Исследование физико-механических показателей наполненной пищевой сажей полиэтиленовой пленки для молочной и пищевой продукции после воздействия на нее импульсным ультрафиолетовым излучением

Введение. Обеспечение сохранности молочной и пищевой продукции на всем ее жизненном цикле является основным требованием для упаковки [1]. Однако вместе с этими требованиями необходимо также уделять особое внимание защите окружающей среды и экологии, рост использования синтетических полимерных материалов может привести к серьезным экологическим последствиям.

Ученые всего мира пытаются решить эту проблему различными способами: создание полностью биоразлагаемых полимерных материалов, создание наполненных полимерных материалов, которые, с одной стороны, обладают комплексом свойств, необходимых для обеспечения сохранности молочной и пищевой продукции, а с другой стороны – свойствами, необходимыми для снижения экологической нагрузки и облегчения процесса переработки или утилизации на полигоне после окончания ее «жизненного» цикла [1, 2].

Большой интерес ученых направлен в сторону исследований воздействия внешних факторов, таких как ультрафиолетовое излучение, тепловое воздействие, ультразвук и другие, на различные полимерные материалы с целью их искусственного «состаривания» [3].

Под действием внешних факторов полимеры могут подвергаться деформациям или разрушению как в поверхностных слоях, так и во всем материале в зависимости от интенсивности воздействия.

Деструктивные процессы могут протекать и под влиянием окружающей среды и при их переработке, эксплуатации или хранении и приводить к необратимым или обратимым изменениям в структуре и свойствах полимерных материалов [3–5].

Одним из внешних факторов, оказывающим существенное влияние на прочностные показатели полимерных полиолефиновых пленок, может служить ультрафиолетовое (УФ) излучение [5–7].

В настоящее время УФ-излучение активно применяется как метод обеззараживания различных поверхностей, в том числе и упаковочных материалов, и является наиболее перспективной альтернативой существующим реагентным технологиям, в наиболее полной мере удовлетворяющим современным гигиеническим требованиям [8–9].

Ученые, активно изучающие спектр ближнего и дальнего ультрафиолетового излучения, разделяют его на следующие основные группы:

У-С (200–280 нм) – так называемый «жесткий» диапазон излучения, который оказывает максимальный обеззараживающий эффект и является губительным для многих живых организмов;

УФ-В (280–320 нм) – так называемый «средний» диапазон излучения. Ультрафиолет в данном диапазоне представляет большой интерес у исследователей из-за того¸ что оказывает очень сильное воздействие на растения. Однако следует отметить, что увеличение доли «среднего» ультрафиолетового излучения в полном спектре может оказывать негативное воздействие на организм животных и человека. Увеличение его доли в спектре может привести к губительным последствиям не только для растений и микроорганизмов, но и для животных и человека [7, 8, 10].

УФ-радиация во всем спектре разнообразно влияет на вещества органической природы, потому что обладает большой фотохимической активностью. Окисление органических соединений, их фотоокисление с образованием перекисей и перекисных соединений вызывается массивным действием УФ-излучения в зоне коротких волн 180–200 нм. Механизм окисления органических соединений и веществ под действием УФ-излучения заключается во взаимодействии свободных радикалов и кислорода [3, 4, 6].

УФ-излучение так же, как и химическое или термическое воздействие, при определенных условиях может оказывать влияние на прочностные показатели полимерных материалов класса полиолефинов.

Во Всероссийском научно-исследовательском институте молочной промышленности в течение ряда лет проводятся исследования во воздействию импульсного ультрафиолетового излучения на наполненные полиэтиленовые пленочные материалы.

Цель исследования: получение новых экспериментальных данных о влиянии импульсного ультрафиолетового излучения на физикомеханические показатели наполненной пищевой сажей полиэтиленовой пленки для молочной и пищевой продукции.

Задачи исследования. Для реализации поставленной цели по изучению физикомеханических показателей были поставлены следующие задачи:

– разработать экспериментальную макетную установку с использованием импульсной ксеноновой лампы, которая работает в режимах, обеспечивающих диапазон поверхностных доз облучения от 18 до 64 мДж/см2 (Схема установки представлена на рисунке 1);

– провести исследование по влиянию ультрафиолетового излучения во всем заявленном диапазоне поверхностных доз облучения на разрушающее напряжение при разрыве и относительное напряжение при разрыве полимерных пленок с наполнителем пищевая сажа. Проводимые исследования имеют существенную значимость, так как позволят использовать полученные результаты для прогнозирования динамики изменения скорости деструкции, или «деградации», полимерных наполненных материалов.

Объекты и методы исследования. В качестве объектов исследования были использованы полиэтиленовые пленки двух видов: однослойные ненаполненные; трехслойные соэкс-трузионные, наполненные пищевой сажей, с концентрацией 3,0 %масс. Исследуемые полимерные пленочные материалы используются для упаковывания молочных продуктов, в т. ч. молока, сметаны, творога, йогуртов и др. Пленка полиэтиленовая однослойная ненаполненная марки Н выпускается по ГОСТ 10354-82 из полиэтилена высокого давления (ПЭВД) марки 15803-020. В работе использовали пленку толщиной 100 мкм из полиэтилена высокого давления (ГОСТ 16337) марки 15803-020 с черного суперконцентрата фирмы «БАСКО» с итоговой концентрацией наполнителя в изделии 3,0 % масс.

