Спосіб прогнозування вологопроникності полімерних плівкових пакувальних матеріалів

Реферат: Спосіб прогнозування вологопроникності полімерних плівкових пакувальних матеріалів включає визначення величини коефіцієнта проникності К по волозі досліджуваних полімерних плівкових матеріалів, всередині яких герметично розміщено адсорбент-продукт, що має поглинаючу здатність по волозі. Вимірюють товщину плівки 8 та площу поверхні плівки 5 досліджуваного полімерного плівкового пакувального матеріалу, визначають приріст маси адсорбент-продукту, упакованого всередині полімерного плівкового пакувального матеріалу, протягом часу вимірювань, а значення коефіцієнта проникності К по волозі досліджуваних полімерних плівкових пакувальних матеріалів визначають за формулою Δm  δ , (г  мм/мм2 ), k S де m - приріст маси адсорбент-продукту, г, K  - товщина полімерної плівки, мм, 2 S - площа поверхні полімерної плівки, мм . UA 117042 U (12) UA 117042 U UA 117042 U 5 10 15 20 25 30 Корисна модель належить до способів прогнозування вологопроникності полімерних плівкових пакувальних матеріалів шляхом визначення величини коефіцієнта їх вологопроникності. Як аналог вибраний спосіб визначення вологопроникності плівок на основі вимірювання потоку дифузії парів води через плівку, причому з метою підвищення точності визначень і скорочення тривалості випробувань, пари води мітять тритієм і проникнення їх крізь зразок плівки фіксують радіометричним методом, наприклад за допомогою газолічильників, при дотриманні умов стаціонарності потоку дифузії [1]. Недоліками цього способу є складність та трудомісткість його реалізації. Як найбільш близький аналог (прототип) вибраний спосіб визначення вологопроникності плівок, що реалізується за допомогою відповідного пристрою [2]. При цьому необхідно встановити попередньо заготовлений зразок плівки між камерами з низькою і високою вологістю. Датчик вологості знаходиться в сухий камері аналізує зміни вологості, обчислює час і збільшує вологість повітря від нижнього заданого значення до найбільшого (параметри задаються). Швидкість проходження парів води і коефіцієнт передачі водяної пари, обчислюється періодичним вимірюванням та аналізом системи. Недоліками способу прототипу є складність та трудомісткість його реалізації, що також передбачає наявність камер з низькою і високою вологістю. В основу технічного рішення поставлено задачу спрощення прогнозування (визначення) коефіцієнта вологопроникності різних полімерних плівкових пакувальних матеріалів, що використовуються для довготривалого зберігання продуктів, з урахуванням впливу поглинаючої здатності пакованого продукту на швидкість просочення вологи всередину упаковки. Поставлена задача вирішується тим, що у способі прогнозування вологопроникності полімерних плівкових пакувальних матеріалів, що включає визначення величини коефіцієнта проникності К по волозі досліджуваних полімерних плівкових матеріалів, всередині яких герметично розміщено адсорбент-продукт, що має поглинаючу здатність по волозі, новим є те, що вимірюють товщину плівки 8 та площу поверхні плівки S досліджуваного полімерного плівкового пакувального матеріалу, визначають приріст маси адсорбент-продукту, упакованого всередині полімерного плівкового пакувального матеріалу, протягом часу вимірювань, а значення коефіцієнта проникності К по волозі досліджуваних полімерних плівкових пакувальних матеріалів визначають за формулою: m   , (г  мм / мм2 ), k S де m - приріст маси адсорбент-продукту, г, K 35 40 45 50 55  - товщина полімерної плівки, мм, 2 S - площа поверхні полімерної плівки, мм . Вимірювання коефіцієнта проникності К по волозі досліджуваних полімерних плівкових пакувальних матеріалів здійснюють протягом 15-20 днів, після чого адсорбент-продукт, що знаходиться всередині полімерного плівкового пакувального матеріалів матеріалу, оновлюють, після чого вимірювання продовжують. Як адсорбент-продукт, що має поглинаючу