Повышение оптических защитных свойств многослойных упаковочных материалов средствами полиграфии

Актуальность. В настоящее время в России продолжает формироваться индустрия производства упаковки. Одной из основных составляющих этой индустрии является полиграфическое производство упаковки.

Полиграфические предприятия, специализирующиеся на изготовлении тары, упаковок и этикеток, в процессе переработки упаковочных материалов должны предусматривать необходимые средства для защиты пищевых, промышленных и сельскохозяйственных товаров от механических, климатических, биологических и др. воздействий, а также от хищений при транспортировке и хранении. При этом тип упаковываемого продукта, его состав и свойства диктуют требования к упаковке, технологии ее изготовления и средствам защиты.

Как известно, упакованные продукты находятся в поле электромагнитного излучения прямой и рассеянной солнечной радиации, излучения генераторов теплового и искусственного светового освещения, а также теплового излучения окружающих тел. Для защиты продуктов (пищевых, химических, фармацевтических и др.) от разрушительного воздействия электромагнитного излучения, упаковка должна иметь высокие оптические защитные характеристики, чтобы препятствовать влиянию излучения на упакованный в нее продукт. Указанные защитные свойства могут быть получены путем подбора материалов с определенной комбинацией слоев, а также нанесением красочных покрытий на машинах флексографской, офсетной или глубокой печати.

Для объективной оценки защитных свойств существуют теоретические и экспериментальные методы определения оптических характеристик однослойных материалов. Установлено, что величины спектральных оптических характеристик однослойных светорассеивающих материалов при диффузном и направленном облучении могут отличаться па 20−40%.

Что же касается многослойных материалов, используемых в современном производстве упаковки, то подобных исследований не проводилось. Исходя из анализа литературных источников, отсутствуют данные по спектральным оптическим характеристикам многослойных полиграфических и упаковочных материалов.

Таким образом, разработка и создание новых многослойных полиграфических и упаковочных материалов с заданными защитными оптическими свойствами с применением полиграфических технологий является весьма актуальной задачей в настоящее время.

Работа выполнена в соответствии с заданиями Федерального агентства по образованию на проведение научных исследований МГУП по темам: «Разработка методов определения оптических защитных характеристик упаковочных материалов» (2003;2004 гг.) и «Разработка теоретических основ электромагнитного облучения материалов в технологических процессах полиграфического и упаковочного производства» (2005;2006 гг.).

Целью работы является определение спектральных оптических характеристик многослойных полиграфических и упаковочных материалов в ультрафиолетовой, световой и инфракрасной областях спектра и разработка рекомендаций по созданию многослойных упаковочных материалов с заданными защитными оптическими свойствами путем подбора слоев и нанесения красочных покрытий в полиграфическом и упаковочном производствах.

Научная новизна состоит в реализации усовершенствованной методики одновременного измерения (из одного опыта) оптических характеристик отражательной, пропускателыюй и поглощательной способностей упаковочных материалов с применением приставки к спектрофотометру с интегрирующей сферой, позволяющей проводить прямые измерения поглощательной способности и одновременное измерение суммы отражательной и пропускательной способности свсторассеивающих материалов из одного опыта.

Впервые получены и обобщены данные по оптическим характеристикам однослойной упаковочной сульфитной и целлюлозной бумаг, офсетной полиграфической бумаги, картона тарного, крафт-бумагн, кашировапной полиэтиленовой пленкой, упаковочных полимерных однослойных и многослойных пленок для пищевых продуктов и детского питания.

Впервые получены данные по оптическим характеристикам многослойных упаковочных материалов с защитными оптическими свойствами в ультрафиолетовой и видимой области спектра.

Определены спектральные и интегральные оптические характеристики слоев крафт-бумаги, каптированной полиэтиленовой пленкой, и картона, отдельных материалов и слоев упаковочной и полиграфической бумаги (сульфитная, целлюлозная и офсетная), отдельных слоев и многослойных систем исходных и запечатанных упаковочных полимерных пленок, многослойных систем запечатанных полимерных упаковок, комбинированных многослойных систем слоев упаковочной и полиграфической бумаги.

Проведен анализ распространения потоков и поглощении энергии электромагнитного излучения в реальных многослойных системах упаковочных материалов, селективно поглощающих и рассеивающих излучение, при различных условиях облучения прямой и рассеянной радиацией в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра.

