Полимерные наномодифицированные покрытия

Федеральное государственное бюджетное  общеобразовательное учреждение

 высшего профессионального  образования

«Санкт-Петербургский Государственный  Политехнический Университет»

Институт металлургии, машиностроения и транспорта

 

Специальность 150407

Форма обучения: дневная

 

Кафедра

Автоматы

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине НИР

 

 

 

Тема работы (проекта): Полимерные наномодифицированные покрытия

 

 

Студент                                                                                        Игнатьева Я.Е.

                 (подпись)                                                                             (Ф.И.О.)

 

гр.  30410/1

 

Руководитель

 

                                                                                                       Ваганов В.В.

(должность,  ученое звание, степень)   (подпись)                              (Ф.И.О.)

 

Дата защиты работы:

 

Оценка:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2013

 

Реферат

Записка 35с, 3 рис., 22 источника, 2 прил.

Этикетка, этикеточная бумага, этикетировочная линия, мелованная бумага, лакирование

Объектом исследования являются односторонние  мелованные бумаги, предназначенные  для печати этикеток.

Цель работы – выяснить эффективность  применения различных сортов этикеточных  бумаг для этикеток с разной конечной целью использования.

В процессе работы проводились экспериментальные  исследования основных свойств этикеточной  бумаги и взаимодействия ее с красками и лаками.

Результаты исследования этикеточных  бумаг выявили преимущества и  недостатки их основных свойств и  печатных характеристик.

 

Оглавление

Введение 3

Следующие преимущества: 3

Способы получения полимерных нанокомпозитов на основе алюмосиликатов 3

Технологическое и  экологическое значение нанооптимизированных упаковок 3

Вывод 3

Приложения 3

Список используемой литературы: 3

 

 

 

Введение

В последние годы покрытия из водных дисперсий полимеров формируемые на поверхности продуктов питания стали промышленно выпускаемой товарной формой защитных полимерных покрытий  и успешно используются в технологиях сыроделия, колбасной и другой мясной продукции, овощей, фруктов, птицы[1,2]. Стремительное развитие и распространение защитных покрытий в различных областях промышленности, в частности в упаковке пищевых продуктов.

Следующие преимущества:

 использование биологически безопасных водных систем (например, на основе ПВС, природных полисахаридов, латексов полимеров); 

• сравнительная простота технических решений, связанных с нанесением на поверхность продукта полифункциональных покрытий без высокотемпературной обработки; 
• обеспечение плотного и повсеместного облегания поверхности продукта, за счет чего гарантируется отсутствие макрополостей – областей потенциального развития нежелательной микрофлоры;
• возможность варьирования функций образуемого покрытия путем введения в сам покровный состав добавок различной природы, обеспечивающих формирование антимикробных, водостойких, съедобных и других видов покрытий;
• характерная особенность покрытий – возможность нанесения покровных материалов на поверхность любой формы.

 

         В настоящее время наблюдается  тенденция увеличения спроса на латексные  покрытия из водных дисперсий полимеров. Такое покрытие, помимо перечисленных  выше преимуществ, создает влагоудерживающую и газопроницаемую пленку, которая обеспечивает создание защитной среды для каждого объекта нанесения в отдельности с учетом его специфических свойств. Модификация латексов наночастицами серебра с учетом последних достижений нанотехнологии, может позволить создать покрытие с новыми свойствами и расширить область применения материала[1].           

Известные уникальные свойства наносеребра обеспечивать комплекс антибактериальных свойств по отношению к различным тест штаммам (Esherichia coli,Staphylococcus aureus, Pseudomonas fluorescens, Shewanella putrefaciens, Salmonella typhi)[3] при относительно малых концентрациях, позволили широко использовать наночастицы в пищевой промышленности и упаковки. Наночастицы серебра используются при производстве барьерных однослойных и многослойных пленок  на основе полиэтилена, полиэтилентерефталата, поливинилового спирта, производных целлюлозы, крахмала, поливинилхлорида и т.д.[4]. Несмотря на достоинства наносеребра, обеспечивать антимикробные свойства при малых концентрациях необходимо строго регулировать содержание и выделение наносеребра как в продукт, так и в окружающую среду[5].         

