CC BY
68
щ
УПАКОВКА И ЛОГИСТИКА
ТЕМА НОМЕРА
УДК 678.744
Мембранный метод
определения газопроницаемости полипропиленовых лент
Д.М. Мяленко, О.Б. Федотова, кандидаты техн. наук ВНИИ молочной промышленности
Газопроницаемость полимеров -способность полимерной мембраны пропускать газы при наличии перепада давления или температуры [1].
В зависимости от структуры полимерного материала и перепада давления перенос газа может осуществляться в виде диффузионного потока, путем молекулярной диффузии, вязкостного течения и истечения из отверстий. В случае однородных и не имеющих сквозных отверстий полимерных упаковочных материалов перенос обусловлен диффузионной газопроницаемостью, которая представляет последовательно протекающие процессы [2]: растворения газа в пограничном слое, диффузии частиц газа в полимерах, выделения газа с обратной стороны полимерной мембраны.
Показатель Образец 1 Образец 2 Образец 3 Образец 4
Скорость газопроницаемости по кислороду, см3/м2 за 24 ч 250 70 3,8 4,8
Коэффициент газопроницаемости по кислороду 17,5 7,35 0,14 0,38
Скорость газопроницаемости по углекислому газу, см3/м2 за 24 ч 600 170 10 12
Образец № 1
Образец № 2
Образец № 3
Образец № 4
□ - газопроницаемость по кислороду ■ - газопроницаемость по углекислому газу
Газопроницаемость по кислороду и углекислому газу различных ПП-лент
Газопроницаемость упаковочных материалов определяют с использованием газохроматографического анализа, при этом при интерпретации результатов измерений пользуются такими понятиями, как скорость и коэффициент газопроницаемости по конкретным газам (по кислороду, по углекислому газу и проч.).
Наиболее опасный для молочных продуктов газ - кислород воздуха, который непосредственно влияет на их ускоренную порчу. Интенсифицируются процессы окисления жиров, деструкции витаминов, красителей и других компонентов, возможно негативное воздействие на белки.
На практике приходится сталкиваться с такими случаями, когда упаковочный материал должен обладать высокой газонепроницаемостью, чтобы не допустить утечку газа из упаковки в окружающую среду. Это касается сухих продуктов, например, детских адаптированных смесей, расфасовка которых осуществляется в среде инертного газа (азота) [1, 3].
Существуют различные способы определения газопроницаемости [3]. При использовании манометрического метода газ, проходящий через полимерную пленку, собирается в эвакуированный до высокого или среднего разрежения замкнутый объем, соединенный с манометром. Регистрируя показания манометра во времени, можно судить о скорости прохождения газа через пленку и, следовательно, определить коэффициент газопроницаемости.
В отечественной практике большой вклад в изучение газопроницаемости полимерных и комбинированных материалов для пищевых продуктов и разработку методов ее определения внесли ученые ВНИИ консервной и овощесушильной промышленности. В 80-х годах прошлого столетия ими были разработаны мембранные методы определения, которые успешно используются по настоящее время в научных исследо-
Ключевые слова: полипропиленовые ленты; упаковочные материалы; газопроницаемость; кислород воздуха.
Key words: polypropylene tapes; packing materials; gas permeability; air oxygen.
ваниях и практических работах. Ниже приведен принцип используемого нами метода [3].
Объем газа, прошедшего при стационарном потоке через полимерную мембрану толщиной и площадью за время при перепаде давлений по обе стороны мембраны, определяется по формуле: V
V = 5, 5
эт
где V- объем газа, прошедшего через образец за определенный промежуток времени, см3; VэJ - объем газа, вводимый в хроматограф при калибровке, см3 (эталонный); 5-площадь хроматографического пика, соответствующая газу, прошедшему через пленку, см2; 5эт -площадь пика, соответствующая количеству газа, вводимому при калибровке (эталонная), см2.
Расчет скорости газопроницаемости, представляющей количество газа, прошедшего через единицу поверхности пленочного материала в единицу времени с учетом разности давления в обеих камерах, производится по формуле: V
Н =-,
ВтАР
где Н- скорость газопроницаемости, см3 • см-2^с-2^атм-1; V- объем газа, прошедшего через мембрану, см3; В - площадь пленки, через которую осуществляется переход газа, см2; т - время диффузии; АР - разность давлений в верхней и контрольной камерах, атм (АР = 1 атм).
Средняя скорость газопроницаемости рассчитывается как среднее арифметическое из всех опытов.