Изучены основные закономерности переноса энергии спектрального и интегрального излучения в отдельных слоях и в многослойных системах запечатанных упаковочных и полиграфических материалов при несимметричных условиях облучения направленным и рассеянным (диффузным) потоками излучения Солнца и технологических ИК генераторов (КГТ-220−1000). Найденные закономерности позволяют рассчитать распределение в отдельном слое и в многослойной системе величин объемной плотности поглощенного потока энергии излучения, пространственной облученности и плотности результирующего потока. Получены расчетные формулы для определения оптических характеристик отдельного слоя материала различной толщины и многослойной системы.

Положения, выносимые на защиту:

• Реализованная усовершенствованная методика оценки оптических характеристик упаковочных и полиграфических материалов, дающая возможность одновременного измерения (из одного опыта) оптических характеристик отражательной, пропускательной и поглощательной способностей упаковочных и полиграфических материалов.

• Основные закономерности переноса энергии спектрального и интегрального излучения в отдельных слоях и в многослойных системах запечатанных материалов при несимметричных условиях облучения направленным и рассеянным (диффузным) потоками излучения Солнца и технологических ИК генераторов, которые позволяют рассчитать распределение величин объемной плотности поглощенного потока энергии излучения, пространственной облученности и плотности результирующего потока.

• Экспериментально-аналитический метод определения оптических характеристик с помощью измеряемых из одного опыта отражательной, пропускательной и поглощательной способностей слоя конечной толщины полиграфических и упаковочных материалов с изменяющимися оптическими свойствами.

• Спектральные и интегральные оптические характеристики слоев и систем многослойных полиграфических и упаковочных материалов, позволяющие рассчитывать защитные оптические характеристики многослойных упаковочных материалов.

• Практические рекомендации, позволяющие полиграфическими способами создавать многослойные системы упаковочных материалов с заданными защитными оптическими свойствами (коэффициент пропускания 2 — 5%) для упаковки различных пищевых продуктов и детского питания.

Практической ценностью является разработка экспериментально-аналитического метода определения оптических характеристик с помощью измеряемых из одного опыта отражательной, пропускательной и поглощательной способностей слоя конечной толщины полиграфических и упаковочных материалов с изменяющимися оптическими свойствами. Экспериментально-аналитическим методом определены спектральные и интегральные оптические характеристики исходных и запечатанных материалов слоев: упаковочной и полиграфической бумаги (сульфитная, целлюлозная и офсетная бумага), крафт-бумаги и картона, упаковочных полимерных пленок.

Разработаны практические рекомендации по созданию многослойных систем упаковочных материалов с заданными защитными оптическими свойствами: многослойные упаковочные материалы из крафт-бумаги, картона, полиэтилена и полипропилена.

Разработаны методические и практические рекомендации для учебного процесса специальности 261 201.65 «Технология и дизайн упаковочного производства» при постановке и проведении лабораторных работ по учебным курсам «Технология производства упаковки», «Тара и ее производство», «Оборудование и оснастка упаковочного производства», «Оборудование для производства рекламно-сувенирной и упаковочной продукции», «Процессы и аппараты упаковочного производства».

Апробация. Основные результаты исследований докладывались на НМС «Проблемы упаковочной промышленности и подготовка кадров» (МГУПБ, 1718.02.2002), на Заочной конференции «Дизайн. Реклама. Полиграфия» (г. Омск, июнь 2004 г.) — на Научно-методической конференции «Опыт вузов УМО в подготовке специалистов по направлениям и специальностям УМО» (МГУПБ, 2931 марта 2005 г.) — на Международном семинаре-практикуме «Упаковка и этикетка: что хочет клиент — что могут типографии» (Москва, 01.12.2004 г., 000 «Исследовательская компания «Abercade Consulting») — на Юбилейной Конференции «МГУП — 75 лет» 2005 г.- на Первой научно-технической конференции молодых ученых (МГУП, 28.03.2006 г.), на Научно-технических Советах МГУП (2004 — 2006 гг.).

Диссертация обсуждена на расширенном заседании кафедры «Технологии послепечатных процессов и упаковочного производства» с участием кафедр: «Материаловедения», «Допечатных процессов», «Печатных процессов», «Управление качеством».

По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 6 статей в ведущем отраслевом научном журнале «Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела».

Общие выводы.

