Science News Νέες συσκευασίες Φυσικές ιδιότητες των νανοσυνθέσεων και συσκευασία

Φυσικές ιδιότητες των νανοσυνθέσεων και συσκευασία
PDFΕκτύπωσηE-mail

Προσοχή: ανοίγει σε νέο παράθυρο. PDFΕκτύπωσηE-mail

Φυσικές ιδιότητες των νανοσυνθέσεων και συσκευασία

Φυσικές ιδιότητες των νανοσυνθέσεων

Οι νανο-συνθέσεις ως φραγμοί αερίων
Ένα σημαντικό θέμα που απασχολεί τους επιστήμονες που ασχολούνται με τη συσκευασία τροφίμων είναι τα φυσικά φαινόμενα της περατότητας και της μετανάστευσης (migration). Είναι γενικά αποδεκτό ότι κανένα υλικό συσκευασίας δεν είναι απόλυτα αδιαπέρατο από τα ατμοσφαιρικά αέρια, τους υδρατμούς και τις ουσίες που περιέχει το περιεχόμενο τρόφιμο ή τα ίδια τα υλικά συσκευασίας. Οι επιθυμητές κάθε φορά ιδιότητες του υλικού συσκευασίας είναι συνάρτηση των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών του τροφίμου που θα συσκευαστεί και μπορεί να ποικίλουν μέσα σε πολύ ευρεία όρια. Για παράδειγμα σε συσκευασίες φρέσκων φρούτων και λαχανικών τα υλικά που αποτελούν ισχυρούς φραγμούς για το οξυγόνο είναι ανεπιθύμητα μια και ο χρόνος ζωής του τροφίμου εξαρτάται από τη συνεχή παροχή του απαραίτητου οξυγόνου για την κυτταρική αναπνοή. Στον αντίποδα βρίσκονται οι συσκευασίες των ανθρακούχων ποτών και αναψυκτικών. Οι τελευταίες, πρέπει να χαρακτηρίζονται από πολύ μικρές τιμές περατότητας οξυγόνου και διοξειδίου του άνθρακα.
Τα πιο διαδεδομένα υλικά συσκευασίας είναι το μέταλλο, το γυαλί, το χαρτί και το πλαστικό. Το πλαστικό συνεχώς κερδίζει έδαφος σε σχέση με τα άλλα τρία πιο παραδοσιακά υλικά συσκευασίας γιατί συνεχώς εξελίσσεται και κατασκευάζονται νέα πολυμερή με βελτιωμένες ιδιότητες (μικρότερο βάρος, χαμηλότερο κόστος, εύκολα επεξεργάσιμα και εύκολα διαμορφώσιμα, ανακυκλώσιμα). Το σημαντικότερο μειονέκτημά τους όμως είναι ότι δεν αποτελούν καλούς φραγμούς για τα αέρια. Υπάρχουν υλικά που σαφώς είναι καλύτερα από άλλα ως προς την περατότητά τους από ένα αέριο (πχ οξυγόνο) αλλά αυτά θα έχουν μεγάλη περατότητα σε κάποιο άλλο (πχ υδρατμούς) ή οι ιδιότητές τους θα εμφανίζουν μεταβλητότητα ανάλογα με τις συνθήκες του περιβάλλοντος (υγρασία). Επίσης, τα βιοδιασπώμενα πλαστικά, που συμβαδίζουν με τους οικολογικούς στόχους της εποχής μας, δεν αποτελούν καλούς φραγμούς των αερίων.
Μια ιδέα που έφερε επανάσταση στον τομέα της συσκευασίας ήταν τα πολυστρωματικά υλικά. Το σενάριο προβλέπει την κατασκευή ενός υλικού από ενωμένα διαφορετικά φιλμ πλαστικών με διαφορετικές ιδιότητες ώστε το τελικό προϊόν να έχει συνδυασμένα τα πλεονεκτήματα όλων των υλικών από τα οποία αποτελείται. Για παράδειγμα, ένα φιλμ από πλαστικό με πολύ μικρή τιμή περατότητας οξυγόνου αλλά ευαίσθητο στην υγρασία και με μεγάλη περατότητα υδρατμών (EVOH) μπορεί να πακεταριστεί ανάμεσα σε δύο φιλμ από υδρόφοβο πλαστικό με μεγάλη όμως περατότητα οξυγόνου (πολυαιθυλένιο). Το πολυστρωματικό αυτό φιλμ θα είναι αδιαπέρατο από νερό και οξυγόνο κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες. Τα μειονεκτήματα των πολυστρωματικών συσκευασιών εντοπίζονται στα υψηλά κόστη πρώτων υλών και επεξεργασίας, στο μεγαλύτερο όγκο και βάρος τους, στην απαίτηση χρήσης συγκολλητικών ουσιών και στη δυσκολία που παρουσιάζουν κατά την ανακύκλωση. Η έρευνα λοιπόν στρέφεται στη δημιουργία μονοστρωματικών υλικών συσκευασίας που θα έχουν πολύ χαμηλή περατότητα στα αέρια και ταυτόχρονα θα έχουν το ελάχιστο δυνατό πάχος και όγκο και θα είναι πιο οικονομικά.
