مقاله ساختارهای میکرولایه‌ای پیشرفت‌های بزرگی را در خواص شکل‌پذیری و سدگری بسته‌بندی های مواد غذایی ایجاد

[*mishi* 11,920]

برگردان: مهندس عاطفه کلایی

فناوری جدید دای اکسترودر که میکرولایه‌های چند تایی را در داخل یک فیلم یا ورق با ضخامت استاندارد ایجاد می‌کند، نوید افزایش زمان انبارداری بسته‌بندی‌های مواد غذایی و افزایش شکل‌پذیری آنها را در فرآیند قالب‌گیری گرمائی می‌دهد.

بخش تحقیق و توسعه فرآیند شرکت Extrusion Dies Industries نشان می‌دهد بزرگ¬ترین کاربرد این سامانه "چندلایه¬ساز" در ورق‌ها یا فیلم‌های ضخیم است. شرکت EDI روی توسعه استفاده از این فناوری در فرآیندهای مختلف همچون ظروف در بسته، بسته‌بندی‌های انعطاف‌پذیر و ... در حال مطالعه است. چندلایه‌ساز یک وسیله خاص است که می‌توان آن را برای چندلایه‌ای کردن بخشی یا تمام لایه‌ها در ساندویچ تولید شده توسط فرآیند همرانی (کواکستروژن)، به وسیله یک مسدود کننده خوراک ورودی، مورد استفاده قرار داد. ساختار میکرولایه‌ای ایجاد شده سپس وارد یک دای چند راهه می‌شود که از آنجا به شکل فیلم یا ورق با عرض و ضخامت دلخواه درمی‌آید. اصلاً مهم نیست که چند میکرولایه در ساختار وجود دارد، ضخامت کلی فیلم تولیدی بیشتر از فیلم‌های تولید شده به روش سنتی نبوده و ساختار نیز حاوی مقدار مشابه از مواد خام اولیه خواهد بود.

زمانی که چندلایه‌سازها را می‌توان برای تولید تعداد زیادی میکرولایه طراحی نمود، یکی از نویدبخش‌ترین کاربردها، چند لایه‌ای کردن انتخابی لایه‌ای است که از یک بسپار سدگر همانند اتیلن وینیل الکل (EVOH) تولید شده است. در یک آزمایشگاه فرآیند در مرکز فناوری EDI در ایالت ویسکانسین، آزمون‌هایی انجام شد که در آنها تنها لایه میانی از جنس EVOH چند لایه‌ای شد. این آزمون‌ها در مورد ورق‌هایی انجام شد که در قالب‌گیری گرمائی ظروف یکبار مصرف همانند ظروف بسته‌بندی میوه‌های خرد شده مورد استفاده قرار می‌گیرند. EDI ورق را اکسترود کرده و یک قالب تجاری را برای تولید ورقی با یک، چهار، هشت و 16 لایه EVOH مورد استفاده قرار داد.

تمام ساختارهای لایه‌ای دارای ضخامت 50 میلی‌متر با یک پوسته ضخیم (43%-41%) و لایه‌های میانی (بین پوسته‌ها و هسته EVOH) از جنس پلی‌پروپیلن بودند. بسپار‌های مانع شامل یک بسپار با کاربرد عمومی و بسپاری مناسب برای تولید ظروف دربسته بود.

سی روز پس از تولید محصول، ظروف تولید شده تک¬لایه از جنس EVOH سه تا شش برابر بیشتر سرعت عبور اکسیژن (OTR) را در مقایسه با مواد مشابه چندلایه¬شده نشان دادند. در مدت مشابه، میزان نفوذ اکسیژن نیز سه تا شش برابر بیشتر بود(جدول را ببینید).

با تبدیل یک لایه ضخیم و بلورین و نسبتاً شکننده EVOH به چهار لایه نازک، مزیت مهم دیگری نیز حاصل می‌شود و آن شکل‌پذیری بیشتر در شکل‌دهی گرمائی و انعطاف‌پذیری بیشتر در بسته‌بندی‌های پوسته‌ای شکل است. در حالت کلی این موضوع به معنای اطمینان بیشتر از کیفیت و مصرف کمتر ماده است. در مورد محفظه‌هایی که تحت کشش بالایی قرار می‌گیرند، نازک‌شدن گوشه‌ها یکی از مشکلات مهم به حساب می¬آید، چندلایه کردن لایه EVOH امکان حفظ ماده خام را افزایش می‌دهد.

 

چرا هر چه بیشتر بهتر؟

تحقیقات شرکت EDI هم¬چنین نتایج زیر را برای بیشینه کردن مزایای چندلایه کننده‌ها به دست آورد:

- ساختار ضخیم‌تر به معنای خواص سدگری بهتر خواهد بود. چندلایه‌کننده‌ها برای تولید ورق‌ها و بسته‌بندی توسط فیلم‌های ضخیم مناسب هستند. ضخامت به‌خصوص در مورد میکرولایه‌های سدگر دارای اهمیت است. محققین شرکت EDI دریافتند که خواص سدگری با کاهش ضخامت تا زیر 1 میکرون از حد قابل قبول کمتر می‌شود. آنها پیشنهاد کردند که ضخامت هر لایه سدگر بهتر است 4 میکرون باشد.