Для однослойных полимерных упаковочных материалов рассчитывается коэффициент газопроницаемости, который характеризует объем газа при нормальных условиях, прошедшего в единицу времени через площадь мембраны толщиной в единицу длины при единичной разности давлений газа:
К = Ш,
где К- коэффициент газопроницаемости, см3 • см • см-2^с-2^атм-1; Не-
пищевая промышленность 6/2010
скорость газопроницаемости, см3 • см-2^с-2^атм-1; С- толщина полимерной пленки, см.
Следует учитывать, что газопроницаемость полимерных и комбинированных материалов зависит от химической природы полимеров; структуры полимеров и других составляющих слоев упаковки; природы и свойств газа (растворимость газов в полимерах увеличивается с ростом критической температуры газа); температуры.
Упаковочному материалу недостаточно иметь высокую или низкую газонепроницаемость, она должна быть избирательной, соответствующей оптимальным условиям хранения упаковываемого продукта. В некоторых случаях необходима стабильная газовая среда, в других -интенсивный газообмен воздуха.
Проницаемость определенного упаковочного материала зависит от нескольких факторов - природы газа, структуры и толщины материала, температуры и относительной влажности [4]. Хотя СО2, О2 и 1\12 проникают через материал с совершенно разной скоростью, порядок СО2,>О2>1\12 всегда сохраняется, и соотношение коэффициентов проницаемости СО2/О2 и О2/1\12 обычно находится в диапазоне от 3 до 5. Поэтому проницаемость материала для СО2 или 1\12 можно оценить, когда известна только проницаемость О2. Как правило, в методе РГС (регулируемая газовая среда) используются упаковочные материалы с проницаемостью для О2 менее 100 см3 • м-2 •атм-1.
В ГНУ ВНИМИ ведутся работы по исследованию изменений барьерных свойств различных полимерных материалов для упаковки молока и молочных продуктов. В настоящее время все больший интерес проявляется к технологиям расфасовки продуктов питания в вакууме и модифицированной газовой среде (МГС). В ряде этих технологий в качестве упаковочных средств используют термоформованные изделия (лотки, коробки, контейнеры), изготовленные из листовых полимерных материалов, самые перспективные из которых - полипропилен (ПП) и материалы на его основе.
Цель настоящей работы - сравнительное определение газопроницаемости ПП-лент, предназначенных для формирования тары.
Характеристика исследованных материалов:
образец № 1 - материал однослойный в виде ленты из ПП для производства термоформованной
тары для пищевых и непищевых продуктов;
образец №2 - материал однослойный в виде листов из вспененного ПП для производства термо-формованной тары для пищевых и непищевых продуктов;
образец № 3 - материал двухслойный в виде листов из ПП с барьерным слоем для производства тер-моформованной тары для пищевых и непищевых продуктов;
образец № 4 - материал двухслойный в виде листов из вспененного ПП с барьерным слоем для пищевых и непищевых продуктов.
Результаты проведенного исследования представлены в таблице и на рисунке.
При проведении экспериментальных работ наблюдали хорошую воспроизводимость результатов (малый разброс данных показателей скорости газопроницаемости по кислороду и углекислому газу - максимальное отклонение составило ±12-15 %). Это косвенно указывает на то, что при изготовлении материалов использованы сырьевые компоненты достаточно хорошего качества.
Таким образом, ПП-лента послойного состава и структуры обладает различным уровнем газопроницаемости. Скорость и коэффициент газопроницаемости по кислороду ПП-ленты существенны и не позволяют
рекомендовать этот материал для применения в вышеупомянутых технологиях, а также для длительного хранения в нем продуктов, восприимчивых к воздействию кислорода. Образцы из вспененного полипропилена обладают меньшей газопроницаемостью по сравнению с невспе-ненными материалами и представляют больший интерес для использования. Наиболее перспективны комбинированные материалы на основе ПП-ленты, как обычного, так и вспененного с использованием барьерного слоя.
ЛИТЕРАТУРА
1. Рейтлингер, С.А. Проницаемость полимерных материалов/С.А. Рейтлингер. - М., 1974. - 272 с.
2. Зобкова, З.С. Пороки молока и молочных продуктов. Причины возникновения и меры предупреж-дения/З.С. Зобкова. - М., 2006. -100 с.
3. Додонов, А.М. Барьерные свойства упаковок для пищевых продуктов. Вып. № 8/А.М. Додонов, Я.Г. Муравин. - М.: АгроНИИТЭИПП, 1992. - 20 с.
4. Стрингер, М. Охлажденные замороженные продукты/М. Стрингер, К. Денис: пер. с англ.; под науч. ред. Н.А. Уваровой. - СПб.: Профессия, 2004. - 496 с.
пищевая промышленность 6/2010
