Полимерные материалы пригодные для контакта с продуктами

Как Гулливер среди лилипутов так и молекулы высокомолекулярных соединений выделяются своей большой массой среди молекул низкомолекулярных веществ. Одним из наиболее важных высокомолекулярных соединений стал класс полимеров. По сравнению с обычными веществами, такими, как, например, вода (молекулярная масса 18), бензол (молекулярная масса 78), мел (молекулярная масса 100), значения молекулярных масс полимеров колеблются в диапазоне от десятков тысяч до миллионов.

Полимеры характеризуются также тем, что их гигантские молекулы построены из последовательно связанных химическими силами групп атомов, образующих длинную цепь, содержащую иногда сотни тысяч повторяющихся структурных единиц: элементов, звеньев. Слово «полимер» означает «много частей» и происходит от греческих polus — много и meros — части. Примером полимера, состоящего из атомов, связанных химическими силами в единую цепь, является пластическая сера. Она получается, как известно, при выливании расплава серы в холодную воду. Структуру полимерной серы представляют в виде цепи атомов, связанных друг с другом химическими связями:—S—S—S—S-. В этом состоянии свойства серы отличаются от свойств обычной кристаллической серы. Они напоминают более каучукоподобные, а не твердые тела. Для большинства полимеров повторяющимися элементами структуры являются обычно небольшие группы атомов. Один из наиболее простых (с точки зрения химического строения) и широко распространенных полимеров- полиэтилен. Полиэтилен получают присоединением друг к другу молекул этилена. С помощью соответствующих катализатора и условий происходит раскрытие двойных связей и образование цепочки. Исходная молекула, из которой образуется полимер, называется мономер. Слово «мономер» происходит от греческого monos — единичный. Число мономерных единиц, образующих цепную молекулу полимера, называют степенью полимеризации. Близкое к полиэтилену строение имеет другой распространенный полимер — полипропилен, который получается в результате присоединения друг к другу молекул пропилена. Полиэтилен, так же, как и поливинилхлорид, получаемый полимеризацией винилхлорида, относится к многотоннажным продуктам,, производимым в больших количествах. К многотоннажным полимерам относятся синтетические каучуки (полиизопреновый, бутадиеновый и др); полистирол, гидрат и эфиры целлюлозы, а также полимеры, которые используются в контакте с продуктами питания. Среди полимерных материалов, пригодных для контакта с продуктами питания, особое значение приобретают линейные полиэфиры, звенья которых содержат ароматические и алифатические группы, например полиэтилентерефталат или полиэтиленгликольтерефталат. Это кристаллизующийся полимер. Скорость его кристаллизации максимальна при 180—190°С. Ниже 97°С он не кристаллизуется. Кристаллиты полиэтилентерефталата плавятся при 256°С. Если расплав быстро охладить, то он не успевает закристаллизоваться и будет находиться в застеклованном состоянии. Температура, при которой он начинает переходить из застеклованного в высокоэластическое состояние, равна 81°С. Если же полимер успевает частично закристаллизоваться (при более медленном охлаждении), то его температура стеклования возрастает. Так, например, при степени кристалличности 65% температура стеклования возрастает до 120°С. Пленки из ориентированного полиэтиленгликольтерефталата в 5—6 раз прочнее ориентированных пленок из полиэтилена, обладают меньшей паро- и водопроницаемостью и большей кислородо- и светостойкостью. Разрушающее напряжение такой пленки составляет 175 МПа, относительное удлинение — 50—70%, морозостойкость— 160°С, водопоглощение — 0,5%, температура плавления — 250°С, температура полной потери прочности—248°С. Если основная цепь макромолекулы содержит амид ные группы, то полимер относится к классу полимерных соединений под общим названием полиамиды. Пленки из полиамидов в комбинации с пленками из других материалов находят в последнее время применение для упаковки мясных изделий. Полимерные материалы, применяемые в непосредственном контакте с продуктами питания, наряду с необходимыми эксплуатационными свойствами, такими, как химическая стойкость, определенный уровень физико-химических, физико-механических и технологических свойств, должны также соответствовать высоким гигиеническим требованиям. Поэтому в соответствии с законодательством РФ полимерные материалы могут быть использованы в контакте с данным видом пищевой продукции только после соответствующего разрешения органов санитарно-эпидемиологической службы Министерства здравоохранения. Изделия из полимеров подвергаются тщательному органолептическому, санитарно-химическому и токсикологическому исследованию. Следует подчеркнуть, что полимеры получают не только химическими способами. Они широко распространены в природе в виде целлюлозы, крахмала, натурального каучука, шелка и различных смол. Можно не только воспроизвести химическими способами многие виды натуральных полимеров и создать так называемые синтетические полимеры (например, синтетический каучук), но и создать новые полимерные вещества. Химическими методами можно также видоизменять химическую природу природного полимера, например целлюлозы, придав ему необходимый комплекс свойств. Как правило, натуральные, синтетические и видоизмененные химическими способами