Физико-механические характеристики исследованных образцов анализировали в соответствии с ГОСТ 14236 «Пленки полимерные. Метод испытания на растяжение».

Эксперимент проводили в диапазоне излучения 180–5 000 нм. Это обусловлено верхними и нижними границами пропускания кварцевого стекла, из которого изготовлена импульсная ксеноновая лампа.

Схема исследования комбинированного воздействия излучения импульсного источника излучения лампа импульсная ксеноновя

Блок заряда блок

Блок управления

J

В к. синхр.

канал Дц.= 270

канал Xц. = 555

. zц.= 270

к. ц.= 555

исследуемый тест-объект

разрядный блок

ёмкостной

накопитель

'I энергии

С= 400-800 [мкф .] J I

инициализации

Блок питания

220 В.

С х е м а с т е н да д л я и з м е ре н и я р а д и а ц и о нных характеристик ксеноновой импульсной лампы

Развитие импульса при разряде в УФ-лампе

U [В] амплитудное значени напряжение фототока на осциллографе с ФПИ

входные данные разрядного контура С=200 мкф.

L=20 мкГн.

запуск по ложительному

t [мкс.]

• 2.    фотоэлектрические приёмники излучения (ФПИ)

  • 2.1.    УФ датчик

• -    Фотоэлемент Ф29

ТУ ОД0.335.104 ТУ 1

• -    светофильтр УФО-1

• 2.2.    датчик видимого спектра

• -    Фотоэлемент ФД-263

• -    светофильтр ЖС-18

• -    светофильтр CPC-21

• 2.3.    датчик синхронизации

• - Фотоэлемент ФД-263 (весь спектр)

• 2.4.    блок питания ФПИ

• 3.    цифровой запоминающий осциллограф

  с полосой пропускания 20 Mhz АСК2023

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментального стенда

Генерируемые импульсной ксеноновой лампой длины волн полностью перекрывают весь спектр длин волн с высокой интенсивностью излучения. Этим и обусловлен выбор ксеноновых источников излучения, используемых в данном исследовании. Поглощение энергии идет в тонком приповерхностном слое облучаемой полимерной поверхности и приводит к его нагреву с образованием тепловой волны. Градиент проникновения тепловой волны вглубь облученного материала зависит от его физикохимических характеристик. Глубина проникновения тепловой волны определяется температуропроводностью вещества, см2/c.

В качестве основной характеристики, влияющей на прочностные характеристики полимерных пленочных материалов, была взята поверхностная доза облучения.

Физико-механические испытания облученных полимерных пленок класса полиолефинов с наполнителем и без наполнителя проводили в соответствии с действующей нормативной и технической документацией (ГОСТ 14236-81). Испытания проводили на образцах, вырезанных в продольном и поперечном направлениях на разрывной машине Shimadzu. Полученные результаты представлены на рисунках 2, 3.

Как видно из полученных данных, у образцов полимерной пленки с наполнителем пищевая сажа 3,0 %масс. при поверхностной дозе облучения в 25 мДж/см2 наблюдается наибольшее изменение разрушающего напряжения при разрыве по сравнению с необлученным материалом: в продольном направлении уменьшение показателя разрушающее напряжение при разрыве составляет 20,0 %, а в поперечном направлении – 18,1 %. Однако высоких поверхно- стных дозах облучения (55–64 мДж/см2) таких изменений не происходит. Относительное удлинение при разрыве на всем диапазоне поверхностных доз облучения у образцов пленки полиэтиленовой без наполнителя изменяется на 10–20 %. У образцов пленки полиэтиленовой с наполнителем пищевая сажа 3,0 %масс. изменения относительного удлинения при разрыве при поверхностной дозе облучения 25 мДж/см2 наблюдается максимальное уменьшение показателя на 24,5 % по сравнению с необлученным материалом в поперечном направлении. В продольном направлении изменения практически не наблюдаются.

Нами выдвинута рабочая гипотеза о том, что ультрафиолетовое излучение во всем диапазоне поверхностной дозы излучения оказывает различное воздействие на облученный полимерный материал. Так, при поверхностной дозе излучения 25 мДж/см2 происходит воздействие на аморфную и кристаллическую структуру полимера, тем самым вызывая напряжение в связях макромолекул, что и приводит к ухудшению прочностных характеристик. При более высоких поверхностных дозах облучения (55– 64 мДж/см2) происходит обратный процесс.

Рис. 2. Результаты изменения разрушающего напряжения при разрыве полимерной полиэтиленовой пленки с наполнителем пищевая сажа в концентрации 3,0 %масс (а) и пленки полиэтиленовой без наполнителя (б) в зависимости от поверхностной дозы облучения, Мпа

Рис. 3. Результаты изменения относительного удлинения при разрыве полимерной полиэтиленовой пленки с наполнителем пищевая сажа в концентрации 3,0 %масс (а) и пленки полиэтиленовой без наполнителя (б) в зависимости от поверхностной дозы облучения, %

Выводы. Проанализировав полученные результаты эксперимента, можно сделать однозначный вывод: импульсное УФ-излучение в диапазоне поверхностных доз (18–64 мДж/см²) влияет на изменение разрушающего напряжения при разрыве полиэтиленовых пленочных материалов с наполнителем пищевая сажа в концентрации 3,0 %масс.

Импульсное УФ-излучение в определенных режимах может оказывать влияние на прочностные характеристики полимерных пленочных материалов класса полиолефинов с целью их искусственного «состаривания».