Новые упаковочные материалы. Полимерные покрытия

       Введение.

       Ни  для кого не является секретом, что  упаковка оказывает влияние на выбор  потребителем того или иного товара. Однако, за визуальной привлекательностью упаковки стоят такие немаловажные характеристики, как степень сохранности естественных свойств продукта и его защиты от таких внешних факторов, как свет, газы, влага и механические повреждения. Кроме того, упаковка должна обеспечивать определённую жиро–, водо– и паропроницаемость при упаковке соответствующих пищевых продуктов. Материал упаковки должен соответствовать санитарно– гигиеническим нормам, должен максимально сохранять питательные свойства продукта и выдерживать минусовые температуры.

       Актуальным  является обоснование технологических  параметров производства и хранения, обеспечивающих высокое качество и  безопасность готовых изделий в  течение длительного времени. Одним  из научных направлений, позволяющих  решить эту задачу, является разработка защитных пищевых покрытий. В нашей  стране и за рубежом предложены пищевые  покрытия сложного состава с использованием различных пищевых добавок.

       Целью данной работы является подробное изучение получивших в настоящее время развитие и практическое использование покрытий из экологически безопасных синтетических полимеров (каучуков, сополимеров винилиденхлорида, винилацетата, природных полимеров, полисахаридов, в форме водных дисперсий и пленок), их влияния на безопасность, условия хранения и товарный вид продукции

       Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Анализ структуры покрытия;
2. Оценка безопасности покрытия для потребителя;
3. Рассмотрение технологии нанесения покрытия  на продукты питания;
4. Оценка перспективы дальнейшего использования.

 
 

       1.Классификация и общая характеристика полимеров

       Полимерами  называют природные соединения и искусственные химические соединения, в молекулах которых одинаковые звенья повторяются большое число раз. Эти многократно повторяющиеся звенья низкомолекулярного химического вещества –  мономера –  соединены между собой различными видами химических связей.

       В зависимости от характера процессов, сопутствующих формированию изделий, полимеры подразделяют на реактопласты и термопласты.

       Реактопластами  называют материалы, переработка которых в изделия сопровождается химическими реакциями образования трехмерной структуры–  отверждением. Отвержденные реактопласты теряют способность переходить в вязкотекучее состояние.

       Процесс формирования изделий совмещен с  процессом окончательного формирования сетчатого полимера, который протекает  в трудно контролируемых условиях. Поэтому молекулярная структура  реактопластов трудно воспроизводима.

       К термопластам относятся полимеры, которые  с повышением температуры претерпевают фазовые изменения, переходя из твердого состояния в вязкотекучее. Если при  этом температура не превысила того предела, за которым начинается термическое  разложение полимера с выделением паро – и газообразных продуктов (мономеров или их составляющих), то при охлаждении термопласт снова переходит в твердое состояние. Такие фазовые переходы с термопластами можно осуществлять многократно. Эта особенность является важнейшим преимуществом термопластов перед реактопластами и обусловливает их широкое применение в упаковочной промышленности.

       Формирование  молекулярной структуры термопластов осуществляется на стадии синтеза в  строго контролируемых условиях. Благодаря  этому возможно получение полимеров с определенной и воспроизводимой молекулярной структурой[6]. 

1. Классификация по химической структуре.

       Изменение химической структуры, молекулярных характеристик  в решающей степени определяет комплекс свойств макромолекул (межмолекулярное  взаимодействие, растворимость, термодинамическая  и кинетическая гибкость макромолекул, поляризуемость, способность кристаллизоваться и т.д.), от которого зависят свойства полимера. Молекулярные характеристики полимеров, состоящих из линейных или разветвленных  макромолекул, определяются химической структурой звеньев, образующих основную цепь, регулярностью построения (пространственной упорядоченностью чередования звеньев и разветвленностью цепи), средним молекулярным весом и полидисперсностью макромолекул.

       По  химической структуре звеньев макромолекул различают карбоцепные и гетероцепные полимеры.

       Карбоцепными  называют полимеры, основная цепь макромолекул которых содержит только атомы углерода. К ним относятся преимущественно  полимеры непредельных углеводородов  этиленового ряда с различными боковыми заместителями. Свойства этих полимеров закономерно изменяются в зависимости от природы боковых заместителей в мономере. Среди карбоцепных полимеров наибольшее распространение  получили полиолефины (полиэтилен), галогенопроизводные полиолефинов, а также полистирол, насыщенные полиакрилаты и различные сополимеры.

       К гетероцепным относятся полимеры, в  основной молекулярной цепи которых  помимо углерода содержатся атомы других элементов. Наиболее часто такими атомами  являются атомы кислорода (простые и сложные полиэфиры), азота(полиамиды, полиуретаны), серы (полисульфоны и некоторые другие)[6].

       1.2. Классификация по методам синтеза.

       Полимерные  материалы получают различными методами синтеза– полимеризацией, поликонденсацией.

       Полимеризацией  называется получение высокомолекулярных веществ, при котором макромолекула  образуется путем последовательного  присоединения молекул одного или  нескольких низкомолекулярных веществ (мономеров) к растущему активному  центру.

       Полимеризация протекает без выделения побочных соединений. Рассмотрим некоторые примеры получения полимеров методом полимеризации:

       1. Поливинилиденхлорид (ПВДХ) получают радикальной полимеризацией винилхлорида. В промышленных условиях полимеризацию осуществляют в основном в суспензии (в водной среде), а также в эмульсии. Для изготовления оболочек для «экологически чистых» колбас и сыров применяют поливинилиденхлорид или ПВДХ (синтетический полимер). Ныне наиболее известные торговые марки полимеров ПВДХ – «повиден» (Россия), «саран» (США), «курэхалон» (Япония).

