CHƯƠNG 3. ĐẶC ĐIỂM VỀ QUY TRÌNH SẢN XUẤT VÀ TÍNH CHẤT
4.3. Phân tích cấu trúc bao bì hộp sữa “xanh”
4.3.1. Cấu trúc bao bì hộp sữa “xanh”
Hình 4.2: Cấu trúc bao bì hộp sữa tiệt trùng
Trang 45
Bảng 4.2: Thành phần phần trăm các lớp có trong bao bì
Định lượng giấy carbon
Tính chất của các lớp bao bì tiệt trùng
Lớp 1: màng HDPE chống thấm nước, bảo vệ lớp in bên trong bằng giấy và tránh bị trầy xước
• HDPE (Hight Density Polyethylene) được cấu tạo bởi đa số các chuỗi polyethylene thẳng được sắp xếp song song, mạch thẳng của monomer có nhánh rất ngắn và số nhánh không nhiều.
• HDPE trong suốt nhưng có mức độ mờ đục cao hơn LDPE, độ bóng bề mặt không cao, có thể chế tạo thành màng đục do có phụ gia TiO2 khả năng bền nhiệt cao hơn LDPE, nhiệt độ hóa mềm dẻo là tnc = 1210C, nên có thể làm bao bì thực phẩm áp dụng chế độ thanh trùng Pasteur, hoặc làm bao bì đông lạnh như thủy sản: tmin = -460C, t hàn = 140 ÷ 1800C.
• Ngoài ra, HDPE có độ bền cơ học cao, sức bền kéo, sức bền va chạm, bền xé đều cao hơn LDPE và LLDPE, nhưng vẫn bị kéo dãn, gây phá vỡ cấu trúc polyme dưới tác dụng của lực hoặc tải trọng cao.
Tính chống thấm nước, hơi nước tốt.
Tính chống thấm chất béo (tốt hơn LDPE và LLDPE).
Tính chống thấm khí, hương (tốt hơn LDPE và LLDPE).
• Công dụng HDPE: HDPE có độ cứng vững cao, tính chống thấm khí, hơi khá tốt, tính bền cơ học cao nên dùng làm vật chứa đựng như các thùng (can chứa đựng) có thể tích 1-20 lít với độ dày khác nhau để đảm bảo độ cứng vững của bao bì theo khối lượng chứa đựng.
Hình 4.3: Cấu trúc HDPE
Lớp 2: Giấy in
Giấy in dùng để in thông tin và in nhãn, lớp này có độ dày nhỏ hơn lớp carton tiếp theo.
Ưu điểm: Giấy nhẹ khả năng thấm hút mực tốt và dễ tạo hình nên thường sử dụng để thể hiện chi tiết hình ảnh của sản phẩm.
Nhược điểm: dễ thấm nước, rách.
Lớp 3: Carton
Carton dùng để tạo hình dáng hộp. Vì carton có độ cứng vừa phải, chịu đựng được những va chạm cơ học.
Lớp 4: Màng PE
Lớp keo kết dính giữa lớp giấy carton và lớp nhôm. Lớp kết dính này được cấu tạo bởi PE đồng trùng hợp – là lớp thẩm phụ trợ cho lớp PE trong cùng và lớp màng nhôm mỏng, màng nhôm chống thấm khí, hơi và hơi nước tốt.
Chất kết dính copolymer PE
Trang 47
• Các loại PE đồng trùng hợp (EVA, EVOH, EAA, EBA, EMA, EMAA…)
• PE đòng trùng hợp là sự kết hợp đồng nhất của ethylene và các monomer khác, được phát triển và có nhiều ứng dụng trong nhiều năm qua. Trong các sản phẩm này thì tỉ lệ PE thường cao và là thành phần phối liệu chính.
Điều kiện để tạo nên PE đồng trùng hợp: các monomer khác phải có sự tương đồng hóa học với ethylene, phản ứng trùng hợp được diễn ra ở điều kiện thích hợp về chất xúc tác, nhiệt độ, thời gian, áp suất.
• PE được đồng trùng hợp để kết dính các loại vật liệu lại với nhau. Tổng lượng chất kết dính của các lớp rất nhỏ khoảng 15-20% khối lượng màng chớnh, chiều dày khoảng 3àm. Chất kết dớnh thường cú ghộp là nhụm để ngăn cản ánh sáng thấy được hoặc tia tử ngoại.
• Lớp PE được ghép trong cùng để tạo khả năng hàn dán nhiệt tốt, dễ dàng, có khả năng chịu nhiệt, chịu lạnh.