натуральные полимеры используются не в чистом виде, а в различных сочетаниях как между собой, так и с различными веществами, которые вводятся в полимерную композицию для придания ей необходимых свойств. К настоящему времени сложилась достаточно четко прослеживаемая тенденция не расширять круг крупнотоннажных полимеров, используемых в качестве основы для производства и переработки пластических масс, а искать рациональные пути использования традиционных полимеров. Эти поиски оказываются наиболее результативными при физико-химической, химической, физической модификации полимеров или при комбинировании различных полимеров и других материалов в конструкциях, в которых оптимально сочетаются свойства компонента в заданный конечный комплекс свойств материала или изделия. Наиболее простым вариантом является смесь двух или нескольких полимеров, дающая нужное сочетание эксплуатационных свойств. Резюмируя изложенное выше, следует сформулировать основные положения выбора марки полимера для изготовления определенного изделия. При выборе полимера следует исходить из назначения изделия и условий его эксплуатации. При этом исходят из значения тех характеристик, которые определяют работоспособность изделия, например значения разрушающего напряжения при температуре стерилизации или прочности адгезионного шва при термосваривании и т. п. Эти характеристики должны быть соотнесены с теми условиями, в которых будет эксплуатироваться изделие, например, значение прочности должно сохраняться не ниже заданного уровня при всех условиях эксплуатации. Успешное решение задачи изготовления изделия из полимеров возможно лишь при учете характерных для пластмасс свойств в зависимости от условий эксплуатации и методов переработки. При выборе полимеров необходимо стремиться к наиболее полному использованию их ресурсов так, чтобы изделие не только удовлетворяло своему назначению, но и чтобы его изготовление из выбранной пластмассы было бы более экономически целесообразно, чем изготовление из другого материала. Выбранный полимер и другие ингредиенты композиции должны отвечать сформулированным выше санитарно-гигиеническим требованиям. В состав большинства полимерных композиций, из которых получают пластические массы, кроме полимерного связующего, могут входить отвердители, пластификаторы, наполнители, красители, порообразователи, смазывающие вещества и другие компоненты. Каждый из компонентов полимерной композиции выполняет свою специфическую функцию. Пластификаторы обычно вводят в термопластмассы с целью увеличения пластичности композиции и получаемой из нее пластмассы. Такое изменение свойств (физическая модификация) способствует облегчению переработки пластмасс в изделия, увеличивает морозостойкость, уменьшает значение модуля эластичности. Введение в композицию пластификаторов облегчает смешение полимера с другими ингредиентами, снижает температуру переработки пластических масс в изделия. В некоторых случаях пластификаторы, помимо упомянутых выше функций, придают также пластмассам еще такие свойства, как, например, негорючесть, увеличивают их термо-и светостойкость. Пластификаторами могут служить как низкомолекулярные, так и высокомолекулярные соединения. К ним предъявляются следующие требования: 1) способность совмещаться с полимерами с образованием эксплуатационно устойчивой системы; 2) характеризоваться малой летучестью; 3) быть бесцветными; 4) не обладать запахом; 5) сохранять пластифицирующее действие при самых низких температурах эксплуатации; 6) обладать химической стойкостью не меньшей, чем у полимерных компонентов. В ряде случаев выдвигаются также дополнительные требования, такие, как практическое отсутствие экстрагируемости из полимера жидкими средами, маслами, растворителями, моющими средствами, пищевыми продуктами. К числу важнейших пластификаторов относятся эфиры ароматических и алифатических карбоновых кислот, фосфорной кислоты, эпоксидированные соединения, полиэфиры, эфиры гликолей и монокарбоновых кислот. Наполнителями пластмасс называют твердые и газообразные вещества, при введении которых пластмассы становятся прочнее, менее легко деформируются и менее подвергаются усадке или приобретают другие полезные при эксплуатиции свойства, такие, как негорючесть, большой коэффициент трения, электропроводность и т. п. В ряде случаев наполнители не улучшают эксплуатационных свойств но, являясь более дешевой и более доступной частью пластмасс, снижают их стоимость. Наполнители, существенно улучшающие эксплуатационные свойства пластмасс, обычно называют активными. Содержание наполнителя в пластмассах может изменяться в .