Λύση στα παραπάνω προβλήματα έρχονται να δώσουν τα νανοπολυμερή υλικά συσκευασίας. Τα νανοπολυμερή υλικά συσκευασίας δημιουργούνται με την ενσωμάτωση νάνο-υλικών σε μια «μήτρα» πλαστικού πολυμερούς. Πιο αναλυτικά, η διαδικασία αυτή περιλαμβάνει τρία διακριτά στάδια:
i.    Αρχικά, γίνεται προσθήκη στο νανοπολυμερές κατιονικών επιφανειοδραστικών αντιδραστηρίων και ενυδάτωσή του, με αποτέλεσμα τη μετατροπή του σε υδροφοβικό
ii.    Ακολουθεί η Προσθήκη της μονομερούς πλαστικής ύλης
iii.    Τέλος, το υλικό θερμαίνεται με σκοπό την τήξη και τον πολυμερισμό του.
Τα νάνο-υλικά πλήρωσης μπορεί να περιλαμβάνουν πηλό, άλατα ή εστέρες του πυριτικού οξέος, διοξείδιο του πυριτίου, γραφένιο ή άλλα ανόργανα υλικά, πάντα σε διαστάσεις νάνο-, νανοσωλήνες άνθρακα, νανοκρυστάλλους αμύλου, κυτταρινούχες νανοΐνες ή νανοσωματίδια χιτίνης ή χιτοζάνης. Τα νανοπολυμερή αυτά, εμφανίζουν ιδιότητες που τα καθιστούν ένα εξαιρετικά χρήσιμο εργαλείο και για τη βιομηχανία των τροφίμων.
Η πιο έκδηλη ιδιότητα των νανοπολυμερών υλικών συσκευασίας είναι ότι αποτελούν πάρα πολύ ισχυρούς φραγμούς για τα διάφορα αέρια με τιμές περατότητας τάξεις μεγέθους μικρότερες από τις αντίστοιχες των πλαστικών πολυμερών.
Η περατότητα ενός υλικού συσκευασίας προσδιορίζεται από το ρυθμό προσρόφησης των μορίων του αερίου στο σημείο επαφής του υλικού με την ατμόσφαιρα και το ρυθμό διάχυσης των μορίων του αερίου μέσα από το υλικό αυτό. Η περατότητα ενός υλικού εξαρτάται κυρίως από τον κενό χώρο και το μέγεθος των τρυπών που υπάρχουν μεταξύ των αλυσίδων του πολυμερούς καθώς και από αλληλεπιδράσεις μεταξύ των αλυσίδων του πολυμερούς ή μεταξύ του πολυμερούς και του αερίου.
Η ενσωμάτωση των νανοσωματιδίων σε ένα πολυμερές επιδρά στην περατότητά του με δύο τρόπους, οι οποίοι μπορεί να δρουν και οι δύο μαζί ή μόνο ο ένας από αυτούς:
•    Ο πρώτος τρόπος, που είναι συνήθως και ο κύριος μηχανισμός που εξηγεί τις ιδιότητες των νανοπολυμερών ως προς την περατότητα, είναι μέσω της δημιουργίας μιας δαιδαλώδους διαδρομής την οποία θα πρέπει να διανύσουν τα μόρια του αέρα ώστε να περάσουν διαμέσου του φιλμ του νανοπολυμερούς. Τα υλικά πλήρωσης είναι πρακτικά μη περατοί ανόργανοι κρύσταλλοι κι έτσι τα μόρια του αερίου πρέπει να ακολουθήσουν μια πορεία γύρω από αυτά και όχι να διαχυθούν ευθύγραμμα μέσα από αυτά με αποτέλεσμα να ακολουθούν μια πολύ δαιδαλώδη και σημαντικά μακρύτερη διαδρομή μέχρι να διαπεράσουν το φιλμ. Τελικά, το αποτέλεσμα είναι το μήκος της διαδρομής που διανύουν τα μόρια του αερίου να είναι αντίστοιχο μιας ευθύγραμμης διαδρομής μέσα από ένα πλαστικό πολυμερές πολύ μεγαλύτερου όμως πάχους (Εικόνα 1).
•    Ο δεύτερος τρόπος μέσω του οποίου έχει βρεθεί ότι τα νανοσωματίδια που χρησιμοποιούνται ως υλικά πλήρωσης μεταβάλλουν την περατότητα του φιλμ μπορεί να περιγραφεί ως εξής: έχει βρεθεί ότι με την ενσωμάτωση των νανοσωματιδίων μπορεί να προκληθούν αλλαγές και στο αρχικό πολυμερές. Η δομή του πολυμερούς μπορεί να αλλάξει στα σημεία επαφής και αν οι αλλαγές αυτές είναι ευνοϊκές, τότε οι αλυσίδες του πολυμερούς έρχονται πιο κοντά η μία στην άλλη με αποτέλεσμα τα νανοπολυμερή να ακινητοποιούνται μερικώς. Τελικά, τα μόρια του αερίου αναγκάζονται να περάσουν μέσα απ’ αυτούς τους μικρούς και περιορισμένους χώρους και δυσχεραίνεται η κυκλοφορία τους με συνέπεια τη μικρότερη περατότητα.

