CC BY
22
ш
УПАКОВКА И ЛОГИСТИКА
УДК 621.798.188
Разработка упаковочных материалов
с использованием нанотехнологий
О.Б. Федотова, канд. техн. наук ВНИИ молочной промышленности
Одна из важнейших задач молочной промышленности - стабилизация качества и обеспечение высокой хранимоспособности молочных продуктов, в частности, сухого молока и молочных консервов. Для ее эффек-
Характеристики образцов
Показатель Номер образца
1 2 3 4
Скорость газопроницаемости, м-с-1 Па-1: по кислороду (3,3-3,7)х 10-13 (4,5-5,5)х 10-13 4,5х 10-13 (2,2-2,6)х 10-14
по углекислому газу (0,85-0,95)х 10-13 (1,15-1,40)х 10-13 1,15х 10-13 (0,55-0,65)х 10-14
Ароматопроницае-мость, ч > 500 > 500 > 500 > 500
Паропроницаемость, г/м2 за 24 ч 2,3 2,1 3,2 1,2
Условное обозначение материала Арома-топро-ницае-мость, ч Паропро- ницае-мость, г/м2 за 24 ч Скорость газопроницаемости, м-с-1 Па-1
по О2 по СО2
Обр. 1 > 500 1,2 1>10-13 4>10-13
Обр. 2 > 500 1,5 1,2^10-13 5>10-13
Обр. 3 > 500 1,0 0,55^10-13 2>10-13
Ключевые слова: упаковочные материалы; нанотехнологии; хранение; молочные продукты; магнетронное распыление; алюминий.
Таблица 1
Key words: packing materials; nanotechnologies; storage; dairy products; magnetron dispersion; aluminum.
Рис. 1. Принципиальная схема получения нового материала
Таблица 2
Барьерные характеристики полученных материалов
тивного решения применяют различные способы и приемы, связанные с очисткой молока, сохранением его нативных составляющих и полезной микрофлоры, разработкой и совершенствованием технологических приемов переработки, использованием новых стабилизирующих компонентов, например, дегидрокверт-цетина в сухом молоке и пр.
Однако проблематично подобрать упаковочный материал, сохраняющий совокупное качество и безопасность в течение времени, требуемого для хранения в нем продукта. Процессы старения материалов упаковки, в зависимости от воздействующих факторов, протекают с разной интенсивностью и определяют сроки годности всех упаковочных материалов. Как правило, это 6 мес, реже -12 мес со дня изготовления.
Если проанализировать жизненный цикл упаковочных материалов, то до их контакта с продуктом проходит существенный промежуток времени. Это стадии нахождения материала на складе тарного предприятия, транспортирование, нахождения на складе молокоперерабатыва-ющего предприятия.
В эту цепочку возможно включение еще одного блока - транспортирование и хранение на складах компании-посредника. Таким образом, фасование продукта с установленным сроком годности, например, 12 мес, уже рискованно, даже в упаковочный материал с установленным сроком годности 12 мес.
В связи с вышеизложенным создание упаковочного материала со стабильными показателями качества и безопасности при длительном хранении - актуальная проблема для молочных и пищевых продуктов большого срока годности.
Для получения требуемого материала предложена и использована комбинированная технология, один из этапов которой - технологический процесс вакуумной металлизации методом магнетронного напыления рулонных материалов.
Реализация предлагаемой технологии стала возможна в результате изучения закономерностей процессов термовакуумного и магнетронного напыления индивидуальных металлов и их комбинаций на полимерные субстраты различной породы.
В производстве упаковочных металлизированных материалов основной напыляемый металл - алюминий. Это обусловлено его относительной дешевизной, сравнительно низкой температурой испарения (-1400 °С при давлении 10-2 Тор) и хорошими декоративными и защитными свойствами напыленного слоя. Последнее связано с наличием на пленке алюминия тонкого и прочного слоя оксида алюминия, препятствующего его дальнейшему окислению.
Серьезный недостаток термовакуумной технологии - невозможность нанесения слоев сплавов, что обусловлено процессами их возможного фракционирования и невозможности получения покрытия требуемого состава.
