CC BY
31
УДК 678.027.36, 678-416
А. И. Загидуллин, Р. М. Гарипов, А. И. Хасанов, А. Ю. Григорьев, А. А. Козлов
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ СВАРКИ НА БАРЬЕРНЫЕ СВОЙСТВА СВАРНОГО ШВА
ТЕРМОУСАДОЧНЫХ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНОК
Ключевые слова: термоусадочные многослойные барьерные пленки, сварка полимерных пленочных материалов, кислородо-проницаемость многослойных барьерных полимерных пленочных материалов, паропроницаемость многослойных барьерных
полимерных пленочных материалов.
Изучено влияние усилия прижима сварных губок, времени и температуры сваривания на барьерные свойства термоусадочных многослойных полимерных пленочных материалов. Определены оптимальные технологические параметры сварки для полимерных пленок марок ПВБМ-50, ПБ С-47 и ПБ FP-27.
Keywords: shrinkable multilayer barrier film, welding polymer film materials, oxygen permeability of barrier multilayer polymeric
films, water vapor permeability of barrier multilayer polymeric films.
The effect of the sealing jaws clamping force, welding time and temperature on the barrier properties of the heat-shrinkable multilayer polymeric film materials. The optimal technological parameters for welding PVB M-50, PB S-47 and PB FP-27 polymeric films.
Введение
Наиболее распространенной причиной порчи пищевой продукции является попадание паров воды и кислорода воздуха внутрь упаковки, путем миграции молекул Н2О и О2 сквозь упаковочный материал [1]. В связи с этим, исследование барьерных свойств полимерных пленочных материалов является очень важной задачей с технологической точки зрения [2-3]. Требования для полимерных упаковочных материалов по величинам их газо- и паропроницаемости в настоящее время очень жесткие [4-7], что способствует продлению срока годности упакованного пищевого продукта. Однако высокие барьерные свойства многослойных полимерных пленок могут оказаться бесполезными, если в процессе изготовления пакетов и упаковывания в них пищевой продукции будет нарушена сплошность барьерных слоев пленочного материала [8, 14].
Поверхность раздела свариваемых материалов представляет собой «слабое звено» в соединении между двумя прилегающими слоями расплавов, которая образуется при сваривании пленок, вследствие наличия ориентированных макромолекул в областях, расположенных по краям материала. При введении в соприкосновение двух разогретых материалов, в течение периода релаксации ориентированных макромолекул, ориентация частично сохраняется. Как показало статистическое изучение сегментальной подвижности макромолекул, для формирования поперечных связей требуется значительно большее время [9, 10]. Если время сварки превышает величину периода релаксации для данных условий сварки, то ориентированность на поверхности раздела полностью исчезает, и поперечные связи возникают по всей поверхности раздела между слоями.
Поскольку поверхность раздела между слоями представляет собой слабое звено в межслой-ном соединении [11] при упаковывании пищевой
продукции в полимерную тару, то такие параметры сварки, как давление, температура и время воздействия температуры (скорость сварки) должны быть правильно согласованы друг с другом (с учетом запаковываемой продукции) и соответствовать свойствам свариваемых полимеров.
В связи с чем, представляет собой определенный интерес изучение технологического процесса формирования пакетов из термоусадочной барьерной пленки и влияние параметров сварки на барьерные свойства сварного соединения упаковки.
Экспериментальная часть
В качестве объектов исследования нами были выбраны многослойные барьерные полимерные пленочные материалы марок ПВБ М-50, ПБ С-47 и ПБ FP-27 производства ООО «НПП «Тасма» (Россия), характеристики которых приведены в табл. 1.
Объекты исследования были использованы для производства различных партий термоусадочной барьерной упаковки размером 200*200 мм на пакетоделательной машине PACKNOVA EXTRA 700/108. В процессе изготовления пакетов меняли технологические параметры их производства: давление прижима сварных губок - от 4 до 7 атм., шаг -1 атм.; температуру сварки - от 130 до 170 °С (для пленки ПБ FP-27) и от 230 до 270°С (для остальных пленок), шаг - 10°С; время сварки - от 0,1 до 0,5 с, шаг - 0,1 с.
Произведенные пакеты в месте сварного шва были оценены нами по следующим параметрам:
- проницаемость по водяному пару на приборе для определения паропроницаемости TSY-W3 фирмы Labthink (Китай) [12];
- проницаемость по кислороду на приборе для определения кислородопроницаемости OX2/231 фирмы Labthink (Китай) [13].