nano31

Εικόνα 1
Σχηματική απεικόνιση της θεωρίας της δαιδαλώλους διαδρομής. Σ’ ένα φιλμ που αποτελείται μόνο από πολυμερή (a) τα μόρια του διαχεόμενου αερίου ακολουθούν μια διαδρομή κάθετη ως προς τη διάταξη του φιλμ και διέρχονται μέσα από αυτό και το διαπερνούν. Στην περίπτωση όμως που στο φιλμ των πολυμερών έχουν ενσωματωθεί νανο-σωματίδια, τότε τα μόρια του αερίου αναγκάζονται να διανύσουν μια δαιδαλώδη διαδρομή γύρω από τα νανο-σωματίδια και μέσα από τα διαφορετικά επίπεδα αυτών μέχρι να διαπεράσουν τη νανο-σύνθεση με αποτέλεσμα η συνολική διανυόμενη απόσταση να είναι πολύ μεγαλύτερη και άρα ο ρυθμός εισόδου/εξόδου του αερίου προς/από τη συσκευασία να μειώνεται σημαντικά. Το γεγονός αυτό είναι ικανό να συμβάλλει στην παράταση του χρόνου ζωής του τροφίμου.

Ιδιαίτερα η περατότητα μιας συσκευασίας σε οξυγόνο, είναι θέμα μείζονος σημασίας γιατί το οξυγόνο είναι υπεύθυνο για την εκδήλωση άμεσων ή έμμεσων μορφών αλλοίωσης σε πολλά τρόφιμα. Η άμεση αλλοίωση, συνίσταται στις αντιδράσεις οξείδωσης και αμαύρωσης φρέσκων φρούτων και λαχανικών και  στο φαινόμενο της τάγγισης των λαδιών. Η αλλοίωση με έμμεσο τρόπο είναι αυτή που προκαλείται από αερόβιους μικροοργανισμούς. Οι συσκευασίες από νανο-υλικά είναι ικανές να αποτελέσουν εξαιρετικά καλούς φραγμούς που αποτρέπουν ή περιορίζουν στο ελάχιστο την είσοδο του οξυγόνου στη συσκευασία. Ως παραδείγματα ικανά να δώσουν μια πιο σαφή εικόνα σχετικά με την περατότητα των νανο-υλικών συσκευασίας, δίνονται μερικά πειραματικά αποτελέσματα που είναι χαρακτηριστικά των ιδιοτήτων των διαφόρων νανο-συνθέσεων. Αρχικά, ένα διάγραμμα που καθιστά προφανή την υπεροχή των νανο-υλικών σε σύγκριση με τα πολυμερή όσον αφορά τις ιδιότητές τους ως φραγμοί αερίων και κυρίως οξυγόνου (Διάγραμμα 1).

nano41

Διάγραμμα 1
Συγκριτική παρουσίαση των τιμών της περατότητας οξυγόνου μεταξύ γνωστών πολυμερών που χρησιμοποιούνται στη συσκευασία των τροφίμων και αντίστοιχων νανο-πολυμερών (Silvestre et al. 2011)