широких пределах и в расчете на массу полимера обычно составляет 45—50%. Однако существуют высоконаполненные пластмассы, в которых содержание наполнителя может в несколько раз превышать содержание полимера. Несомненно, интересными являются проводящиеся в настоящее время работы в области получения высоконаполненных термопластов непосредственно в процессе синтеза; идея заключается в том; что катализатор, нанесенный на носитель, играет в полимерной композиции роль наполнителя. Таким образом, наполненная композиция получается непосредственно в реакторе, что не только упрощает, облегчает и делает менее энергоемким процесс смешения, но и способствует более прочной связи между ними. Такие материалы получили название норпластов. Наиболее распространенными являются твердые наполнители, которые делятся на порошкообразные и волокнистые. В некоторых случаях такие наполнители, как, например, графит, стекло, различные металлы и т. п., применяются как в виде порошков, так и в виде волокон. Активные волокнистые наполнители называются армирующими. В качестве общих требований, предъявляемых к наполнителям, следует в первую, очередь иметь в виду следующее: 1) способность смешиваться с полимером с образованием заданной степени однородности; 2) способность смачиваться расплавом или раствором полимера; 3) стабильность свойств в процессах хранения наполнителя, переработки и эксплуатации пластмассы. При использовании порошкообразных наполнителей технологу необходимо решить ряд задач, таких, как: определение оптимального размера частиц, определение концентрации наполнителя и желательной структуры системы полимер — наполнитель (или чаще полимерная композиция — наполнитель). В последнем случае желательно определить, какой тип структур (более или менее равномерное распределение частиц в объеме полимерной композиции, или же образование цепочечных структур, состоящих из частиц наполнителей, или же, например, формирование из цепочечных структур трехмерной сетки и т. п.) наиболее целесообразен для достижения заданного комплекса свойств. Из изложенного выше следует, что полимерные материалы используют при переработке в изделия не в виде индивидуальных веществ, а в виде полимерной композиции, смеси различных полимерных ингредиентов, которой придают нужную форму изделия, а затем фиксируют эту форму различными технологическими приемами. Большое разнообразие видов полимеров и полимерных композиций позволяет подбирать такие, сочетания свойств которых соответствует условиям эксплуатации изделия. Особенно специфичны условия эксплуатации полимерных материалов, используемых для.упаковывания продуктов питания. Упаковка сводится не только к тому, чтобы обеспечить возможность расфасовки и траспортировки продуктов, но и к защите их от воздействия окружающей среды, болезнетворных бактерий, сохранению питательной ценности продукта, увеличению срока его годности и многого другого. Таким образом, полимерная упаковка ведет себя активно по отношению к продукту питания. Однако такая активность может быть не только благотворной, но и вредной. Это связано с тем, что, как было показано выше, полимерный материал представляет собой сложную композицию, в состав которой, кроме полимера, т. е. высокомолекулярного соединения, входит большое количество низкомолекулярных химических соединений. Как правило, добавки и низкомолекулярные примеси химически не связаны с полимером. Последнее приводит к тому, что при определенных условиях эти вещества могут переходить (мигрировать или диффундировать) в контактирующую среду: воздух, воду, продукты питания. Вот это и создает потенциальную опасность для человека при использовании полимерных материалов в качестве упаковки продуктов питания, так как мигрирующие вещества могут быть токсичными веществами, оказывающими на организм человека неблагоприятные воздействия. И что особенно важно, попадая в организм человека в малых концентрациях, но действуя продолжительное время, они могут не вызывать быстрых и острых заболеваний, но действуют медленно, подчас не проявляясь годами. Поэтому предупреждение подобных патологических явлений становится важнейшей гигиенической и социальной проблемой. К решению указанной проблемы привлекаются и врачи, и химики, и технологи. В настоящее время врачи прослушивают курс лекций по полимерам, а технологи изучают возможные последствия неправильного применения полимерных материалов и способы создания практически безвредных полимерных изделий. Опасность вредного воздействия полимерных изделий определяется обычно токсичностью низкомолекулярных веществ, входящих в их состав, а не самим полимером, практически не растворимым в воде и других пищевых средах. Поэтому два критерия определяют вредность полимерного материала: токсичность низкомолекулярных веществ, входящих в состав полимера или образующихся в нем, и количество этих веществ, перешедших в контактирующую среду. Заключение о токсичности, т. е. степени вредности для человека, химических веществ выдается после проведения токсикологических исследований, а изучение химического состава, количества и характера миграции отдельных веществ из полимерных материалов осуществляется в ходе санитарно-химических исследований. В связи с важностью указанной проблемы в настоящее время к полимерным материалам, предназначенным для контакта с продуктами питания, помимо определенного комплекса физико-химических и физико-механических, предъявляются и гигиенические требования: 1) в рецептуру полимерного материала не должны входить вещества, обладающие токсичностью; 2) изделия из полимерного материала при контакте с пищевыми продуктами не должны изменять органолептических (т. е. вкуса и запаха) свойств их, а также выделять низкомолекулярные химические вещества в количествах, превышающих допустимые уровни, т. е. в количествах, которые могут оказывать вредное влияние на человека при поступлении в организм с пищей; 3) при воздействии пищевых сред внешний вид изделий не должен изменяться. В некоторых случаях необходимы еще физико-гигиенические, физиолого-гигиенические и микробиологические исследования.

Comments are closed.