بررسی کاربردهای بطری پت ترکیبی با پلیمرهای زیستی در صنایع بسته بندی مواد غذایی(بخش هشتم)

بررسی تغییر شکل بطری‌ها

بر اساس تصاویری که در شکل 5 نشان داده شده است، بطری پت خالص و PET/EZT با نسبت EZT  30 درصد تغییر شکل واضحی را نشان می‌دهند، در حالی که بطری های با نسبت EZT 50 درصد و بطری های EZT خالص هیچ تغییر شکل خاصی را نشان نمی‌دهند. بطری PET/EZT  30 درصد  مقاومت حرارتی پایینی از خود نشان داد (به دلیل تغییر شکل سریع با دمای بالای 85 درجه). این ویژگی این ترکیب نیز مانند بطری پت خالص بود. این در حالی بود که این ترکیب T_g نسبتا بالاتری دارد. این یافته با نتایج DSC مطابقت دارد (جدول 3) که نشان می‌دهد ثبات شکل بطری‌ها طی فرایند تولید بطری کاهش یافته است.

بررسی تغییر اندازه ورودی بطری‌ها

 در شکل 4 (b) نشان داده شده است که نرخ تغییر قطر ورودی بطری پت خالص و ترکیبی هنگام پر شدن با مایع داغ با دمای 95 درجه سانتیگراد 2.2٪، 1.5٪، 0.7٪، 0.5٪، و 0.3٪ برای بطری های PET خالص، PET/EZT 30، PET/EZT 50، PET/EZT 70، و بطری EZT خالص می‌باشد. این داده‌ها نشانگر نرخ کاهشی قطر ورودی با افزایش نسبت EZT است. شایان ذکر است که بطری PET/EZT  30 درصد با اینکه تغییر شکل بسیار شدیدی را در هنگام پر شدن با مایعات دارای دمای بالا نشان داده، در ابعاد قطر ورودی روندی مشابه را نشان می‌دهد. این اتفاق احتمالا به این دلیل رخ داده است که قسمت ورودی در همه نمونه‌ها یکسان بوده است.

بنابراین بطری PET/EZT  30 درصد مجددا روند مشابهی را نشان داد. کشش بدنه بطری تأثیر قابل توجهی بر تغییر شکل حرارتی داشت. بنابراین، تخمین زده می‌شود که ثبات شکل بطری نیز تحت تأثیر فرایند قالب‌گیری با ضربه کششی در طول ساخت بطری‌ها باشد. با این حال، تحقیقات بیشتری در رابطه با اثرات بازآرایی کریستالیزاسیون ناشی از کشش یکسان و انقباض مولکول‌های پلیمر در دماهای بالاتر از T_g مورد نیاز است (Ophir et al., 2004).

بررسی تاثیر ساختار بر پایداری حرارتی بطری پت

به طور کلی، پایداری حرارتی مخلوط های پلیمری مانند بطری پت به طور قابل توجهی به ساختار شیمیایی و کریستالی بودن آنها بستگی دارد. EZT خالص مورد استفاده در این مطالعه به دلیل ساختار حلقوی منحصر به فرد خود از پایداری حرارتی بالایی برخوردار است. در گزارش‌هایی آمده است که افزودن پلیمر جدید به PET ممکن است منجر به عملکرد ضعیف در برخی از نسبت‌های ترکیبی شود. با این حال، تحقیقات بیشتر در این زمینه به شدت توصیه می شود (Ophir et al., 2004). به این ترتیب، اگر  بطری PET/EZT  30 درصد را فاکتور بگیریم، مشاهده کردیم که همه نمونه ها در مقایسه با PET خالص عملکرد بهتری در تغییر حجم و تغییر قطر دهانه داشتند. همچنین می‌توان نتیجه گرفت که مقاومت حرارتی و پایداری شکل این مخلوط‌ها  به نسبت ترکیب بستگی دارد و با افزودن EZT می‌توان این محصولات را برای کاربردهای جدید توسعه داد.

