نانومواد و بهبود خواص عبور و مرور گازها

محافظت از کالاهای فاسد شدنی مختلف در برابر زوال در کل زنجیره تامین، یک موضوع طولانی مدت در صنعت بسته بندی بوده است.

تخمین زده می شود، ممکن است بین 20 تا 25 درصد مواد غذایی در سرتاسر جهان به دلیل فقدان بسته بندی مؤثر هدر برود ، نرخ هدر رفتن مواد غذایی تازه، در کشورهای در حال توسعه ،قبل از رسیدن به خرده فروشان، به 50 درصد می رسد .

در یک محصول دارویی مواد فعال به اکسیژن، رطوبت و میکروب ها بسیار حساس هستند. بسته بندی غیر موثر نه تنها اثر درمانی را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد، بلکه تهدیدات بالقوه ای برای سلامتی انسان نیز دارد.

 به طور خاص، دستگاه های الکترونیکی، مانند دیودهای ساطع کننده نور آلی (OLED)، نمایشگرهای کریستال مایع (LCD) و ماژول های فتوولتائیک (PV) در برابر رطوبت و اکسیژن بسیار آسیب پذیر هستند. بسته بندی موثر می تواند به عنوان لایه غیرفعال برای اطمینان از پایداری و قابلیت اطمینان دستگاه های الکترونیکی و افزایش عمر مفید آنها عمل کند.

بنابراین، بسته بندی موثر و معقول یک پیش نیاز ضروری برای تحقق عملکرد و ارزش کالاهای بسته بندی شده از طریق محافظت از آنها در برابر محیط خارجی و حفظ کیفیت و ایمنی آنها در فرآیندهای ذخیره سازی، حمل و نقل و فروش است.

در دهه‌های گذشته، علاقه به فیلم‌های پلیمری به‌عنوان کاندیدای رقابتی برای جایگزینی مواد بسته‌بندی سنتی مانند شیشه، چوب، فلزات و سرامیک‌ها بوده است. امروزه در صنعت بسته بندی، کمتر از فلز و شیشه استفاده میشود و این صنعت به سمت استفاده از پلاستیک های که دارای کاربردهای مختلفی از جمله جلوگیری از نفوذ گازها هستند پیش میرود.

در 20 سال گذشته، پلیمرها به دلیل عملکرد، سبک وزنی، سهولت پردازش وتطبیق پذیری، سهولت ساخت و  هزینه کم، جایگزین مواد معمولی در بسته بندی شده اند.

بیشترین پلیمرهای مورد استفاده در بسته بندی مواد غذایی عبارتند از پلی اتیلن (PE)، پلی پروپیلن (PP)، پلی استایرن (PS)، پلی وینیل کلراید (PVC) و پلی اتیلن ترفتالات (PET) .

با این حال، یک ویژگی محدود کننده مواد پلیمری در بسته بندی مواد غذایی، نفوذپذیری ذاتی آنها در برابر گازها و بخارات، از جمله اکسیژن، دی اکسید کربن و بخارات آلی است.

نفوذ گاز در فیلم های پلیمری تأثیر مهمی بر خدمات آنها دارد. کارایی و خواص بازدارنده پلیمرها را می‌توان با گنجاندن نانوپرکننده‌های لایه‌ای غیرقابل نفوذ، با نسبت ابعاد کافی برای تغییر مسیر انتشار مولکول‌های نافذ گاز، به‌طور قابل‌توجهی افزایش داد.

این نانوپرکننده‌ها باعث می‌شوند مولکول‌های پخش‌کننده، مسیرهای طولانی‌تر و پیچیده‌تری را برای عبور از لایه نانوکامپوزیت دنبال کنند.

بنابراین، استفاده از نانومواد برای تولید پلاستیک‌های دارای ویژگی جدید و بهبود یافته به طور گسترده در حال افزایش است.

تمایلات مصرف‌کنندگان که شامل بسته‌بندی سبک‌تر و نازک‌تر، شفافیت، سازگاری با محیط‌ زیست، افزایش ماندگاری نوشیدنی ها و محصولات غذایی و…. است ، بازار را به سمت استفاده از پلاستیک های تولیدشده با نانومواد پیش میبرد.

پیش بینی میشود تا سال 2025،  بازار جهانی بسته‌بندی پلیمری به 456.6 میلیارد دلار برسد و با نرخ رشد مرکب سالانه 5.2 درصد گسترش یابد.

طیف گسترده ای از محصولات تجاری، از جمله مواد غذایی تازه، داروها و دستگاه های الکترونیکی، در معرض آسیب های اکسیداسیون و رطوبت هستند. نرخ انتقال اکسیژن (OTR) و نرخ انتقال بخار آب (WVTR) مواد بسته بندی، عوامل غالب در تعیین ماندگاری محصولات تجاری هستند.

فیلم های پلیمری سنتی بر اساس ساختار شیمیایی ذاتی، مواد بسته بندی پلیمری معمولاً به سه دسته از نظر ویژگی های مانع اکسیژن و بخار آب طبقه بندی می شوند:

1- پلیمرهای غیر قطبی شامل پلی اتیلن (PE)، پلی پروپیلن (PP) و پلی استایرن (PS) در محدوده خاصیت مانع اکسیژن ضعیف با OTR بالاتر از 102 cm3·m-2·d- قرار می گیرند.

2- مواد پلیمری قطبی پلی اتیلن ترفتالات (PET)، نایلون 6 (PA6) و پلی اکریلونیتریل (PAN) دارای خاصیت سد اکسیژن متوسط با OTR در محدوده 100~102 cm3·m-2·d- هستند.

3- کوپلیمر پلی وینیلیدین کلراید (PVDC) و اتیلن-وینیل الکل (EVOH) به دلیل خاصیت مانع اکسیژن عالی خود با OTR کمتر از 10 درجه سانتی‌متر 3· m-2·d-1·bar-1 معروف هستند.

اختلاط پلیمری روشی ساده برای تولید مواد بسته بندی پلیمری با مانع بالا با استفاده از نانومواد در یک ماتریس پلیمری است.

نانوکامپوزیت پلیمری، یک فناوری جدید و قوی، توجه زیادی را برای ساخت فیلم‌های با مانع بالا به خود جلب کرده است .