Принципиально иной процесс перевода металла в пар реализуется в установках магнетронного распыления. Оно представляет собой по существу аномальный тлеющий разряд в поперечном (относительно электрического поля) магнитном поле, которое сформировано над катодом (мишенью) из распыляемого материала. Процесс магнетронного распыления принципиально атомарный, т. е. при нем в покрытии не образуются микрокапель.
во ПИЩЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ 2/2011
PACKAGING AND LOGISTICS
2500
2000
1500
1000
500
1996 г. 2010 г. обр. 1
1996 г. 2010 г. обр. 2
продольный шов
1996 г. 2010 г. обр. 1
1996 г. 2010 г. обр. 2
поперечный шов
Рис. 3. Изменение прочности сварных швов комбинированного материала с магнетронным напылением при длительном хранении
0
При отработке наилучшего состава покрытий на ПЭТФ (лавсан) пленку апробировали в следующих вариантах комбинаций оксидов и нитридов металлов: №1- А1_1\1-Си-А1_1\1-Т1-26 %; № 2 - А1_-Си-А1_; № 3 - А1_1\1; № 4 - ТЮ2 -Си-ТЮ2. Толщина полученных покрытий - 10-30 нм.
Результаты исследований полученных образцов (табл. 1) показывают, что по сравнению с аналогичными образцами с напылением алюминием (скорость газопроницаемости по О2 в среднем 1х10-10 (-11)), скорость их газопроницаемости практически на два - три порядка ниже.
Наилучшими показателями непроницаемости обладает образец № 4, однако это оказался самый экономически нецелесообразный вариант, поэтому для дальнейшего использования был выбран образец № 2.
Изучение особенностей формирования адгезионных соединений в многослойных и комбинированных системах из разнородных материалов и компонентов позволило предложить и реализовать два технологических процесса получения готового упаковочного материала (экст-рузионное ламинирование и каши-рование), содержащего в своей структуре термосвариваемый ПЭ-слой, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.
Получено три варианта материала: образец 1 - лавсан/металлизированный слой/адгезионный слой/ пленка из ПЭ марки 15803-020; образец 2- металлизированный слой/лавсан/адгезионный слой/ пленка из ПЭ марки 15803-020; образец 3 - металлизированный слой/лавсан/ПЭ слой марки 16803070 из расплава.
Результаты определения барьер-
ных характеристик полученных материалов приведены в табл. 2.
Сравнение данных табл. 1 и 2 свидетельствует о том, что уровень показателей непроницаемости готовых комбинированных материалов выше, чем индивидуального металлизированного слоя, в частности, ламинированного материала, при производстве которого, скорее всего, имеющиеся микродефекты были залечены расплавом полиэтилена.
При длительном хранении образцов разработанного материала его основные показатели качества практически не меняются, о чем свидетельствуют результаты определения сопротивления расслаиванию и прочности сварных швов (рис. 1, 3). Видно, что адгезионная прочность даже несколько увеличивается, т. е. при хранении происходит упрочнение комбинированного материала.
При оценке санитарно-гигиенических показателей образцов материала через 14 лет их хранения был получен неожиданный результат.
При длительном хранении в плотно смотанном рулоне не произошло ухудшения их показателей безопасности. Запах водных вытяжек не превышал 1 балла, продукт термоокислительной деструкции формальдегид-не обнаружен, низкомолекулярные продукты миграции отсутствуют. У обычных упаковочных материалов за указанный период времени значительно ухудшаются показатели безопасности, инициирование миграционных процессов, что свидетельствует об их старении и протекании деструктивных процессов.
По-видимому, происходит определенная стабилизация контактирующего с нанослоем слоя полиэтилена, которая и обеспечивает торможение деструктивных процессов и высокий уровень показателей безопасности комбинированного материала в целом.
Полученный эффект позволяет позиционировать разработанный материал как упаковочный материал для консервной продукции сверхвысоких сроков хранения.
ПИЩЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ 2/2011 61
