RU
EN   Информационное агентство INNOV.RU | Понедельник, 05 декабря 2016 г. 19:44
Иннов: электронный научный журнал

Изучение состояния равновесия между влажным воздухом и биоразлагаемым полимерным материалом

The research of the equilibrium state between the moist air and biodegradable polymeric material


18.03.16 17:45
303

Выходные сведения: Никулина М.А. Изучение состояния равновесия между влажным воздухом и биоразлагаемым полимерным материалом // Иннов: электронный научный журнал, 2016. №1 (26). URL: http://www.innov.ru/science/tech/izuchenie-sostoyaniya-ravnovesiya-m/

Авторы:
Никулина М.А. асс.каф.Технологические машины и оборудование, ФГБОУ ВПО Астраханский Государственный Технический Университет, Астрахань, Российская Федерация (412052, РФ, г.Астрахань, ул.Татищева 16а), e-mail: mnikylina@mail.ru

Authors:
Nikulinа M.A. ass.dep. Tehnological machinery and equipment, Astrakhan State Technical University, Astrakhan, Russian Federation (412052, Russian Federation, Astrakhan, st.Tatischeva 16a), e-mail: mnikylina@mail.ru

Ключевые слова: биоразлагаемый материал, полимер, альгинат натрия, изотерма сорбции, равновесное влагосодержание

Keyword: biodegradable polymer, sodium alginate, sorption isotherm, the equilibrium moisture content

Аннотация: В статье произведен анализ состояния равновесия между влажным воздухом и разработанным биоразлагаемым полимерным материалом на основе экспериментальных значений изотерм сорбции. Математическая обработка экспериментальных данных позволила описать процесс сорбции и выявить динамику активности воды при заданных значениях равновесной влажности, температуры. При изучении полученных кривых было выбрано значение Aw=0.160-0.250кг/кг, соответствующее образованию «монослоя». Таким образом, можно сделать вывод, что для хранения, транспортировки высушенного биоразлагаемого материала наиболее целесообразной влажностью является Aw=0.160-0.240 кг/кг.

Annotation: The article analyzes the state of equilibrium between the moist air and developed a biodegradable polymer material, based on the experimental values of sorption isotherms. Mathematical processing of experimental data allowed to describe the process of sorption and reveal the dynamics of water activity for given values of equilibrium moisture and temperature. In the study of the curves obtained value Aw = 0.160-0.250kg / kg has been selected, the corresponding formation of a "monolayer". We can be concluded that the most appropriate humidity is Aw = 0.160-0.240 kg / kg for storing, transporting the dried material is biodegradable.

Изучение состояния равновесия между влажным воздухом и биоразлагаемым полимерным материалом
В настоящий момент самым популярным материалом для производства упаковки пищевых продуктов является полиэтилен ввиду его невысокой стоимости и высоких эксплуатационных характеристик. Тем не менее, ряд существенных его недостатков заставляет ученых искать альтернативу этому упаковочному материалу.

Во всем мире проводятся научные исследования, целью которых является создание биоразлагаемого упаковочного материала, по эксплуатационным характеристикам и цене не уступающего полиэтилену и способного его заменить в упаковке товаров широкого ассортимента [1,2].

Для решения поставленной задачи был проведен цикл комплексных исследований, результатом которого стала разработка и экспериментальное обоснование состава композиции для получения биоразлагаемого пленочного упаковочного материала (БПУМ) с высокими эксплуатационными характеристиками, содержащую связующую систему из растительных полисахаридов и воды, натурального консерванта. В основе композиции БПУМ находится альгинат натрия, полисахарид природного происхождения в количестве не более 3% от общей массы готового материала [3-5].

Для изготовления пленочных покрытий для упаковки пищевых продуктов основной операцией является сушка, которая и определяет конечные свойства и характеристики готового продукта. Так как материал по исследованию можно отнести к водорастворимым гелям на основе альгината [6], то и закономерности процесса сушки следует применять как к материалу данной категории. Новизна продукта и его уникальность обуславливает спектр работ, которые должны быть предприняты для осуществления сушки материала и основной из них является нахождение оптимального способа удаления влаги из геля [7,9,10].

С целью улучшения потребительских свойств и расширения области использования БПУМ, выбора наиболее эффективного способа сушки, конечной влажности, был произведен анализ состояния равновесия между влажным воздухом и БПУМ и изучена изотерма сорбции. Изотерма сорбции (десорбции) в графическом виде показывает связь между равновесным влагосодержанием продукта и соответствующей ей относительной влажностью воздуха при стабильной температуре. Данное соотношение не имеет строгого аналитического описания, в связи с чем, его необходимо определять экспериментальным путем. На рис. 1 приведены изотермы сорбции БПМ, полученные при различных температурах (313К и 293К) [4,5].

