Разработка гибкой полимерной упаковки с улучшенными барьерными свойствами Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 66.095.26:655.3.026.25

Н.А. Заживихина, Е.Л. Колбина

Омский государственный технический университет, г. Омск

РАЗРАБОТКА ГИБКОЙ ПОЛИМЕРНОЙ УПАКОВКИ С УЛУЧШЕННЫМИ БАРЬЕРНЫМИ СВОЙСТВАМИ

Срок хранения продуктов - основной вопрос, возникающий у производителей продуктов питания при выборе упаковочного материала.

Большинство товаров, выпускаемых промышленностью, транспортируют, хранят и отпускают потребителю в упаковке. Вторым по важности упаковочным материалом, производимым в России, являются полимерные пленки.

Для более длительного и качественного хранения продуктов, в основном, используют полимерные материалы, обладающие максимальными барьерными свойствами. Барьерные свойства это способность препятствовать проникновению кислорода, углекислого газа, во-

362

дяного пара, различных запахов, УФ-излучения и других видов воздействия на упакованный продукт. Устойчивая атмосфера внутри упаковки способна предотвратить развитие вредоносных микроорганизмов и сохранить качество продукта длительное время.

Основными факторами, влияющими на качество продовольствия при хранении, являются: УФ-облучение, воздействие кислорода, водяного пара и температуры.

Защитой от воздействия этих факторов, является придание упаковке барьерных свойств:

6. светопроненицаемости - т. к., например, УФ-облучение приводит к разрушению в продуктах витаминов, кроме того некоторые типы излучения катализируют нежелательные реакции в продуктах, особенно в светочувствительных веществах;

7. газонепроницаемость, особенно, кислорода, способствующего окислению, развитию микроорганизмов, потере запаха и разрушению витаминов;

8. влагонепроницаемость - присутствие влаги создает условия, которые могут способствовать развитию микробов, ухудшению эксплуатационных характеристик упаковки;

9. теплонепроницаемость - тепло ускоряет все химические реакции в продукте.

Взятые по отдельности полимерные пленки, не обладают универсальными свойствами

способными обеспечить всю палитру барьерных свойств. Поэтому для улучшения барьерных свойств различными способами (склеиванием, соэкструзией) создаются многослойные пленки.

Целью данной работы является улучшение барьерных свойств полимерной пленочной упаковки при не высокой стоимости ее изготовления.

В настоящее время существуют следующие способы изменения барьерных свойств гибкой полимерной упаковки:

1. Изготовление многослойных и комбинированных пленочных материалов, где каждый слой выполняет свои функции, количество слоев в упаковке уже достигает одиннадцати, дальнейшее увеличение слоев не целесообразно ввиду усложнения производства и увеличения стоимости конечного продукта.

2. Модификация поверхности, позволяющей улучшить барьерные свойства полимерных пленочных материалов, это может быть достигнуто прямым фторированием поверхности пленок в атмосфере различных газов.

3. Введение наночастиц в процессе производства пленки из расплава, которое позволяет кардинально изменить свойства упаковочного материала при наименьших материальных затратах.

Наименее затратным и наиболее быстро реализуемым является способ прямого фторирования полимерных пленочных материалов, когда фторированию подвергаются промышленно выпускаемые пленочные упаковочные материалы. Полиэтиленовые трехслойные пленки произведенные на ООО «Планета-Центр», фторирование осуществлялось на лабора-

торной установке кафедры «Химии и технологии материалов современной энергетики» Северского технологического института НИЯУМИФИ.

Фторирование изменяет свойства поверхности полимеров путем практически полного разрыва С-Н и С-ОН связей и насыщение двойных (сопряженных) связей фтором с образованием групп C-F, C-F2 и C-F3 вследствие того, что энергия связи CF значительно превосходит энергии связи С-Н и С-ОН, это приводит к улучшению барьерных свойств, за счет снижения проницаемости пленок кислородом. Прямое фторирование пленок осуществлялось фтором в атмосфере кислорода или азота[4].

Наиболее важным, с точки зрения улучшения барьерных свойств пленки, является снижение ее проницаемости кислородом. Оценку проницаемости проводили путем измерения скорости, прохождения кислорода через испытуемый материал. Данные исследования

363

проводили на приборе OX-TRAN Model 2/21 компании Mocon с основным модулем МН. В результате исследования было установлено, что обработка молочных пленок фтором в атмосфере азота позволяет снизить проницаемость кислородом по сравнению с контрольным образцом на 44 % (172 cc-mil/[m2-day]). Обработка молочных пленок фтором в атмосфере кислорода снижает проницаемость кислородом на 40 % (182 cc-mil/[m2-day]) по отношению к контрольному образцу. Проницаемость контрольного образца составила 305 cc-mil/[m2-day].