Hình 4.4: Cấu tạo hóa học của EVA
EVA là copolyme đồng trùng hợp của ethylen và vinyl acetat. Theo lý thuyết thì tỉ lệ của vinyl acetattrong copolyme có thể trong khoảng 1-99%, nhưng trong thực tế sản phẩm thương mại thường có tỉ lệ vinyl acetat (VA) trong khoảng thấp hơn 50%. Loại EVA có tỉ lệ 21-50% VA thì dùng như chất phụ gia làm nền và chất kết dính…. Tỉ lệ phối trộn VA thay đổi có ảnh hưởng đến tính chất của EVA.
Màng EVA có thể được sản xuất theo phương pháp thổi hoặc đúc theo độ dày yêu cầu. Loại màng EVA có tỉ lệ VA khoảng 7-8% thì có tính chất giống như LDPE,
những màng có có tỉ lệ EVA khoảng 15-20% thì có tính chất khá giống với PVC nhưng dẻo dai hơn được dùng làm màng co.
Tính chất của màng EVA thay đổi theo tỉ lệ của VA trong phân tử nhưng nhìn chung nếu so sánh với LDPE:
• Nhiệt độ hàn ghép mí thấp hơn
• Độ bền cơ cao hơn
• Tính chống thấm khí và hơi nước thấp hơn
• Các đặc tính được ổn định ở nhiệt độ thường
• Tính chất trượt của EVA thấp, tức hệ số ma sát cao.
• EVA có thể hàn bằng nhiệt nhưng đòi hỏi năng lượng cao hơn PVC.
• Khả năng in tốt.
• EVA dễ bị hư hỏng ở nhiệt độ cao
EVA có đặc điểm là tính mềm dẻo cao, có nhiệt độ hàn ghép thấp hơn so với PE và hàn ghép tốt hơn vài polyme khác. Cấu trúc của chúng không gây ô nhiễm môi trường nếu bị phá vỡ. Một trong những hạn chế của EVA là độ ma sát cao, vì thế cần tăng thêm chất phụ gia của tác nhân trượt để tạo độ bóng loáng bề mặt.
• EVOH (Ethylene vinyl ancohol – EVAL)
• Có tính chống thấm oxy hóa, tăng theo sự tăng hàm lượng vinyl ancohol.
• Có tính thấm nước.
• EAA (Ethylene acid acryclic)
Có khả năng bám dính cao nhờ nhóm acid acrylic, nhưng đồng thời cũng có tính ăn mòn thiết bị.
Loại EAA thường được chế tạo thành mảng mỏng 6-8 g/m2, để làm tăng chất kết dính giữa các loại plastic trong màng ghép
• EBA (Ethylene butylacrylate)
Có ứng dụng như EVA, nhưng có tính bền nhiệt cao.
• EMA (Ethylene methylacrylate)
Chịu được nhiệt độ khá cao.
Không hút ẩm.
Trang 49
Có tính bám dính cao để làm lớp keo dán giữa các lớp plastic trong màng ghép (OPP, PVDC…).
• EMAA (Ethylene methyl acid methacrylic – surlyn): nguyên liệu sản xuất ionomer, khi đó nhóm acid được trung hòa bởi ion Na+ hoặc Zn2+.
Tnc EMAA < tnc LDPE.
Chống thấm chất béo cao.
Tính hàn dán tốt vì nhiệt độ hàn thấp hơn LDPE.
Tính bền cơ cao.
Lớp 5: Màng nhôm: ngăn chặn ẩm, ánh sáng, khí trơ
Nhôm được dùng ở dạng lá nhôm ghép với plastic mục đích chống thoát hương, chống tia cực tím. Nhôm được sử dụng làm bao bì thực phẩm có độ tinh khiết từ 99-98%. Nhôm ở dạng lá có thể có độ dày như sau: 7, 9, 12, 15 và 18.
Lỏ nhụm thường cú những lỗ li ti: với độ dày 7àm, cú thể cú 800 àm/m2 lỏ, độ dày 9 àm sẽ cú khoảng 200 lỗ/m2. Tớnh trung bỡnh tổng diện tớch lỗ hổng trờn bề mặt lá nhôm có đến 2mm2/m2 lá nhôm.
Do có tính mềm dẻo, lá nhôm có thể áp sát bề mặt thực phẩm, ngăn cản sự tiếp xúc với không khí, vi sinh vật, hơi nước. Do đó màng nhôm thích hợp để bảo quản các thực phẩm giàu protein, giàu chất béo chống sự oxy hóa bởi O2 và ngăn ngừa sự tăng độ ẩm khiến vi sinh vật không thể phát triển.