Полученную изотерму сорбции можно условно разбить на 3 участка. На изотерме можно выделить сингулярные точки, которые соответствуют критическим значениям влагосодержания, которые говорят об видоизменении механизма сорбции. Вода в данном случае играет промежуточную роль, образуя водородные связи с гидроксильными группами, позволяющие, в том числе и за счет прочных ковалентных поперечных связей на участке Awот 0 до 0.090-0.160кг/кг, (рис.1) до I-ой точки перегиба сорбционной способности БПМ не зависеть от температуры. Далее, на участке Awот0.090 - 0.160 до 0.250 - 0.920, происходит рост количества адсорбированной влаги, происходят тепловые колебания молекул воды, которые разрывают молекулярные цепи полимера, позволяют им принимать энергетически выгодные конформации [111], но молекулы воды при этом все еще находятся в ориентированном состоянии, что означает, что происходит полимолекулярная адсорбция. На третьем участке после значения Awот 0.920кг/кг происходит растворение, за счет того, что мономерные остатки, соединенные в цепочки в окружении гидратных слоев, легко отъединяются друг от друга, в результате чего происходит диффузия, ввиду того, что молекулы воды из-за диффузии ослабляют связи в структуре альгината натрия.

1.jpg

Рис.1 Изотерма сорбции БПУМ


Экспериментальное изучение гигроскопических свойств имеет целью дать характеристику изучаемому сухому продукту и рекомендации по выбору конечной влажности материала, являющейся наиболее целесообразной для осуществления процесса хранения. При изучении полученных кривых было выбрано значение Aw=0.160-0.250кг/кг, соответствующее образованию «монослоя». Именно в данном диапазоне значений влага достаточно сильно связана с продуктом, а микробиологическая активность незначительна [12]. Таким образом, можно сделать вывод, что для высушенного БПМ наиболее целесообразной влажностью при хранении является Aw=0.160-0.240 кг/кг.

Библиографический список


1. Lendlein A., Sisson A. Handbook of Biodegradable Polymers. Germany, Wiley-VCHVerlag&Co. KGaA, 2011, P. 402.

2. Guillet J.E. Plastics and the environment in Degradable Polymers: Principles and Applications. London, Chapman & Hall, 1995, pp. 216–246.

3. Standard Test Method for Water Vapor Transmission of Materials: American Standard Testing Method International ASTM E96-95. – Введ. 01.02.1995. – American National Standards Institute, 1995 – 8 с. (accessed April 22, 2015).

4. Scott G., Wiles D.M. Biomacromolecules, 2001, no. 2, pp. 615–622.

5. Мясная индустрия. Обработка бульона [Электронный ресурс]. URL:http://promeat-industry.ru/tehnologiya-myaso/3154-obrabotka-bulona.html (дата обращения: 17.11.2015).

6. Никулина М.А. Водорастворимая биодеградируемая съедобная упаковочная пленка: пат. 2525926 Российская Федерация. 2014. Бюл. №23. 5 с.

7. ГОСТ 8756.12-91 Продукты переработки плодов. Методы определения способности плодово-ягодного пюре образовывать желе (введен в действие 30.06.1992, переиздание 25.06.2010)

8. ГОСТ 14236-81 Пленки полимерные. Метод испытания на растяжение M: Стандртинформ 1982 ( действующая версия от 01.07.1982 ), 7 с.

9. Фомин В.А., Завражнов С.А. Состояние и направления развития работ по получению биоразлагаемых полимеров из молочной кислоты // Пластические массы. 2012. N3. С.56–64.

10. Karsten , R. and Steinchel, A. Polymers, Appl. Environ. Microbiol.,71, 2005, P. 2803 – 2812

11. Sun X.-H. et. Al. Polym. Mater. Sci. Technol. Eng. 2005, v.21, N5, P.51-54, 58.

12. СанПиН 2.3.2.1078-01. Гигиенические требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов. Введ. 01.09.2002 (с изм. от 06.07.2011). М.: Федеральный центр Госсанэпиднадзора Минздрава России, 2002. 12 с.



  Яндекс.ВиджетINNOV

архив: 2013  2012  2011  1999-2011 новости ИТ гость портала 2013 тема недели 2013 поздравления