1. Определены спектральные и интегральные оптические характеристики однослойных и многослойных облучаемых материалов при условиях, соответствующих реальным условиям облучения в промышленных установках: направленным, диффузным (рассеянным) и смешанным (диффузным и направленным) потоками излучения в ультрафиолетовой и видимой области спектра (упаковочной бумаги из сульфитной целлюлозы и чисто целлюлозной, офсетной бумаги, картона, крафт-бумаги, каптированной полиэтиленовой пленкой, упаковочных полимерных пленок для пищевых продуктов и детского питания).

2. Реализована усовершенствованная методика определения оптических характеристик отражательной, пропускательной и поглощательной способностей упаковочных материалов, позволяющая одновременное их измерение (из одного опыта). Создана приставка к спектрофотометру с интегрирующей сферой для прямых измерений поглощательной способности и одновременного измерения суммы отражательной и пропускательной способности светорассеивающих материалов из одного опыта.

3. Разработан экспериментально-аналитический метод расчета оптических характеристик с помощью определяемых из одного опыта отражательной, пропускательной и поглощательной способностей слоя конечной толщины материалов с изменяющимися оптическими свойствами, позволяющий определить оптические характеристики материала (коэффициенты поглощения к) и рассеяния сгя), а также двуполусферические характеристики слоя материала Тх (2ж-2ж) и Ях (2ж-2ж). Указанным методом определены спектральные и интегральные оптические характеристики исходных и запечатанных материалов слоев: упаковочной и полиграфической бумаги, крафт-бумаги и картона, упаковочных полимерных пленок.

4. Изучены основные закономерности переноса энергии спектрального и интегрального излучения в отдельных слоях и в многослойных системах запечатанных материалов при несимметричных условиях облучения направленным и рассеянным (диффузным) потоками излучения Солнца и технологических ИК генераторов. Найденные закономерности позволяют рассчитать распределение в отдельном слое и в многослойной системе величин объемной плотности поглощенного потока энергии излучения, пространственной облученности и плотности результирующего потока. Получены расчетные формулы для определения оптических характеристик отдельного слоя материала различной толщины и многослойной системы.

5. Определен уровень защитных характеристик упаковочных материалов для пищевых продуктов и детского питания. Установлено, что максимальные защитные оптические характеристики в области диапазона видимой части спектра имеют: коробочный картон и бумага восьми слоев — 95%, двухслойная полипропиленовая пленка, запечатанная синей краской — 65 -90%.

6. Разработаны рекомендации по выбору упаковочных материалов (пленки, бумаги, картоны) и подбору слоев из этих материалов с учетом их оптических защитных характеристик, обеспечивающих сохранность качества пищевых продуктов и детского питания. Проведена их производственная апробация на предприятии ОАО «ГОСНИИХП».

7. Разработаны технологические решения, обеспечивающие полиграфическими способами защитные свойства упаковки от воздействия излучения:

• целесообразно применять картон хром-эрзац марки М, толщиной 300 — 350 мкм, обладающего высокими оптическими защитными свойствами и обеспечивающего более длительную сохранность макаронных изделий;

• для макаронных изделий с добавлением /?-каротина предлагается применение двухслойной полипропиленовой двухосно-ориентированной пленки, толщиной 45 мкм, запечатанные красной краской;

• для молочных продуктов с различными добавками рекомендуется применять в качестве упаковочного материала двухслойную полипропиленовую двухосно-ориентированную пленку толщиной 45 мкм, запечатанную синей или красной краской;

• для упаковки с цветным изображением предлагается вначале наносить на упаковочный материал защитные лакокрасочные слои (на бумагу и картон — офсетным способом, на полимерные пленки — глубоким или флексо-графским способом печати), затем слой белого грунта, а потом — многокрасочное изображение. При этом коэффициент пропускания снижается до 2 — 5%.

8. Соединение различных полимерных пленок, бумаги, картона и др. позволяет получить многослойные упаковочные системы, превосходящие по защитным свойствам исходные материалы в видимой области спектра 400 — 750 нм. Такие модели позволяют прогнозировать поведение синтезированных моделей под конкретный пищевой продукт определенного состава.

9. Разработаны методические и практические рекомендации по использованию методики и результатов исследования в учебном процессе для студентов специальности 261 201.65 «Технология и дизайн упаковочного производства» при постановке и проведении лабораторных работ по учебным курсам «Технология производства упаковки», «Тара и ее производство», «Оборудование и оснастка упаковочного производства», «Оборудование для производства рекламно-сувенирной и упаковочной продукции», «Процессы и аппараты упаковочного производства».