- نتایج به دست آمده به نوع مواد سدگر مورد استفاده وابسته است. همان طور که پیشتر نیز عنوان شد، با استفاده از EVOH مناسب ظروف دربسته، خواص سدگری به میزان قابل توجهی بهبود می‌یابد، اما EDI دریافت که انجام آزمون‌های مشابه با استفاده از EVOH با کاربرد عمومی نتایج کاملاً متفاوتی را به دست می‌دهد. گاهی اوقات پس از هفت روز از شروع آزمون، برخی از ظروف تولید شده با چهار میکرولایه سدگر OTR و نفوذ اکسیژن بیشتری از خود نشان دادند.

- نتایج به‌دست آمده به محل قرارگیری لایه‌های سدگر نیز وابسته است. لایه‌های پوسته که در تماس مستقیم با دیواره کانال جریان قرار دارند تحت نیروهای برشی بزرگ¬تری قرار گرفته و با حرکت ساختارهای شکل گرفته در داخل دای این نیروها سبب تغییر شکل و شکل‌گیری لایه‌های باریک‌تر می‌گردند.

در مثالی دیگر از اهمیت موقعیت میکرولایه‌ها، ساختارهای میکرولایه‌ای با لایه‌های مجاور هم از جنس EVOH و نایلون، OTR بیشتری را در مقایسه با ساختارهای سنتی از خود نشان دادند. از آنجائی¬که این دو ماده بسیار سازگار هستند، نایلون حاوی ساختارهای بلوری EVOH (مهم‌ترین نکته در خواص سدگری آن) خواهد بود. EDI دریافته است که خواص عبورپذیری بهبود یافته را می‌توان توسط چیزی که آن را "لایه مرزی محافظ" میان EVOH و نایلون نامیده، به دست آورد. ماده‌ای که در مرکز تحقیقات EDI بدین منظور مورد آزمون قرار گرفته پلی پروپیلن اصلاح شده توسط مالئیک انیدرید است که به عنوان لایه اتصال دهنده مورد استفاده قرار می‌گرفته است.

 

کاربردها

تجربیات EDI در مورد فناوری چندلایه¬سازها به چندین سال قبل و به قراردادی که با وزارت دفاع ایالت متحده برای توسعه مخازنی با طول عمر زیاد برای تأمین غذای نظامیان منعقد شده بود، برمی‌گردد. این پروژه دولتی با تکمیل فناوری فرآیند برای سینی‌های با سدگری بالا و درپوش‌های با قابلیت درزبندی گرمائی برای استفاده در چیزی که سینی‌های Unitized Group Ration (UGRs) ( بسته‌های غذایی که می‌تواند در محل عملیات گرم شود) نامیده می شوند، ادامه می‌یابد.

شرکت EDI در حین انجام مطالعاتش روی میکرولایه‌ها، یک سامانه چندلایه‌ساز را توسعه داد که در اواسط 2009 به صنعت معرفی شد. این شرکت اعتقاد دارد که این سامانه جدید قابلیت گسترش بیشتر، دقت بالاتر، و تطبیق‌پذیری بالاتری در مقایسه با چندلایه‌سازهای قبل دارد. بر اساس طراحی جدید می‌توان تجهیزات مورد نیاز برای محدوده وسیعی از عرض را فراهم نمود. این سامانه را می‌توان برای چند لایه‌ای کردن مواد ورودی از سه، پنج، هفت، نه یا تعداد بیشتر جریان مذاب طراحی نمود.

نمونه‌ای از فشردگی و بازدهی را می‌توان در مورد یک چند لایه‌کننده برای تولید 84 میکرولایه یافت. این وسیله شامل چهار جزء می‌باشد: یک بلوک خوراک همرانی پنج¬لایه‌، دو مدول چندلایه‌ساز، و یک بلوک پنج لایه‌ای دیگر. طول این وسیله از ورودی جریان بسپار به آن تا خروجی ساختار چند لایه‌ای تنها 762 میلی¬متر است. این وسیله در خطی با سرعتی در حدود680 کیلوگرم در ساعت مورد استفاده قرار می‌گیرد.

این فشردگی در چندلایه‌ساز برای حفظ جریان خطی، توسعه یکنواختی لایه و سازگاری با متغیرهای معمول در گرانروی مواد یا سرعت اکستروژن دارای اهمیت است. چندلایه¬سازهای بزرگ که دارای مسیرهای جریان طولانی هستند می‌توانند یکنواختی لایه را با مشکل مواجه کنند. همچنین سازگاری و تطبیق کمتر و مواد چندلایه شده از تعداد کمتری جریان ورودی از دیگر معایب این سامانه‌هاست.

چندلایه¬ساز جدید را می‌توان در یک خط اکستروژن تنها با یک سری تغییرات جزئی نصب کرد. زمان توقف نیز برای تمیز کردن سامانه تنها 4 ساعت خواهد بود.

بسپار