شفافیت

شفافیت بالا یکی از ویژگی های مهم مورد نیاز در بسته بندی‌ برخی مواد غذایی مانند بطری‌های نوشیدنی است. به طور کلی، شفافیت مخلوط‌های پلیمری به میزان انحلال پذیری اجزای آنها بستگی دارد که این ویژگی نیز با ساختار شیمیایی و مورفولوژی پلیمرها مرتبط است (Maruhashi & Iida, 2001). شفافیت مخلوط‌های PET/EZT با استفاده از طیف‌سنجی مرئی-ماوراء بنفش (UV-vis) مورد بررسی قرار گرفت. همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است، PET خالص و EZT خالص به دلیل وجود فاز آمورف که بر ظاهر آنها تأثیر می‌گذارد، شفاف هستند. بطری‌های ترکیبی PET/EZT تفاوت قابل‌توجهی در عبور دادن نور در مقایسه با بطری‌های PET خالص یا EZT خالص نشان ندادند. این بطری‌ها در مقایسه با نمونه‌های ورقه‌ای در مطالعات قبلی شفاف‌تر بودند که دلیل آن سرد شدن با سرعت بالا است (پارک و همکاران، 2021).

 بر اساس مشاهدات قبلی مخلوط شفاف زمانی به دست می آید که اختلاف ضریب شکست (RID) مخلوط کمتر از 0.01 باشد؛ حتی اگر ترکیب به دست آمده غیر قابل اختلاط باشد (Song et al., 2013). اگرچه دو T_g در نتایج DSC بطری‌های PET/EZT شناسایی شد، اما این ترکیبات شفاف بودند. زیرا اجزای این ترکیبات تا حدی در یکدیگر حل می‌شوند و ضریب شکست نور بطری پت خالص (1.575) تفاوت قابل‌توجهی با ترکیبات حاوی EZT ندارد. برای مثال ضریب شکست نور در PECT (PETG، پلی اتیلن ترفتالات اصلاح شده با گلیکول) (1.570) است. بنابراین، می‌توان انتظار داشت که مخلوط‌های EZT و PET درجه قابل قبولی از مخلوط شدن را با تغییرات RID ناچیز داشته باشند که این ویژگی همچنین می‌تواند دوگانگی ترکیب را تا حدی کاهش دهد.

لینک های مرتبط:

• پریفرم استاندارد
• دستگاه بادکن دستی
• درب بطری

نفوذ پذیری اکسیژن

برای حفظ کیفیت محصولات غذایی و آشامیدنی، نفوذ پذیری اکسیژن بطری پت باید ارزیابی شود. نفوذ پذیری گازی پلیمرها به وزن مولکولی، بلورینگی و حجم آزاد پلیمر بستگی دارد (جورج و توماس، 2001). در بین پلیمرهای نیمه کریستالی، PET یکی از موادی است که دارای خواصی است که مانع جابه‌جایی اکسیژن بین هوای محیط و محفظه می‌شود. در این مطالعه، نرخ انتقال اکسیژن (OTR) برای بررسی نفوذ پذیری اکسیژن بطری‌های PET/EZT اندازه‌گیری شد.

 همانطور که در جدول 5 نشان داده شده است، OTR بطری های PET و EZT خالص به ترتیب برابر با 0.0134 و 0.0340 cc/pkg در هر روز است. همچنین OTR  مشاهده شده در بطری های PET/EZT با افزایش نسبت EZT در مخلوط افزایش یافته است. به طور کلی T_g کمتر پلیمر منجر به سرعت انتشار بیشتر به دلیل تحرک بخش بالایی می شود (براون و پارک، 1970؛ جورج و توماس، 2001). OTR بطری EZT خالص نیز در مقایسه با بطری PET خالص به دلیل ساختار کاملا آمورف آن بالاتر است. همچنین اختلاط جزئی PET و EZT سبب کاهش کریستالیته می شود که منجر به مسیرهای انتشار طولانی‌تر می شود. اگرچه افزودن EZT منجر به افزایش OTR شد، این افزایش به مقدار قابل توجهی نبود و تفاوت OTR بین بطری‌های PET و بطری‌های PET/EZT و EZT ناچیز بود.

نتیجه گیری

در این پژوهش بطری‌های مقاوم در برابر حرارت با پایداری شکل حرارتی خوب و ترکیب شده از ترپلی استر زیستی EZT و PET با استفاده از دستگاه ISBM تولید شدند. محصولات نهایی برای ارزیابی کاربرد بالقوه آنها در فرایند پر کردن داغ مورد بررسی قرار گرفتند. با توجه به نتایج مشاهده شده دمای بشکه و سیستم خنک‌کننده پریفرم در ISBM با افزایش نسبت EZT کاهش یافت؛ زیرا فاز آمورف EZT به مقداری در مخلوط‌ها قابل اختلاط است. این یافته توسط نتایج DSC پشتیبانی شد که نشان دهنده کاهش ΔH_c با افزایش نسبت EZT در مخلوط است. همچنین با افزایش نسبت EZT، مقاومت حرارتی و پایداری شکل حرارتی بطری‌های PET/EZT بهبود یافت.