здатність по волозі, використовують силікагель, попередньо висушений до нульової вологості, а як полімерні плівкові пакувальні матеріали використовують поліетилен низької густини товщиною 20 мкм або поліетилен високої густини товщиною 25 мкм, або поліпропілен товщиною 20 мкм, або співполімер поліетилену з вінілацетатом товщиною 20 мкм. Перераховані ознаки способу складають суть корисної моделі. Причинно-наслідкового зв'язок між сукупністю ознак, заявляються, та технічним результатом, що досягається, полягає в наступному. Відомо, що відносно багатьох упакованих продуктів сучасний ідеальний пакувальний матеріал, крім виконання звичайних функцій (утримання і запобігання ушкоджень продукту), повинен також забезпечувати інертність і необхідні бар'єрні властивості для ізолювання упакованого продукту від дії навколишнього середовища [3,4]. В ідеальному випадку при забезпеченні гарних інертних бар'єрних властивостей не спостерігається ніякого обміну молекулами (такими, наприклад, як кисень, азот, вуглецевий газ, вода, іони, компоненти упакованих продуктів або компоненти пакувальних матеріалів) між пакувальним матеріалом і матеріалами, розміщеними в цю упаковку. У реальності ж такого пакувального матеріалу не існує. Незважаючи на те, що деякі матеріали є практично повністю інертними, наприклад скло, однак за певних умов навіть зі скляної упаковки можуть бути вилужені певні іони. Інша розповсюджена упаковка, а саме металева, як і скляна, має чудові бар'єрні властивості, однак вона теж не є повністю інертною. 1 UA 117042 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Адже в певних розчинниках може бути розчинена металева упаковка будь-якого типу. Крім цього через металеву і скляну упаковку може дифундувати водень. Для забезпечення даної вимоги необхідно прогнозувати параметри процесу проникнення парів та газів крізь упаковку, особливості їх взаємодії з продукцією та дослідити кількісні характеристики цих процесів. Взаємодії з пакувальними матеріалами можна класифікувати на такі типи: 1) проникність з'єднань через полімерну плівкову упаковку; 2) сорбцію сполук полімерною плівковою упаковкою; 3) міграцію сполук з полімерної плівкової упаковки [3]. На фіг. 1 схематично зображені процеси дифузії (фаза 2), сорбції (фаза 1) та проникності (фаза 3), що відбуваються в полімерному плівковому пакувальному матеріалі. Тут прийняті наступні позначення: р - парціальний тиск газу (водяних парів); с - концентрація проникаючої речовини в полімерному плівковому пакувальному матеріалі;  - товщина стінки полімерного плівкового пакувального матеріалу. При цьому вважається, що коефіцієнти дифузії D і розчинності Кр є основними параметрами, регулюючими процеси масопереносу в полімерних плівкових пакувальних системах. А в більшості випадків лімітуючим фактором процесу дифузії є сорбція і розчинення газу (пари) в прикордонному шарі полімерного плівкового матеріалу. Проникність - це властивість полімерної упаковки або плівкового матеріалу, з якого вона виготовлена, пропускати проникаючі речовини у вигляді газів, парів (пермеатів) або рідин (пенетратів) через гомогенний (або гетерогенний) пакувальний матеріал. У той же час процес проникності не включає переміщення проникаючих речовин через отвори, тріщини або інші дефекти упаковки (що розглядаються в основному при механізмі фазового перенесення). Очевидно, що проникність здатна в істотній мірі вплинути на термін придатності упакованого продукту, так як цей продукт може як приєднувати, так і виділяти які-небудь компоненти, або піддаватися небажаним хімічним реакціям з молекулами проникаючих речовин. Також на склад упакованих продуктів здійснюють певний вплив процеси виділення вологи і діоксиду вуглецю (СО2), поглинання вологи сухими продуктами або окислення чутливих до дії кисню продуктів. Тому всі вищевказані процеси кумулятивно впливають на термін придатності упакованого продукту. На цей час найбільш дослідженими