Θερμικές και μηχανικές ιδιότητες των νανο-υλικών
Εκτός των άλλων ιδιοτήτων του, το συγκεκριμένο φιλμ, είναι ενδεχομένως ανθεκτικό στα μικροκύματα κι έχει διαφάνεια που φτάνει το 90%. Συνοψίζοντας όλες τις προαναφερθείσες ιδιότητες του φιλμ, θα μπορούσε αυτό να αποτελέσει ικανό αντικαταστάτη του αλουμινόχαρτου σε εφαρμογές που σχετίζονται με τη συσκευασία των τροφίμων.
Επιπροσθέτως, τα νανοπολυμερή, ως υλικά συσκευασίας έχουν να επιδείξουν βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες, όπως μεγαλύτερη αντοχή στη δύναμη (Πίνακας 1). Αναφέρεται στη βιβλιογραφία ότι μονοστρωματικά φιλμ από νανοσωλήνες άνθρακα πάχους ενός ατόμου ή μερικοί ομόκεντροι νανοσωλήνες έχουν τιμές δείκτη ελαστικότητας 1TPa και τάσης εφελκυσμού 200GPa (C. Silvestre et al. 2011).
Αξιοσημείωτη είναι η αντοχή των νανοπολυμερών στη φλόγα και γενικά οι καλές θερμικές τους ιδιότητες (σημείο τήξης, θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης, κα) σε σύγκριση με τα πλαστικά πολυμερή. Η αυξημένη θερμική σταθερότητά τους οφείλεται στο γεγονός ότι η διάχυση των πτητικών προϊόντων αποσύνθεσης πραγματοποιείται πολύ αργά μέσα από τα νανοσωματίδια.

nano51

Πίνακας 1
Συγκριτική παρουσίαση των ιδιοτήτων των νανο-υλικών συσκευασίας και των γνωστών πολυμερών (Silvestre et al. 2011).

Τα πλεονεκτήματα όμως των νανοπολυμερών δε σταματούν εδώ, αφού ενώ έχουν τις ίδιες ή και καλύτερες ιδιότητες με τα πλαστικά πολυμερή, έχουν πολύ μικρότερο πάχος άρα και λιγότερο βάρος. Συνεπώς μειώνεται η ποσότητα των πρώτων υλών που χρησιμοποιούνται, άρα και το κόστος τους. Κέρδος προκύπτει και από τη διευκόλυνση της μεταφοράς και της αποθήκευσης και την ανάγκη για διαχείριση μικρότερου, τελικά, όγκου απορριμμάτων. Επιπλέον, συχνά δεν είναι απαραίτητο τα νανοπολυμερή υλικά συσκευασίας να υποβληθούν σε δαπανηρές δευτερογενείς μεθόδους επεξεργασίας (δημιουργία πολυστρωματικών υλικών) αφού ήδη έχουν ικανοποιητικά χαρακτηριστικά (φραγμοί αερίων, σκληρότητα επιφάνειας, κα).
Τέλος, αν τα νανοσωματίδια έχουν ενσωματωθεί σε βιοαποικοδομήσιμο πλαστικό πολυμερές, τότε το νανοπολυμερές που προκύπτει είναι επίσης βιοαποικοδομήσιμο και μάλιστα με πολύ ταχύτερο ρυθμό. Αυτό ακόμη ενισχύεται από το γεγονός ότι τα νανοπολυμερή υλικά συσκευασίας είναι μονοστρωματικά οπότε η διαδικασία ανακύκλωσής τους διευκολύνεται ακόμη περισσότερο.

Καράμπαλης Δημήτρης - Τσαφάρας Ηλίας
Γεωπόνοι Επιστήμης & Τεχνολογίας Τροφίμων

Share

Εγγραφή στα Newsletters του Foodbites

Εγγραφτείτε στα newsletters του Foodbites και λάβετε όλες τις εξελίξεις στο χώρο της διατροφής εύκολα και γρήγορα, στο inbox σας!

Επιλέξτε το Newsletter που σας ενδιαφέρει
Foodbites Magazine
Νέα της αγοράς των τροφίμων και διατροφικές τάσεις . Εξελίξεις, νέα προϊόντα και ιστορίες τροφίμων
Foodbites Science Briefs
Εξελίξεις και καινοτομία στο χώρο της επιστήμης & τεχνολογίας τροφίμων και διατροφής. Ασφάλεια & ποιότητα τροφίμων. Νομοθεσία τροφίμων.