Таблица 1 - Характеристики пленок
Наименование показателя Единица измерения Величина показателя
ПБ С-47 ПВБ М-50 ПБ БР-27
Толщина пленки мкм 47,5±5 50±5 27,5±7,5
Коэффициент термической усадки (после выдержки в воде при 90 °С в течении 1 с), не менее в продольном направлении в поперечном направлении % 45 45 55 55 55 55
Проницаемость по кислороду (при 23 °С и влажности 75 %), не более см3/(м2-24 часа-атм) 100 4 4
Проницаемость по углекислому газу (при 23 °С и влажности 0 %) см3/(м2-24 часа-атм) не менее 50 не более 50 не более 50
Паропроницаемость (при 38 °С и влажности 90 %), не более г/(м2-24 часа) 20 10 10
Прочность при разрыве, не менее в продольном направлении в поперечном направлении МПа 60 50 70 60 70 60
Относительное удлинение при разрыве, не менее в продольном направлении в поперечном направлении % 110 160 110 160 110 160
Обсуждение результатов
На рисунках 1-3 приведены зависимости проницаемости по кислороду и проницаемости по водяному пару произведенных пакетов в зависимости от технологических параметров сварки.
Анализ рисунков показал, что проницаемость по кислороду (рис. 1б) и водяному пару (рис. 1а) пакетов в месте сварного шва зависят от давления прижима сварных губок: повышение давления сварки приводит к увеличению барьерных свойств пакета в месте сварного шва. Однако, начиная с давления 6 атм. кислородо- и паропроницаемость в месте сварного шва начинают определяться проницаемостью пленки, из которой пакет изготовлен.
Зависимости проницаемости по О2 и Н2О от температуры сварных губок (рисунок 2) имеют экстремальный характер (за исключением пленки марки ПБ БР-27). Согласно данным рисунка 2, для сварки пакетов толщиной 50 мкм оптимальным является диапазон температур 240-260 °С, для пленки толщиной 47 мкм - 230-250 °С, а для пленки толщиной 27 мкм он составляет 140-170 °С. Ниже данных диапазонов пленка плохо сваривается. При превышении данного диапазона высокая температура сварки совместно с высоким давлением может приводить к нарушению сплошности барьерного слоя пленочного материала вблизи места сварного шва, о чем свидетельствует повышение величины проницаемости по О2 и Н2О (рисунки 2а и 2в). Для пленки марки ПБ БР-27 «щадящий» режим сварки не приводит к появлению точек экстремума на кривых зависимости кислородо- и паропроницаемости от температуры сварки, т. к. снижение температуры сварки в данном случае не приводит в возникновению дефектов барьерных слоев в области сварного шва.
Недостаточное время сварки приводит к росту величины проницаемости пакетов по О2 и Н2О (рис. 3). При времени сварки равном 0,3 с и выше данные показатели выходят на постоянное значение.
о
400
Я 200 -
3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5
Давление сварки, а™
1000 -| 800 -600 -400 -200 -0 -
\
1 \\ ч\
ч
Л \\ \\
3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 Давление сварки, а™
1 - ПВБМ-50, 2 - ПБ С-47, 3 - ПБ ЕР-27
Рис. 1 - Зависимость проницаемости по водяному пару (а) и проницаемости по кислороду (б) пленок от давления прижима сварных губок
0 -
а
б
о
\
ч
\
\
/
/
220 230 240 250 260 270 280 Температура сварки, °С
700 -| 600 -500 -400 -300 -200 -100 -0 -
0,5 0,6 Время сварки, с
250 200
100 80 -60 40 -20 -0 -
V-----V----
----V 3
150 160 170 180 Температура сварки, °С
210 220 230 240 250 260 270 280 Температура сварки, °С
^----^----^----
160 170 180 Температура сварки, °С
1 -ПВБМ-50, 2 -ПБ С-47, 3 -ПБЕР-27 Рис. 2 - Зависимость проницаемости по водяному пару (а, б) и проницаемости по кислороду (в, г) пленок от температуры сварных губок
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Время сварки, с
б
1 - ПВБ М-50, 2 - ПБ С-47, 3 - ПБ ЕР-27
Рис. 3 - Зависимость проницаемости по водяному пару (а) и проницаемости по кислороду (б) пленок от времени сварки
Таким образом, оценка влияния давления прижима сварочных губок на свойства термоусадочных пакетов на основе барьерной пленки марок ПВБ М-50, ПБ С-47 и ПБ БР-27 позволяет сделать вывод, что оптимальным является давление прижима не ниже 6 атм.
Оценка влияния температуры сварочных губок на свойства термоусадочных пакетов на основе барьерной пленки марки ПВБ М-50 позволяет сделать вывод, что оптимальной является температура сварки 240-260 °С, для ПБ С-47 оптимальной является температура 230-250 °С, для ПБ БР-27 температура 130-170 °С.
Оценка влияния времени сварки на свойства термоусадочных пакетов на основе барьерной пленки марок ПВБ М-50, ПБ С-47 и ПБ БР-27 позволяет сделать вывод, что оптимальным является время 0,3 с.
Таким образом, определены оптимальные параметры изготовления пакетов на основе барьерных пленок марок ПВБ М-50, ПБ С-47 и ПБ БР-27, при которых проницаемость стенок и швов пакетов для упаковки пищевых продуктов практически одинаковы.
