Некоммерческая организация «Ассоциация московских вузов»
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Московский государственный университет пищевых производств»
Полное название вуза
Научно-образовательный материал
«Перспективные упаковочные материалы
для контакта с пищевыми продуктами»
по теме 1.41.6 «Современные методы исследования свойств упаковочных материалов и технологии получения перспективных полимерных материалов – научно-практические основы для реализации в высших учебных заведениях города Москвы».
Полное название НИМ или НОМ
Состав научно-образовательного коллектива:
____________________________________________________________________________________________________________________
, зав. кафедрой, к. т. н., профессор
____________________________________________________________________________________________________________________
, доцент, к. т. н., доцент
____________________________________________________________________________________________________________________
, доцент, к. т. н., доцент
____________________________________________________________________________________________________________________
, доцент, к. х.н., доцент
____________________________________________________________________________________________________________________
, ассистент
____________________________________________________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
Перечисляются ф. и.о., должности, уч. степень и звание основных исполнителей
Москва 2011 г.
Целью данной работы является повышение компетентности студентов в высших учебных заведениях г. Москвы в области технологии упаковки и переработки полимеров с целью определения перспективных методов получения комбинированных и многослойных материалов для контакта с пищевыми продуктами.
В последнее время наибольшее применение в пищевой промышленности в качестве упаковки получили многослойные и комбинированные пленочные материалы, которые сочетают лучшие свойства отдельных компонентов, причем недостатки одного из них компенсируются достоинством других материалов [1-7] .
Многообразие комбинированных и многослойных материалов, широкий ассортимент входящих в их состав полимерных материалов, а также постоянная тенденция к снижению их стоимости предопределили появление и развитие различных технологических процессов их получения. При выборе состава комбинированного материала необходимо учитывать возможность создания прочного соединения между слоями, специфические свойства пленки, вероятность изменения свойств комбинированных и многослойных полимерных материалов в процессе их получения или применения.
1. Анализ и состояние проблемы в области технологии упаковки и переработки полимеров с целью определения перспективных классов комбинированных и многослойных материалов для контакта с пищевыми продуктами
Производство многослойной полимерной упаковки использует полезные свойства самых разных материалов. Фактически, располагая набором полимеров с разными свойствами, можно как в конструкторе создать любую структуру, в зависимости от потребностей рынка и задачи производителя продукции.
Использование упаковки с барьерными слоями особенно актуально для российского рынка, где транспортировка продуктов питания производится на большие расстояния, и это требует увеличения сроков хранения продукции.
Сегодня в России все больше внимания уделяется здоровью людей, что вызывает повышенные требования к качеству и безопасности пищевых продуктов. Основная группа упаковочных материалов – это различные вариации многослойных полимерных материалов (МПМ) и комбинированных полимерных материалов (КПМ). Такие материалы применяются в различных областях народного хозяйства. Наибольшее использование материалы получили в качестве упаковки соков, молока и молочных продуктов, вина, майонеза, кетчупа, соусов, мясных, рыбных и других видов полуфабрикатов [1-8].
Для успешного применения МПМ и КПМ необходимо наличие определенного комплекса свойств, в частности высоких адгезионных показателей (прочности соединения слоев). Существуют значительные трудности при решении этой проблемы для полимерных пленок, поскольку их поверхностная энергия зачастую низкая и, следовательно, адгезия между слоями плохая.
Адгезионные показатели многослойных и комбинированных полимерных материалов в основном определяются состоянием поверхности контактирующих субстратов и условиями формирования поверхности контакта между слоями.
Поэтому, наиболее перспективными являются работы связанные с получением КПМ и МПМ с повышенными адгезионным взаимодействием на границе раздела фаз.
2. Основные технологические решения в области технологии получения комбинированных и многослойных материалов для контакта с пищевыми продуктами
На сегодняшний день ассортимент упаковочных материалов обусловлен многообразием пищевых продуктов и большим диапазоном требований, предъявляемых к упаковке. Эти требования столь разнообразны, что ни один из существующих индивидуальных пленочных материалов не может полностью им удовлетворять. Поэтому, для получения материала с нужными характеристиками, прибегают к сочетанию свойств нескольких индивидуальных материалов. Создание таких материалов с заданными свойствами представляет из себя сложную научно-техническую задачу и требует от разработчика тщательного индивидуального анализа в каждом конкретном случае, поскольку приходится принимать во внимание бесчисленное множество переменных величин (материалы, толщина отдельных слоев, структура многослойного материала, способ его переработки и т. д.).