Целью данной работы является разработка состава латексного покрытия, модифицированного наночастицами серебра с целью его использования для защиты пищевых продуктов.         

При разработки пленкообразующих композиций на основе латексов необходимо учитывать как свойства пленкообразователя так и свойства вносимого модификатора. Порядок введения различных ингредиентов в латекс определяется характером поставленной задачи. Во всех случаях необходимо, чтобы латекс до введения добавок сам был устойчив. При разработке защитного покрытия необходимо учитывать комплекс требований предъявляемых видом упаковываемого продукта[6].                                              В качестве объектов исследования были использованы: дисперсия сополимера винилацетата с дибутилмалеинатом и модификатор – концентрат коллоидного раствора наноразмерных частиц серебра[3].         

На начальном этапе  работы были составлены композиции с  различными концентрациями модифицирующей добавки и исследованы коллоидно-химические свойства полученных систем: вязкость, pH, краевой угол смачивания, поверхностное натяжение.         

Одним из важнейших технологических  параметров водных дисперсий полимеров  является вязкость, во многом определяющим поведение систем при получении  материала.         

Полученные  данные свидетельствуют о том, что  с увеличением концентрации модифицирующей добавки вязкость системы увеличивается, что свидетельствует о насыщенности адсорбционного слоя и появлении  мицелл в водной фазе[7].              

Также важнейшей характеристикой  исследуемых систем является показатель pH, который влияет на их устойчивость, результаты эксперимента показали, что добавка оказывает незначительное влияние на pH. Значения исследуемых систем остается в пределах 5,5±0,5.

 

Следующий этап работы - изучение поверхностного натяжения, так как данный параметр, позволяет предположить о распределении добавки в гетерофазной системе. Уменьшение поверхностного натяжения, с увеличением концентрации добавки объясняется тем, что входящий в состав добавки поверхностно – активное вещество встраивается на границу раздела фаз[18].

Возможность использования  состава для обработки поверхностей различной природы, а также качество получаемого материала, зависит  от величины краевого угла смачивания.

В ходе эксперимента было получено, что модификатор, с  увеличением концентрации в составе  композиции, уменьшает краевой угол смачивания, что способствует лучшему нанесению покрытия на поверхность и регулированию толщины получаемого материала.            

Анализируя полученные данные, приходим к выводу, что   модификатор, с увеличением концентрации в составе композиции, изменяет основные коллоидно – химические показатели, и способствует образованию равномерной пленки на поверхностях различной природы, а так же изменение показателей позволяют предположить о распределении добавки на границе раздела фаз[14].            

Из исследуемых систем были сформированы пленки. Пленкообразование из водных дисперсий  полимеров (латексов) рассматривается как процесс ликвидации межфазной границы полимер-среда на поверхности подложки при одновременном удалении дисперсионной среды. Внешними признаками этого процесса является сокращение объема и оптической плотности пленки, а также увеличение объемного сопротивления. Пленкообразование связано с астабилизацией  латекса за счет концентрирования дисперсии в результате испарения воды и последующим самопроизвольным сжатием образованного промежуточного геля до состояния монолитной пленки. Опытным путем было установлено, что модификатор не влияет на скорость пленкообразования.          

На следующем этапе  работы определялись эксплуатационные характеристики полученных пленок: предельные деформационно – прочностные, паропроницаемость, изменение массы образца при контакте с водой[2].         

Введение модифицирующей добавки приводит к незначительному  уменьшению предела прочности у  исследуемых материалов (5,0±0,5МПа) по сравнению с контролем (6,0±0,5МПа), а также способствует уменьшению относительного удлинения модифицированных материалов (400±10%) по сравнению с  контролем (450±10%).         

Изучение паропроницаемости полученных материалов показало, что введение добавки не оказывает влияния на этот показатель, для всех плёнок значение паропроницаемости равно 110±0,15 г/м² за 24 ч.         