механізмами проникності полімерних плівок, на базі яких здійснюється проектування їх бар'єрних властивостей, є фазове перенесення та активована дифузія. В рамках першого механізму досліджується перенесення дифундуючої речовини при незмінному її фазовому стані через наявні пори, мікротріщини, нещільності зварних швів та капіляри плівкового пакувального матеріалу. В рамках механізму активованої дифузії дослідження проникності є більш складним та комплексним, так як розглядається сума послідовно протікаючих процесів. Серед даних процесів сорбція і розчинення газу чи пари в прикордонному шарі плівки, дифузія атомів (молекул) через шар полімерного плівкового матеріалу та десорбування і виділення газу чи пари зі зворотної сторони полімерної плівки. При цьому використання підходу до проектування пакувальних плівкових матеріалів з необхідними стійкими бар'єрними властивостями, заснованому на дослідженні процесів перенесення дифундуючої речовини, зумовлених активованою дифузією, дозволяє забезпечити надійне зберігання упакованого в таку упаковку харчового продукту без істотної зміни його споживчих властивостей протягом регламентованого строку його зберігання. Спосіб пояснюється фіг. 1 - фіг. 3, де на фіг. 1 схематично зображено процеси дифузії (фаза 2), сорбції (фаза 1) та проникності (фаза 3), що відбуваються в полімерному плівковому пакувальному матеріалі; на фіг. 2 показано зразки досліджуваних плівкових матеріалів в ексикаторі (тут 1 - ПП; 2 - ПЕВГ; 3 - ПЕНГ; 4 - СЕВА - див. розшифровку позначень нижче); на фіг. 3 показана експериментально встановлена залежність зміни маси силікагелю в пакетах (у %) із різних плівкових матеріалів у часі (в днях). Відповідно до розробленого технічного рішення, для визначення швидкості проникності вологи полімерних плівкових матеріалів було використано водопоглинаючі властивості силікагеля, запакованого в пакети з даних матеріалів. Кількість вологи, що проникла крізь пакувальний матеріал та поглинулась силікагелем, визначалась ваговим методом за ГОСТ 16483.19-72. Було досліджено такі полімерні плівкові пакувальні матеріали: поліетилен низької густини (ПЕНГ) товщиною 20 мкм; поліетилен високої густини (ПЕВГ) товщиною 25 мкм; поліпропілен (ПП) товщиною 20 мкм; 2 UA 117042 U 5 10 15 20 співполімер поліетилену з вінілацетатом (СЕВА) товщиною 20 мкм. З вказаних матеріалів формувались пакети з вкладеним всередину силікагелем, попередньо висушеним до нульової вологості. Подальші дослідження проводились в ексикаторі, на дно якого наливався насичений розчин соди, на вставку укладались пакети, кришка герметично закривалась та здійснювалась витримка за температури 20 °C. Зразки періодично зважували з похибкою не більш ніж 0,001 г. Зміна маси пакета й визначає кількість вологи, що проникла крізь досліджуваний плівковий матеріал. Дослідження проникності плівкових матеріалів проводились в ексикаторі (фіг. 2) за нормальних умов. Було прийнято припущення, що водопоглинаюча спроможність силікагелю дозволяє повністю поглинути вологу, яка дифундувала всередину пакета, підтримуючи всередині нього майже нульову вологість. Експериментально встановлені залежності зміни маси силікагелю в пакетах із різних плівкових матеріалів у часі, що вимірювався в днях, показані на фіг. 3. З наведених на фіг. 3 графіків витікає, що поглинаюча здатність силікагелю залишалась сталою на протязі 15-20 днів від початку експерименту. Менш щільна молекулярна структура ПЕНГ та особливо СЕВА спричиняють більшу спроможність до пропускання вологи, що може бути небажано для тривалого зберігання продукції в пакованнях з даних матеріалів. Найбільш важливими є значення приросту маси продукту в перші дні вимірювань, коли степінь поглинання силікагелю ще є майже сталою. З них можна отримати приведені значення 2 коефіцієнтів проникності К досліджуваних пакувальних плівкових матеріалів (у г мм/мм ) за формулою: m   k , S 2 де m - приріст маси продукту, г;  - товщина плівки, мм, S - площа поверхні плівки, мм . K Отримані значення зведено в табл. 25 Таблиця Значення коефіцієнтів проникності К по волозі полімерних плівкових пакувальних матеріалів Тип полімерного плівкового матеріалу 2 6 Коефіцієнт проникності К10 , (г  мм / мм ) 2,38 1,00 0,7 2,55 ПЕНГ ПЕВГ ПП СЕВА 30 35 40 45 Таким чином, з отриманих у табл. даних витікає, що найбільшу проникність за вологою мають СЕВА та ПЕНГ, а найменшу - ПП, що робить його найбільш придатним серед досліджуваних матеріалів, призначених для зберігання пакованої продукції, яка може взаємодіяти з вологою. Наведений спосіб експериментальних досліджень є новим. Він не потребує дороговартісної апаратури та придатний для дослідження бар'єрних властивостей різних пакувальних матеріалів та виробів. Проте внаслідок обмеженої поглинаючої здатності адсорбенту він дає не повністю достовірні результати динаміки поглинання за досить тривалих термінів, що перевищує 15-20 днів. Напрями його вдосконалення полягають у використанні більш ефективного за поглинаючою здатністю адсорбенту, а також періодичним, наприклад двотижневим, оновленням стандартно використовуваного для подібних досліджень адсорбенту, зокрема у вигляді силікагелю. Запропонований спосіб враховує вплив поглинаючої здатності пакованого продукту на швидкість просочення вологи всередину упаковки. Він не потребує спеціалізованого обладнання та висококваліфікованого персоналу для своєї реалізації. Він є простим та достовірним у реалізації та враховує вплив поглинаючої здатності пакованого продукту на швидкість просочення вологи всередину упаковки. Джерела інформації: 1. А.С. СССР № 113009, МПК G01N 15/08, B01D 53/22, G01N 23/04, опубл. 01.01.1958. 2. http://ru.labthink.com/product/w3-130-water-vapor-transmission-rate-tester.html. 3. Selke, S. Е. М. Plastics Packaging: Properties, Processing, Applications, and Regulations [Text]/ S. E. M. Selke, J. D. Culter. - Ed. 3. - Munich: Carl Hanser Verlag, 2015. - 487 p. 3 UA 117042 U 4. Hanlon, J. Handbook of Package Engineering [Text] / J. Hanlon, R. Kelsey, H. Forcinio. - CRC Press, 1998. - 698 p. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 1. Спосіб прогнозування вологопроникності полімерних плівкових пакувальних матеріалів, що включає визначення величини коефіцієнта проникності К по волозі досліджуваних полімерних плівкових матеріалів, всередині яких герметично розміщено адсорбент-продукт, що має поглинаючу здатність по волозі, який відрізняється тим, що вимірюють товщину плівки (8) та площу поверхні плівки (5) досліджуваного полімерного плівкового пакувального матеріалу, визначають приріст маси адсорбент-продукту, упакованого всередині полімерного плівкового пакувального матеріалу, протягом часу вимірювань, а значення коефіцієнта проникності К по волозі досліджуваних полімерних плівкових пакувальних матеріалів визначають за формулою Δm  δ , (г  мм/мм2 ), k S де m - приріст маси адсорбент-продукту, г, K 15  - товщина полімерної плівки, мм, 2 S - площа поверхні полімерної плівки, мм . 20 25 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що вимірювання коефіцієнта проникності К по волозі досліджуваних полімерних плівкових пакувальних матеріалів здійснюють протягом 15-20 днів, після чого адсорбент-продукт, що знаходиться всередині полімерного плівкового пакувального матеріалів матеріалу, оновлюють, після чого вимірювання продовжують. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як адсорбент-продукт, що має поглинаючу здатність по волозі використовують силікагель, попередньо висушений до нульової вологості, а як полімерні плівкові пакувальні матеріали використовують поліетилен низької густини товщиною 20 мкм або поліетилен високої густини товщиною 25 мкм, або поліпропілен товщиною 20 мкм, або співполімер поліетилену з вінілацетатом товщиною 20 мкм. 4 UA 117042 U Комп’ютерна верстка О. Гергіль Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5