       В 70-х годах Минздрав СССР разрешил использовать полимер марки ВХДВ– 65 на основе ПВДХ в производстве колбасно–сырных покрытий, несмотря на опасность перехода токсичных примесей из оболочки в сам продукт. Вероятность подобного перехода, в те далекие годы, немного изучали на лабораторных животных и установили, что токсичность водных вытяжек незначительна. Однако не были проведены эксперименты с жирами, входящими в состав продуктов, а способность жиров вытягивать из полимеров ядовитые пластификаторы и стабилизаторы, давно и хорошо известна.

       Беспокойство  вызывает собственно не сам ПВДХ, а  вещество, из которого его производят – мономер (этилен, стирол, бутадиен, фенол и т. д.), некоторое количество которого неизбежно остается в упаковочных  пленках. Более чем тридцать лет назад было выявлено, что у лабораторных мышей под действием материалов из ПВДХ развиваются рак печени и почек, но подобные «пустяки» производителей «наполнителей» этих упаковок не интересуют.

       Из  ПВДХ изготовляют не только оболочки для колбас и сыров, его добавляют  в упаковочную бумагу для мороженого, наносят на внутренние поверхности  картонных емкостей для молока, сметаны  и йогурта и так далее, безусловно, на многих этих продуктах стоит гордое – «Экологически чистый»[5]. 

       

       Рисунок 1.  радикальная  полимеризация винилхлорида 

       2. Поливинилацетат (сокращенно ПВА) — полимер винилацетата, исходный полимер для получения поливинилового спирта, водный раствор которого используется для получения защитных покрытий при хранении мороженых продуктов питания. Раствор поливинилового спирта применяется в качестве компонента защитной плёнки для холодильного хранения свежей рыбы[6]. 

       

Рисунок 2. Радикальная виниловая полимеризация  винилацетата

         Поликонденсацией называют процесс синтеза полимеров из би– и полифункциональных соединений, в котором рост макромолекул происходит путем химического взаимодействия молекул мономеров друг с другом и с промежуточными продуктами синтеза. В результате поликонденсации получают  гетероцепные полимеры с неразветвленной линейной структурой.

       Полиамиды—пластмассы на основе синтетических высокомолекулярных соединений, синтезируемые поликонденсацией.

       Полиамид–6 марки КХ0 предназначен для изготовления плёнки и изделий для пищевой промышленности. Полиамидная колбасная оболочка — самый распространённый класс пластиковых барьерных оболочек, предназначенных для производства колбасных изделий[5].  

       

       Рисунок 3. Получение  полиамидов поликонденсацией аминокислот

       Молекулярная  структура полимеров находится  в прямой зависимости от методов  их синтеза и химической структуры  мономеров. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.Основные способы производства защитных полимерных покрытий     (пленок, оболочек и водных дисперсий).

       От  способа производства полимерных покрытий зависят многие их свойства, в особенности физико–механические технологические, а также экономические показатели.  Существуют следующие промышленные методы изготовления полимерных покрытий: экструзия расплава полимера, полив раствора полимера, метод полива дисперсии полимера на полированную поверхность и другие.

       2.1. Экструзия расплава полимера.

      Экструзией  называют метод формования изделий  или полуфабрикатов неограниченной длины  в экструдере продавливанием расплава полимера  через формующую  головку с каналами необходимого профиля.

       Основным  оборудованием для переработки  полимеров методом экструзии  являются экструдеры (рисунок 4).  

       

       Рисунок 4.  Схема одношнекового экструдера.

      Гранулированный полимер из загрузочного бункера  с помощью вращающегося червячного шнека 4 последовательно перемещается по технологическим зонам материального цилиндра. В зоне питания I происходит уплотнение и сжатие гранул, в зоне сжатия II—пластикация и частичное плавление, в зоне дозирования III—окончательное плавление остатков твердого полимера, гомогенизация, усреднение вязкости и температуры расплава. Необходимые температуры по зонам цилиндр обеспечиваются системами обогрева 3 и охлаждения 5,6.

       Расплав полимера через фильтр 2, представляющий набор металлических сеток, закрепленных в решетке, под остаточным давлением, равным 5,0-35 МПа продавливается через формующую головку 1, приобретая определенный профиль[6].

       2.2. Метод полива раствора полимера на металлическую поверхность.

       Данный  метод применяется для получения  покрытий из легко растворимых полимеров, которые нестойки в расплавленном  состоянии или разлагаются при  нагревании ниже температуры плавления, например, поливиниловый спирт (ПВС), поликарбонаты (ПК), полиимиды.     

       Метод полива состоит из нескольких стадий:

1. приготовление раствора полимера;                      
2. полив раствора полимера  на гладкую поверхность;
3. отделение растворителя от полимера.

 

       Стадии  приготовления раствора полимера включает операции растворения, фильтрования и  деаэрации. Растворение осуществляется в емкостях с различными устройствами для перемешивания и подогрева. Как правило, в смесители загружают вместе с полимером и растворителем  также, стабилизатор, краситель и другие  необходимые добавки.

       Пластификаторы—вещества, которые вводят в состав полимерных материалов для придания (или повышения) эластичности и пластичности при  переработке и эксплуатации. Пластификаторы облегчают диспергирование ингредиентов, снижают температуру технологической  обработки композиций, улучшают морозостойкость  полимеров, но иногда ухудшают их теплостойкость. Некоторые пластификаторы могут повышать огне–  , свето– и термостойкость полимеров.