Работа выполнена при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Минобрнауки России), в рамках выполнения ком-
210
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
а
а
800 -
600
150
400 -
100
200 -
50
0
0 -
120
130
140
б
в
120
130
150
г
плексного проекта по созданию высокотехнологичного производства по договору № 02.G25.31.0037, согласно постановлению Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218.
Литература
1. Tihminlioglu, F. Water Vapor and Oxygen-Barrier Performance of Corn-Zein Coated Polypropylene Films / F. Tihminlioglu, I. Atik, B. Ozen // Journal of Food Engineering.- 2001.- № 96.- P. 342-347.
2. Jang, W. Layer-by-layer assembly of thin film oxygen barrier / W. Jang, I. Rawson, J.C. Grunlan // Thin Solid Films.-2008.- v. 516, № 16.- P. 4819-4825.
3. Minelli, M. Oxygen permeability of novel organic-inorganic coatings: I. Effects of organic-inorganic ratio and molecular weight of the organic component / M. Minelli, M.G. De Angelis, F. Doghieri, M. Marini, M. Toselli, F. Pilati // European Polymer Journal.- 2008.- v. 44.- P. 25812588.
4. Jagadish, R.S. Blending of Low-Density Polyethilen with Vanillin for Improved Barrier and aroma-releasing Properties in Food Packaging / R.S. Jagadish, B. Raj, M.R. Asha // Journal ofApplied Polymer Science.- 2009.- v. 113.- P. 3732-3741.
5. Steven, M.D. Comparison of flat film to total package water vapour transmission rates for several commercial food wraps / M.D. Steven, J.H. Hotchkiss // Packaging Technology and Science.- 2002.- v. 15.- P. 17-27.
6. Pajin, B. Shelf-life of a dragee product based on sunflower kernel depending on packaging materials used / B. Pajin, V. Lazic, O. Jovanovic, J. Gvozdenovic // International Journal of Food Science & Technology.- 2009.- v. 41.- P. 717-721.
7. Rhim, J.W. Tensile, water vapor barrier and antimicrobial properties of PLA/nanoclay composite films / J.W. Rhim, S.I. Hong, C.S. Ha // LWT-Food Science and Technology.-2009.- v. 42.- P. 612-617.
8. Загидуллин A.K Изучение влияния параметров сварки на барьерные свойства термоусадочных многослойных пакетов / A.K Загидуллин, P.M. Гарипов, A.K Хасанов,
A.A. Ефремова, A.A. Козлов // Вестник Казанского технологического университета.- 2013.- т.16, №20.- С. 8386.
9. Раувендааль, К. Экструзия полимеров / Пер. с англ. яз.; Под ред. A^. Mалкина.- СПб.: Профессия, 2006.- 768 с.
10. Власов, С. В. Основы технологии переработки пластмасс: Учебник для ВУЗов / С.В. Власов, Л.Б. Кандырин,
B.Н. Кулезнев, A^. Mарков, И.Д. Симонов-Емельянов, П.В. Суриков, О.Б. Ушакова - M: Химия, 2004. - 600 с.
11. Крыжановский, В.К. Производство изделий из полимерных материалов: Учеб. пособие / В.К. Крыжановский, M^. Кербер, В. В. Бурлов, A^. Паниматченко.-СПб.: Профессия, 2004.- 464 с.
12. ASTM F 1249. Стандартный метод определения скорости переноса водяного нара через полимерные пленки и защитные покрытия с помощью модулируемого датчика инфракрасного излучения.
13. ASTM D 3985. Стандартный метод испытаний для измерения скорости проникновения кислорода через пленки пластиков и покрытий с помощью кулонометри-ческого датчика
14. Загидуллин, A.K Изучение влияния параметров сварки на барьерные свойства термоусадочных пакетов в условиях контакта спищевой продукцией / A. И. Загидул-лин, P.M. Гарипов, A.K Хасанов, A.A. Ефремова, ATO. Григорьев // Вестник Казанского технологического университета.- 2013.- Т.17, №7. - С. 160-163.
© А. И. Загидуллин - к.т.н., доц. каф. ТППК КНИТУ, zoobr13@rambler.ru, Р. М. Гарипов - д.х.н., проф., зав. каф. ТППК КНИТУ, rugaripov@mail.ru, А. И. Хасанов - к.т.н., доц. каф. ТППК КНИТУ, b-100lab@mail.ru. А. Ю. Григорьев - студент каф. ТППК КНИТУ, grigoryev24.92@mail.ru, А. А. Козлов - к.т.н., с.н.с. ООО «НПФ «ПолимерТех», an8127@mail.ru.
© A. Zagidullin - c.t.s., associate professor of the department TPPK, KNRTU, zoobr13@rambler.ru, R. Garipov - d.c.s., professor, head of the department TPPK, KNRTU, rugaripov@mail.ru, A. Khasanov - c.t.s., associate professor of the department TPPK, KNRTU, b-100lab@mail.ru, A. Grigoryev - student of the department TPPK, KNRTU, grigoryev24.92@mail.ru, A. Kozlov - c.t.s., Senior Researcher «SPE «PolymerTech», an8127@mail.ru.