Ưu điểm: dẫn điện và nhiệt tốt, độ nóng chảy cao và sáng bóng, kín, chống ánh sáng, chống thoát hơi và sự xâm nhập hơi nước và các loại vi khuẩn, vật liệu chắc chắn và bền vững, dễ tạo dáng, cán dát mỏng, quy trình sản xuất đơn giản.
Nhược điểm: nhiệt, không linh hoạt, rỉ sét, tác đọng bởi phản ứng hóa học, giá thành cao, tốn năng lượng khi tái chế.
Lớp 6: Ionomer: lớp keo kết dính giữa màng nhôm và LDPE (lớp PE trong cùng).
Ionomer là loại plastic mà trong phân tử polyme có chứa nguyên tố kim loại, tạo mối liên kết ngang giữa các mạch polyme bằng liên kết cộng hóa trị hoặc liên kết
ion. Bên cạnh đó cũng tồn tại sự liên kết giữa các ion kim loại và một số nhóm chức của chuỗi.
Liên kết ion có năng lượng cao hơn cac liên kết khác trong chuỗi polyme nên chúng sẽ bổ sung một số tính chất mới cho polyme.
Surlyn A – tên thương mại – được chế tạo bởi công ty Du Pont – chế tạo dựa trên cơ sở của ethylene, có những tính chất tương tự như polyethylene. Nhóm cacboxyl của mạch polyme liên kết với ion kim loại như: Na+, K+, Mg2+ và Zn2+. Một inomer tiêu biểu được tìm thấy chứa 2,8% Na có đương lượng: 17 nguyên tử Na/100 nguyên tử C.
Tính chất
• Kéo mềm dẻo
• Trong suốt, độ đục khoảng 1% đối với màng dày 0,03 mm.
• Cứng, tính vững cao, vẫn giữ nguyên tính chất này ngay cả ở điều kiện nhiệt độ thấp t0min= -990C.
Ionome cứng vững hơn PE 10 lần trong cùng điều kiện, do đó dễ gấp xếp, dùng bao gói những sản phẩm có góc cạnh một cách dễ dàng hơn PE vì PE luôn luôn có trạng thái mềm dẻo nên khi gấp xếp không giữ nếp gấp, các nhóm có cực có trong phân tử ionomer sẽ tạo tính năng hấp thụ tia hồng ngoại và sẽ được đốt nóng bằng đèn hồng ngoại.
• Chống mài mòn tốt, có thể so sánh với PC.
• Tính chống thấm dàu mỡ cao (nhưng tính năng này giảm dần theo sự tăng nhiệt độ).
• Ionomer không bị ăn mòn bởi môi trường kiềm đậm hoặc loãng, nhưng bị ăn mòn bởi acid.
• Không bị hư hỏng bởi cetone ester và alcohol nhưng bị chảy mềm trong các loại dung môi hydrocacbon.
• Tính chống thấm khí tương tự như PE, nhưng tính chống thấm hơi cao hơn PE.
Trang 51
• Có khả năng in ấn tốt hơn PE nhưng vẫn bị xử lý bề mặt này.
• Có thể hàn dán để ghép mí bằng nhiệt
Lớp 7: LDPE cho phép bao bì dễ hàn và tạo lớp trơ tiếp xúc với sản phẩm bên trong
Đặc tính của màng bao bì LDPE: màng LDPE trong suốt, hơi có ánh mờ, có bề mặt bóng láng, mềm dẻo.
• Tính chống thấm oxy kém nên không thể dùng làm bao bì chống oxy hóa.
• Tốc độ thẩm thấu khí O2 (cm3/25μm/ m2/24h/atm 230C) = 6000
• Tốc độ thẩm thấu hơi nước (g/225μm/ m2/24h/atm 380C, RH 90%) = 20
• Tốc độ thẩm thấu CO2 (cm3/25μm/ m2/24h/atm 230C) = 3000
• Tốc độ thẩm thấu khí qua màng được tính bằng thể tích khí (cm3) thẩm thấu qua màng có độ dày tiêu chuẩn 25 μm qua diện tích màng là 1m2, trong thời gian 24h, ở áp suất 1atm và ở nhiệt độ 230C.
• Tốc độ hơi thẩm thấu qua màng được tính bằng khối lượng hơi (g) thẩm thấu qua màng như điều kiện tiêu chuẩn đối với khí nhưng ở nhiệt độ 380C và hàm ẩm không khí là 90%.