Существует несколько способов получения комбинированных материалов [9-14]:
1. Склеивание готовых индивидуальных пленок (или других материалов - бумаги, картона, фольги) с помощью промежуточного полимерного слоя, наносимого из раствора, дисперсии или в виде так называемого клея-расплава.
2. Нанесение пленочного покрытия из растворов и дисперсий полимеров (с последующим испарением летучих растворителей или удалением дисперсионной среды) на основу из бумаги, картона, фольги или полимерной пленки.
3. Каширование - нанесение в зазоре вращающихся валков расплава полимера на гибкую основу из бумаги, картона, фольги или полимерной пленки.
4. Экструзионное ламинирование - нанесение расплавленного полимера в виде полотна из плоскощелевой головки на субстрат и далее в зазоре между охлаждающим и прижимным валками под давлением формируется окончательное соединение.
5. Совместная экструзия - прямое одновременное экструдирование двух и более полимеров через одну общую формующую головку.
Наиболее распространенными методами производства комбинированных материалов являются каширование и экструзионное ламинирование. В обоих случаях подготовка поверхности играет большую роль. Формирование адгезионных связей, создание тесного контакта путем смачивания, развитие поверхности контакта усиливает тенденцию к увеличению смачиваемости поверхности после обработки. Известно, что поверхностная обработка полиэтилена повышает его адгезию к материалам полярного строения.
Известно, что для увеличения поверхностной энергии полимеров применяется следующие методы обработки [1, 7, 11]:
1) Обработка поверхности подложки коронным разрядом.
Механизм действия коронного разряда можно представить следующим образом. При сближении электрода и полимера возникает так называемый электростатический двойной слой. Между поверхностями происходит разряд, в ходе которого образующиеся ионы в наложенном электрическом поле получают большое ускорение; при этом создаются химические адгезионные связи, способствующие увеличению адгезионной прочности.
2) Плазменная обработка поверхности
Плазма активирует молекулы газа, в частности, и азота. Активированные агенты взаимодействуют с поверхностью полимера и на ней образуются особые функциональные группы. В результате реакции имплантации ведут к сильным изменениям свойств поверхности полимера.
На основании проведенного анализа литературных данных было выявлено, что одним из перспективных методов модификации, является использование ультразвука (УЗ) при переработки полимеров.
3) Ультразвуковая обработка расплава полимера
УЗ воздействие является разновидностью виброформования полимеров, под которым понимают такие технологические процессы переработки пластмасс и резиновых смесей, в которых на протяжении всего технологического цикла или на отдельных его этапах перерабатываемому материалу сообщаются вибрационные импульсы. Виброформование часто используют при интенсификации процессов литья под давлением, прессования, каландрования и др. При этом уменьшается вязкость и молекулярная масса полимера, что приводит к увеличению производительности процесса.
3. Разработка научно-образовательных материалов по теме «Перспективные упаковочные материалы для контакта с пищевыми продуктами»
Наиболее распространенная технология производства комбинированных полимерных материалов – способ ламинирования, который заключается в нанесении расплава полимера на подложку. В качестве подложки можно использовать такие материалы как: полипропилен, полиамид, полиэтилентерефталат, а так же не полимерные материалы бумага, алюминиевая фольга и др.
На основании этого была поставлена работа по производству перспективных комбинированных полимерных материалов с использованием УЗ воздействия на расплав полимера.
Ультразвуковая виброприставка для обработки расплава полимера
| 1–Преобразователь электрических колебаний; 2–волноводная система, концентрирующая ультразвуковые колебания; 3–инструмент для ввода ультразвуковых колебаний; 4 – формующая головка. |
Принцип действия устройства заключается в следующем. Экструдируемый материал в виде гранул поступает через бункер в рабочий цилиндр экструдера. Вращающийся червяк захватывает материал и продвигает его вдоль экструдера, пластицирует и равномерно нагнетает гомогенный расплав в головку, к которой крепится ультразвуковая виброприставка. При включении генератора приводится в действие УЗ преобразователь. Под действием напряжений ультразвуковой частоты эластичность полимера возрастает в объеме зоны контакта, снижается вязкость и молекулярная масса полимера [10].
