Барьерные свойства полимерных материалов

При выборе упаковки, одним из наиболее важных вопросов, которые возникают у компаний производителей продуктов питания, является вопрос о сроках их хранения. Чаще всего фирмы, производящие продукты питания, учитывая технологический процесс обработки на своем производстве, делают выбор в пользу того или иного вида упаковки, руководствуясь рекомендациями производителей упаковочной продукции. Однако, чтобы этот выбор сделать более грамотно и осознанно, необходимо знать особенности различных материалов, применяемых для упаковки. Именно этому и посвящена эта статья.

Для лучшей сохранности продуктов обычно используют полимерные материалы, обладающие наибольшими барьерными свойствами, т.е. имеют способность препятствовать проникновению газов (таких как кислород, углекислый газ), водяного пара и посторонних запахов. Стабильная атмосфера внутри пакета способна предотвратить развитие пагубных микроорганизмов и сохранить продукт для дальнейшего безопасного потребления. Особенно в том случае, если в качестве упаковки используется пакет из многослойной барьерной пленки, герметично заваренный под вакуумом. В этом случае большинство бактерий из атмосферы пакета будет удалено. Кроме того, если этот пакет в дальнейшем еще будет пастеризован или стерилизован, то сроки хранения продукта будут значительно расширены.

Таким образом, проницаемость полимерных продуктов к газам, прежде всего кислороду и водяному пару, и являются главными факторами, влияющие на сроки хранения, и должны учитываться при выборе материала для упаковки.

Взятые по отдельности полимерные материалы, не обладают универсальными свойствами способными обеспечить всю палитру потребительских свойств. Так некоторые из них имеют прекрасные барьерные свойства по отношению к кислороду, но в то же время хорошо проницаемы для водяного пара.

Кроме того, далеко не все из них можно использовать в качестве материала хорошо привариваемого к материалу упаковочной подложки. Поэтому обычно в качестве упаковочного материала с хорошими барьерными свойствами, используют многослойные плёнки. Именно они в состоянии обеспечить всю необходимую гамму потребительских свойств упаковки, позволяющих сохранять продукт без потери качества в течение длительного времени.

Среди наиболее распространенных типов можно назвать плёнки с количеством слоев от 2-х до 5-ти. Среди упаковочных материалов с чрезвычайно высокими барьерными свойствами встречаются плёнки с количеством слоев 11 и более.

Существует 2 способа производства таких пленок: ламинационный и экструзионный.

Процесс ламинации (склеивания) разных типов пленок осуществляют 2 методами:

• холодная ламинация — с помощью различных типов клеев;
• горячая ламинация — один из слоев или оба слегка расплавляются перед склеиванием, либо в слой между ними заливается расплавленный полимерный материал (адгезив).

Наиболее распространенным способом производства барьерных пленок является выдувная, либо плоскощелевая экструзия (выдавливание) расплава полимеров в единую пленку. При этом одновременно в единую пленку эктрудируются несколько полимеров обладающих нужными барьерными характеристиками, а в случае, если эти полимеры плохо совместимы, то между ними экструдируются расплавленные полимерные адгезивные составы.

Теперь рассмотрим различные типы широко используемых полимерных материалов с точки зрения их способности препятствовать проникновению газов и водяного пара. Если расположить их в ряд по степени уменьшения барьерных свойств по отношению к кислороду, то получиться следующее:

• PVDC (поливинилдихлорид)
• EVOH (этиленвиниловый спирт)
• PA (полиамид)
• PET (полиэтилентерефталат-лавсан)

Колонка расположенных по степени убывания барьерных свойств по отношению к водяному пару полимерных материалов выглядит следующим образом:

• HDPE (полиэтилен высокой плотности)
• PP (полипропилен).
• LDPE (полиэтилен низкой плотности)

На барьерные свойства полимерных материалов существенное влияние оказывает:

1. Степень ориентации полимерного пленочного материала:

Эта характеристика, показывает степень растяжения длинных молекулярных полимерных цепочек внутри пленочного материала и определяется коэффициентом растяжения полимерного расплава в процессе производства (экструзии) пленки. Обычно, лучшая ориентация пленки получается при сильном раздуве пленочного полотна в процессе выдувной экструзии. По данным ЗАО “Уралпластик” ориентированная полиамидная плёнка имеет в два раза более низкую проницаемость по кислороду, чем неориентированная.

2. Температура окружающей среды;
3. Толщина полимерного материала.

Как известно, понижение температуры окружающей среды и увеличение толщины полимерного материала повышает барьерные свойства пленочного материала.

Если составить таблицу значений коэффициентов проницаемости по кислороду и водяному пару для различных полимерных материалов в таблицу, то по данным фирмы «Exxon-Mobil» получится следующее:

Среди факторов влияющих на барьерные свойства полимерных пленок в первую очередь следует отметить влияние температуры окружающей среды на проницаемость газов, а также толщины полимерного материала. Как известно понижение температуры окружающей среды и увеличение толщины полимерного материала повышает барьерные свойства  пленочного материала.

Из таблицы видно, что наиболее высокими барьерными свойствами по отношению к кислороду обладает материал EVOH (этиленвиниловый спирт). Но по причине своей дороговизны встречается на практике довольно редко.

Безусловным лидером, по обоим показателям барьерных свойств, является PVDC (поливинилдихлорид), однако он является тем материалом, который не поддается вторичной переработке, практически никак не утилизируется, и при его сжигании образуются ядовитые газы.

При выборе полимера способного препятствовать проникновению водяного пара в упаковку наиболее часто используются пленки, в состав которых входит HDPE (полиэтилен высокой плотности). Можно привести пример использования этого материала для упаковки сухих завтраков.

Наиболее распространенным типом барьерных пленок предназначенных для хранения мясных и рыбных продуктов являются пленки, включающие в свой состав LDPE (полиэтилен низкой плотности) и PA (полиамид). Этот тип упаковки, пожалуй, и есть самый оптимальный вариант с точки зрения соотношения цена – качество.

Теперь коснемся особой темы — упаковки свежего мяса и рыбы. При упаковке свежего мяса и рыбы, необходимо знать, что в живом организме оно стерильно, поскольку лейкоциты крови не оставляют шанса чужеродным бактериям на выживание. Однако после того как произошел раздел продукта, бактерии, попадающие на поверхность мяса из воздуха или от предметов с которыми оно соприкасается, немедленно начинают размножаться, причем по законам геометрической прогрессии. Поэтому при упаковке мяса или рыбы принципиально важным является время, прошедшее от момента разделки и условий хранения продукта. В последнее время, при упаковке охлажденного свежего мяса используют пакеты, изготовленные из барьерных пленок с модифицированной атмосферой внутри заваренного пакета, которая очищена от бактерий. В этом случае обычно используют атмосферу с содержанием 70% кислорода и 30% углекислого газа. Оба эти газа в такой концентрации препятствуют активному размножению ряда бактерий, кроме того, кислород, насыщая гемоглобин крови, придает мясу ярко красный свежий вид. Обычно производители такого типа упаковки и оборудования для нее указывают срок хранения продуктов в этих материалах от 10 до 12 дней, считая, что при отсутствии такой паковки, продукт испортился бы за 4 дня.

В заключении хотелось сказать, что мы надеемся на то, что данная информация окажется полезной и поможет вам сделать правильный выбор материала для того или иного типа упаковки вашей продукции.