан одинаковым и включает изображение жар-птицы, являющейся исконно русским символом плодородия и процветания. Линейность расположения орнамента, создающая эффект перехода его с упаковки на упаковку, достаточное пространство однотонного ненавязчивого фона придает упаковке некую сдержанность и элегантность. Черновой макет упаковки представлен на рис. 4.
В цветовом оформлении упаковки использовались стимулирующие (теплые) цвета: красный (как волевой, жизнеутверждающий) и желтый (контактирующий, лучезарный), способствующие возбуждению и действующие как раздражители, повышающие аппетитность, привлекающие внимание к названию продукта, и в противовес им «мягкий» пастельный светло-розовый цвет для фона, приглушающий чистые цвета, пробуждающий в покупателе ощущение счастья, защищенности и вы-
. г -;-- ( j
fr г- '¿ЖХ
tÄK
__*
т !
Рис. 5. Упаковка для подарочного шоколадного набора
деляющий упаковку на фоне традиционного использования белого или яркого цветного фона в аналогичных упаковках.
Использование комбинированных материалов не ограничивается жидкими продуктами. Другим примером служит разработанная упаковка для подарочных кондитерских наборов, включающих конфеты и плитки шоколада. Вся серия выдержана в единой стилистике оформления, вызывает ощущение изысканности, индивидуальности такого подарка, использованы нежные оттенки, изображения цветов, а конструкция предполагает возможность многократного открывания упаковки (рис. 5).
Поэтому очень важно требование сохранения упаковкой презентабельного внешнего вида, в чем может помочь использование комбинирования материалов. Их применение не только надежнее защищает продукт, но и при запечатывании поверхности картона (или бумаги) краской с последующим нанесением слоя полиэтилена позволяет защитить напечатанное изображение от механических повреждений, воздействия влаги, жира. Даже если коробку многократ-
\ -/=—i (УЗОРОЧЬЕ)
шШ фЩЩ
Рис. 4. Макет упаковки для молочного коктейля
но брали в руки на ней не останется следов. Помимо защитных свойств полимерное покрытие придает поверхности глянец, блеск, делает цвета визуально более яркими, упаковка воспринимается «более живой», имеет «свежий» вид. Также повышается прочность материала, что важно, так как позволяет сохранять ее целостность при многократном открывании упаковки, извлечении и вкладывании коробки с продуктом в защитный пенал.
ЛИТЕРАТУРА
1. Колесниченко, М.Г. Пути совершенствования процесса производства мягкой тары/М.Г. Колесниченко, Н.Ф. Ефремов, А.А. Мандрусов// Вестник МГУПП. - № 5. - 2007. - С. 67-77.
2. Федотова, О.Б. Изучение изменения адгезионных свойств поверхностей упаковочных материалов при обеззараживании. Кафедре технологии молока и молочных продуктов МГУПБ 60 лет: Научное издание/ О.Б. Федотова. - М.: МГУПБ, 2005. -С. 127-130.
3. Назаров, В.Г. Поверхностная модификация полимеров/В.Г. Назаров. -М.: МГУПП, 2008. - 474 с.
4. Басин, В.Е. Адгезионная прочность/В.Е. Басин.- М.: Химия, 1981. - 208 с.
5. Кинлок, Э. Адгезия и адгезивы: Наука и технология/Э. Кинлок. - М.: Мир, 1991. - 484 с.
6. Аксенова, Т.И. Технология упаковочного производства: учебник/ Т.И. Аксенова, В.В. Ананьев, Н.М. Дворецкая. -М.: Колосс, 2002.
7. Уткин, А.О. Повышение адгезионной прочности многослойных полимерных материалов/А.О. Уткин.- М.: Пищевая промышленность. - 2010. - № 2. - С. 78-79.