4. Экспериментальные данные по технологии получения комбинированного полимерного материала с повышенными адгезионными показателями для контакта с пищевыми продуктами
Для выявления эффективности разработанной технологии была проведена оценка адгезионной прочности многослойного полимерного материала с применением отечественного полиэтилен (ПЭ) при комбинации различных методов дополнительной обработки. С этой целью было изучено сопротивление расслаиванию исследуемых образцов. В качестве контрольного образца использовали ПЭ без стабилизатора, нанесенный на необработанную бумагу. Результаты эксперимента представлены на рисунке 1.
Рисунок 1. Сопротивление расслаиванию комбинированного материала Н/м.
1 – ПЭ (без стабилизатора) нанесен на необработанную бумагу; 2 – ПЭ (без стабилизатора) нанесен на бумагу, обработанную коронным разрядом; 3 – ПЭ, стабилизированный на необработанной бумаге; 4 – ПЭ (без стабилизатора), обработанный УЗ на необработанной бумаге; 5 – ПЭ, стабилизированный на обработанной коронным разрядом бумаге; 6 – ПЭ (без стабилизатора), обработанный УЗ на обработанной коронным разрядом бумаге.
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.
Заключение
Полученные в ходе исследований данные о зависимости адгезионной прочности от различных методов модификации имеют важное практическое значение в конкретных технологиях при получении многослойных и комбинированных полимерных материалов для контакта с пищевыми продуктами.
Общий анализ полученных экспериментальных исследований показал, что для повышения адгезионной прочности многослойных материалов на основе бумаги и отечественных марок полиэтиленов можно рекомендовать повышение стабильности полиэтилена. Этого можно достичь как введением стабилизаторов в полиэтилен, так и обработкой расплава полиэтилена ультразвуком с получением модифицированного расплава. Высокое адгезионное взаимодействие в свою очередь позволит повысить другие эксплуатационные показатели материала, что обеспечит надежную защиту упакованного в такой материал продукта. Таким образом, создание в процессе получения многослойных и комбинированных материалов условий, обеспечивающих возможно более полное взаимодействие между адгезивом и субстратом, является наиболее эффективным путем повышения эксплуатационных и технологических свойств многослойных и комбинированных материалов как в условиях их переработки в изделия, так и при их применении.
Список использованной литературы
1. Ананьев упаковочного производства // , , / Под ред. . – М.: Колос, 2002, с.168
2. Колесниченко совершенствования процесса производства мягкой тары/ , , // Вестник МГУП. — М.: МГУП, 2007, № 5, с. 67–77.
3. Анацкая новых комбинированных материалов взамен жестяной тары для молочных консервов (тезисы) // Сборник материалов семинара «Достижения и перспективы в упаковки молока и молочных продуктов» М.: 1989., с.12.
4. Полимерные пленки // -Бари (ред); пер. с англ. Под ред. .- СПб.: Профессия, 2006. – 352с
5. Каган и комбинированные пленочные материалы. - М.: «Химия», 1989, 288с.
6. Перспективы использования полимеров в отраслях, производящих продукты питания. , , . Пластические массы, 1982, № 6, с. 25-26.
7. Леонова комбинированные материалы с повышенными защитными свойствами Пластические массы, 1993, №4, с. 44-45 с.2
8. Федотова. расфасовка молока и молочной продукции. /Молочная промышленность.- 2001.- №4.- с13-15
9. Полимеры в пищевой промышленности // Технология переработки и упаковки. – 2003. - №4. – с.12.
10. Аксенова использования полимерных материалов для упаковки продуктов питания. Юбилейные материалы. Посвященные к 75-летию создания Московского Государственного Университета пищевых производств., Москва 2004г. с.15-18
11. И Производство полимерных упаковочных пленок и их свойства. Межвузовский сборник научных трудов. Магнитогорск, МГТУ им. Носова, 2005
12. , , Шашков композиционные пленочные и полимернотканевые материалы для средств индивидуальной защиты. / Тезисы докладов VIII Международной конференции «Новейшие тенденции в области конструирования и применения баллистических материалов и средств защиты», г. Хотьково (МО), 2005, с. 48-50
13. Колесниченко влияния режимов производства полиэтиленовых пленок для мягкой тары методом экструзии с раздувом на толщину и разнотолщинность/ , , // Вестник МГУП. / М.: МГУП, 2007, № 5, с. 136–152
14. Колесниченко влияния режимов производства полиэтиленовых пленок для мягкой тары методом экструзии с раздувом на физико-механические свойства/ , , // Вестник МГУП. / М.: МГУП, 2007. №5, c. 162–174