با این وجود بطری‌های PET/EZT  30 درصد تغییر شکل قابل‌توجهی در دمای پر شدن بالاتر به دلیل نقایص آنها طی فرایند تولید نشان دادند. بطری PET/EZT 30 درصد دچار تغییر شکل بدنه نیز شد و این تغییر تاثیری روی قطر ورودی بطری نداشت و قطر ورودی بطری در دماهای بالا حدودا ثابت باقی ماند. بنابراین، تأیید می‌شود که فرایند تولید، بازآرایی زنجیره و ترتیب زنجیره در بدنه بطری را در حین فرایند دمیدن کششی مختل کرده و منجر به ایجاد یک الگوی تغییر شکل می‌شود. اگر این ترکیب را در نظر نگیریم می‌توان گفت که با افزایش نسبت EZT، مقاومت حرارتی و ثبات شکل بطری ها بهبود یافته است که نشان می دهد این ترکیبات شفاف به عنوان بسته بندی مواد  غذایی قابل استفاده هستند. یعنی بطری های PET/EZT را می‌توان برای چندین محدوده دمایی مختلف برای بسته بندی در صنعت نوشیدنی استفاده کرد.

بیانیه معتبر مشارکت نویسنده

Hojun Shin: Conceptualization, Data curation, Writing – original draft, Formal analysis. Sangyoon Park: Methodology, Formal analysis, Investigation. Sarinthip Thanakkasaranee: Formal analysis, Investi- gation, Supervision. Kambiz Sadeghi: Data curation, Investigation.

Youngsoo Lee: Validation, Investigation. Guman Tak: Validation, Investigation. Jongchul Seo: Conceptualization, Methodology, Writing

– review & editing.

اعلامیه منافع رقابتی

نویسندگان اعلام می کنند که هیچ منافع مالی رقابتی یا روابط شخصی شناخته شده‌ای ندارند که روی نتایج این مقاله تأثیر گذار باشد.

قدردانی

این مطالعه توسط بنیاد ملی تحقیقات کره (NRF) و توسط کمک هزینه ای که توسط دولت کره (MSIP) تامین شده بود [ با شماره مجوز 2020R1A2B5B01001797] به صورت رسمی حمایت شده است.

منابع

Al-Jabareen, A., Al-Bustami, H., Harel, H., & Marom, G. (2013). Improving the oXygen barrier properties of polyethylene terephthalate by graphite nanoplatelets. Journal of Applied Polymer Science, 128(3), 1534–1539. https://doi.org/10.1002/app.38302

Badia, J. D., Santonja-Blasco, L., Martínez-Felipe, A., & Ribes-Greus, A. (2014). Dynamic mechanical thermal analysis of polymer blends. Characterization of polymer blends (pp. 365–392). https://doi.org/10.1002/9783527645602.ch12

Brown, W., & Park, G. (1970). Diffusion of solvents and swellers in polymers. Journal of Paint Technology, 42(540), 16.

CHECKING MOLECULAR AXIS ORIENTATION THROUGH STRETCHING. Retrieved April

18 from https://www.rigaku.com/applications/bytes/Xrd/miniflex/1143442674. George, S. C., & Thomas, S. (2001). Transport phenomena through polymeric systems.

Progress in Polymer Science, 26(6), 985–1017. https://doi.org/10.1016/S0079-6700 (00)00036-8

Go¨ltner, W. (2004). Relationship between polyester quality and processability: Hands-on experience. Modern polyesters: Chemistry and technology of polyesters and copolyesters (pp. 435–493). https://doi.org/10.1002/0470090685.ch13

Hannay, F. (2002). Rigid plastics packaging: Materials, processes and applications (Vol. 151). iSmithers Rapra Publishing.