Изучение изменения массы  образцов при контакте с водой (набухание) дает возможность сравнить структурные  изменения в системе до и после  модификации. На основании проведенных  испытаний и сравнении динамики изменения массы образцов при  контакте с водой модифицированных пленок с контролем, показали что  добавка в исследуемых количествах  не вызывает изменения структуры.         

Модификатор не изменяет эксплуатационных характеристик материала. Возможность  использования полимерного материала  в контакте с пищевыми продуктами определяется токсичностью мигрирующих  в продукт веществ. Вследствие чего проводили биологическую оценку на инфузориях Tetrahymenapyriformis, так как данный тест – организм, как и человек – эукариотические организмы, поэтому их реакция на токсиканты может быть сопоставлена с реакцией человека. В связи с тем, что токсичность развивается во времени, проводили исследования по трем видам токсичности: острую, подострую, хроническую. В ходе испытаний были получены композиции с содержанием добавки, не оказывающие пагубного действия на инфузорий[18].

Способы получения  полимерных нанокомпозитов на основе алюмосиликатов

Различными группами авторов разработаны  методы получения нанокомпозитов на основе органоглин:

- в процессе синтеза полимера 

- в расплаве;

- в растворе;

- золь-гель процесс.

Для получения полимерных нанокомпозитов на основе органоглин наиболее широко используются методы получения в расплаве и в процессе синтеза полимера[15].

Получение полимерного нанокомпозита в процессе синтеза самого полимера (in situ) заключается в интеркалировании мономера в слои глины. Мономер мигрирует сквозь галереи органоглины и полимеризация происходит внутри слоев (рис. 13.).

Рис. 13. Получение полимерного нанокомпозита в процессе синтеза самого полимера (in situ) (а) - микрокомпозит, (Ь) - эксфолированный (расшелушенный) нанокомпозит, (с) - интеркалированный нанокомпозит [14]

Реакция полимеризации может быть инициирована нагреванием, излучением или соответствующим инициатором. Очевидно, что при использова-нии этого метода должны получаться наиболее удовлетворительные результаты по степени распределения частиц глины в полимерной матрице. Это может быть связано с тем, что раздвижение слоев глины происходит уже в процессе внедрения мономера в межслойное пространство. Это означает, что силой, способствующей расслоению глины, является рост полимерной цепи, в то время как при получении полимерных нанокомпозитов в растворе или расплаве основным фактором достижения необходимой степени распределения глины является лишь удовлетворительное перемешивание. Желательно проводить процесс синтеза нанокомпозита в вакууме или токе инертного газа. Помимо этого, для удовлетворительного диспергирования органоглины в полимерной матрице необходимы большие скорости перемешивания.

Метод получения полимерных нанокомпозитов в расплаве (экструзионный) состоит в смешении расплавленного полимера с органоглиной. В ходе интеркаляции полимерные цепи в существенной степени теряют кон-формационную энтропию. Вероятной движущей силой для этого процесса является важный вклад энтальпии взаимодействия полимер-органоглина при смешении. Стоит добавить, что полимерные нанокомпозиты на основе органоглин успешно получают экструзией [22]. Преимуществом экструзи-онного метода является отсутствие каких-либо растворителей, что исключает наличие вредных стоков, скорость процесса значительно выше, технологическое оформление производства - более простое. То есть для получения полимерных нанокомпозитов в промышленных масштабах экструзионный метод является наиболее предпочтительным, требующим меньших затрат на сырьё и обслуживание технологической схемы[19].

При получении полимер-силикатного нанокомпозитов в растворе органосиликат набухает в полярном растворителе, таком как толуол или М-диметилформамид. Далее к нему добавляется раствор полимера, который проникает в межслоевое пространство силиката. После этого проводится удаление растворителя путем испарения в вакууме. Основное преимущество этого метода заключается в том, что "полимер-слоистый силикат" может получаться на основе полимера с низкой полярностью или неполярного материала. Тем не менее, этот метод не находит широкого использования в промышленности по причине большого расхода растворителя [20].