Изменение свойств поверхности приводит к изменению печатно- технических, деформационных и релаксационных свойств, а также может повлиять на режимы сварки молочных пакетов.

Полиэтиленовая пленка при проводке через печатную машину способна изменять свои размеры, что может сказаться на качестве печати, приводя к не совмещению красок, либо к их отслоению. Поэтому контроль за деформационными свойствами и процессами релаксации является важным фактором в процессе печати. На рис. 1-3 представлена релаксация полиэтиленовой и модифицированной пленки в области малых нагрузок и деформаций в долевом направлении, т. к. это соответствует направлению проводки пленки в печатной машине [1].

Рис. 1. Диаграмма растяжения и релаксации деформаций пленки без обработки в долевом направлении

Рис. 2. Диаграмма растяжения и релаксации деформаций пленки обработанной фтором в атмосфере азота в долевом направлении

0 5М 10% 15%

________________________________Относительное удлинение, %_____________________________________

Рис. 3. Диаграмма растяжения и релаксации деформаций пленки обработанной фтором в атмосфере кислорода в долевом направлении

Как видно из полученных результатов при двухпроцентной деформации пленок обработанных фтором в атмосфере азота происходит полная релаксация деформации, а для пленок обработанных фтором в атмосфере кислорода при тех же условиях деформирования ос-

364

таточная деформация составляет 0,5%. Таким образом пленки фторированные в атмосфере азота не будут вызывать искажения в процессе печати.

Другим важным условием печати на полиэтилене является активация его поверхности, косвенным отражением которой является изменение краевого угла смачивания. На практике активация поверхности достигается путем ее обработкой коронным разрядом. Фторирование также активирует поверхность и можно предположить, что после обработки печать без коро-нирования будет осуществима. Для контроля краевого угла смачивания была выбрана тест жидкость 56дин/см, на рис 4-6 представлено изменение формы капли на некоронированной стороне пленки при обработке в атмосфере азота (рис. 5.) и кислорода (рис. 6.) по сравнению с контрольным образцом (рис. 4.)

Рис. 4. Форма капли для контрольного образца на некоронированной стороне

Рис. 6. Форма капли для фторированной пленки в атмосфере кислорода на некоронированной стороне

Полученные на пробопечатном устройстве пробные оттиски показали хороший перенос краски с анилоксного вала на поверхность пленки и закрепления краски, которое контролировалось стандартным «скотч тестом».

Оценка прочности сварных швов проводилась для Т-образных и нахлесточных сварных соединений, с одно- и двухсторонним подводом тепла, со сваркой при различной комбинации внутренних и внешних слоев. Результаты исследования показали, что активация поверхности фторированных пленок требует корректировки режимов сварки[3]. Для пленок фторированных в атмосфере азота оптимальная температура составляет 111°С при двухстороннем подводе тепла к зоне сварки, и 167 °С при одностороннем. Активированные пленки в атмосфере кислорода не формируют сварного шва ввиду большой активации поверхности[2].

Выводы по проделанной работе:

• Фторирование полиэтиленовых молочных пленок в атмосфере азота и кислорода приводит к понижению кислородопроницаемости на 40-44% по сравнению с контрольным образцом.

• Фторирование улучшает печатно-технические свойства полиэтиленовых пленок.

365

• Фторирование полиэтиленовых пленок приводит к повышению прочности сварных соединений, но требует корректировки температурного режима процесса сварки.

Библиографический список

1. Баблюк, Е. Б. Свойства полимерных пленок и особенности печати на них [Текст] / Е. Б. Баблюк // Publish. - 2007. - № 7. - С. 25 - 28.

2. Заживихина, Н. А. Оптимизация режимов сварки полимерных барьерных пленок в процессе изготовления гибкой пищевой упаковки [Текст] / Н. А. Заживихина, Е. Л. Колбина // Омский научный вестник. Серия Приборы, машины и технологии. - 2010.- № 2(90). -С . 80-82.

3. Колбина, Е. Л. Исследования процессов сварки многослойных кашированных полимерных пленок/ Е. Л. Колбина, Н. А. Елецкая // Динамика систем механизмов и машин: материалы VII Междунар. науч.-техн. конф. / ОмГТУ. - Омск, 2009.- Кн. 2. - С. 359-363.

4. Харитонов, А. П. Прямое фторирование полимерных изделий - от фундаментальных исследований до практического использования [Текст] / А. П. Харитонов, Б. А. Логинов // Российский химический журнал. - 2008. - Т. LII. - № 3. - С. 106 - 110.