Kong, Y., & Hay, J. (2002). Miscibility and crystallisation behaviour of poly (ethylene terephthalate)/polycarbonate blends. Polymer, 43(6), 1805–1811. https://doi.org/ 10.1016/S0032-3861(01)00772-8

Lima, M. F. S., Vasconcellos, M. A. Z., & Samios, D. (2002). Crystallinity changes in plastically deformed isotactic polypropylene evaluated by X-ray diffraction and differential scanning calorimetry methods. Journal of Polymer Science Part B, Polymer Physics, 40(9), 896–903. https://doi.org/10.1002/polb.10159

Mallakpour, S., & Javadpour, M. (2016). The potential use of recycled PET bottle in nanocomposites manufacturing with modified ZnO nanoparticles capped with citric acid: Preparation, thermal, and morphological characterization. RSC Advances, 6 (18), 15039–15047. https://doi.org/10.1039/C5RA27631D

Maruhashi, Y., & Iida, S. (2001). Transparency of polymer blends. Polymer Engineering and Science, 41(11), 1987–1995. https://doi.org/10.1002/pen.10895

Mohammadi, S.,  Khonakdar,  H.,  Ehsani,  M.,  Jafari,  S.,  Wagenknecht,  U.,  & Kretzschmar, B. (2011). Investigation of thermal behavior and decomposition kinetic of PET/PEN blends and their clay containing nanocomposites. Journal of Polymer Research, 18(6), 1765–1775. https://doi.org/10.1007/s10965-011-9583-9

Nasir, N., Hong, H., Rehman, M. A., Kumar, S., & Seo, Y. (2020). Polymer-dispersed liquid-crystal-based switchable glazing fabricated via vacuum glass coupling. RSC Advances, 10(53), 32225–32231. https://doi.org/10.1039/D0RA05911K

Ophir, A., Kenig, S., Shai, A., Barka’Ai, Y., & Miltz, J. (2004). Hot-fillable containers containing PET/PEN copolymers and blends. Polymer Engineering and Science, 44(9), 1670–1675. https://doi.org/10.1002/pen.20166

Papadopoulou, C. P., & Kalfoglou, N. K. (1997). Compatibility behaviour of blends of poly (ethylene terephthalate) with an amorphous copolyester. Polymer, 38(3), 631–637. https://doi.org/10.1016/S0032-3861(96)00557-5

Park, S., Thanakkasaranee, S., Shin, H., Ahn, K., Sadeghi, K., Lee, Y., Tak, G., & Seo, J. (2020). Preparation and characterization of heat-resistant PET/bio-based polyester blends for hot-filled bottles. Polymer Testing, 91, Article 106823. https://doi.org/ 10.1016/j.polymertesting.2020.106823

Park, S., Thanakkasaranee, S., Shin, H., Lee, Y., Tak, G., & Seo, J. (2021). PET/Bio-based terpolyester blends with high dimensional thermal stability. Polymers, 13(5), 728. https://doi.org/10.3390/polym13050728

Porter, R. S., & Wang, L.-H. (1992). Compatibility and transesterification in binary polymer blends. Polymer, 33(10), 2019–2030. https://doi.org/10.1016/0032-3861 (92)90866-U

Rwei, S. P. (1999). Properties of poly (ethylene terephthalate)/poly (ethylene naphthalate) blends. Polymer Engineering and Science, 39(12), 2475–2481. https:// doi.org/10.1002/pen.11634

Scheirs, J., & Long, T. E. (2005). Modern polyesters: Chemistry and technology of polyesters and copolyesters. John Wiley & Sons.

Shi, Y., & Jabarin, S. A. (2001). Glass-transition and melting behavior of poly (ethylene terephthalate)/poly (ethylene 2, 6-naphthalate) blends. Journal of Applied Polymer Science, 81(1), 11–22. https://doi.org/10.1002/app.1408

Song, H., Yang, S., Sun, S., & Zhang, H. (2013). Effect of miscibility and crystallization on the mechanical properties and transparency of PVDF/PMMA blends. Polymer-plastics Technology and Engineering, 52(3), 221–227. https://doi.org/10.1080/

03602559.2012.735314

Stocco, A., La Carrubba, V., Piccarolo, S., & Brucato, V. (2009).  The  solidification behavior of a PBT/PET blend over a wide range of cooling rate. Journal of Polymer Science Part B, Polymer Physics, 47(8), 799–810. https://doi.org/10.1002/ polb.21687

Subramanian, M. N. (2017). Polymer blends and composites: Chemistry and technology.

John Wiley & Sons.

Tharmapuram, S. R., & Jabarin, S. A. (2003). Processing characteristics of PET/PEN blends, part 3: Injection molding and free blow studies. Advances in Polymer Technology: Journal of the Polymer Processing Institute, 22(2), 155–167. https://doi. org/10.1002/adv.10046

Tomi´c, N. Z. (2020). Thermal studies of compatibilized polymer blends. Compatibilization of polymer blends (pp. 489–510). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-816006- 0.00017-7