Danuta M. Napierała*, Jerzy Stangierski** *Katedra Fizyki,

Prezentacja na temat: "Danuta M. Napierała*, Jerzy Stangierski** *Katedra Fizyki,"— Zapis prezentacji:

1 CZY BĘDZIEMY PAKOWAĆ ŚNIADANIE W FOLIĘ ZE SKROBI, KTÓRA NIE ZAŚMIECI ŚRODOWISKA?...
Danuta M. Napierała*, Jerzy Stangierski** *Katedra Fizyki, **Katedra Zarządzania Jakością Żywności Akademia Rolnicza im. A. Cieszkowskiego w Poznaniu

2 CO TO SĄ POLIMERY?... Cechą charakterystyczną polimerów jest występowanie powtarzających się elementów strukturalnych – merów. Monomer – związek małocząsteczkowy, z którego w wyniku reakcji otrzymujemy polimer Polimer – związek wielkocząsteczkowy, jego charakterystyczną cechą jest powtarzanie się pewnych cząstek. Kopolimer – związek cząsteczkowy otrzymany co najmniej z dwóch monomerów M Polimery łańcuchowe – tworzą je swobodne łańcuchy polimerów, np. polietylen, polipropylen, polichlorek winylu, polistyren, polimetakrylan metylu, poliamidy, poliwęglan. Należą do tzw. termoplastów, są topliwe i rozpuszczalne. Budowa łańcuchowa może być: chaotyczna – polimer bezpostaciowy (amorficzny), uporządkowana – polimer krystaliczny

3 Model sieci polimerowej
   Polimery o strukturze usieciowanej -  między łańcuchami tworzą się wiązania i powstaje sieć np. pod wpływem temperatury (termoutwardzalne) lub czynnika sieciującego (chemoutwardzalne) Jeżeli występuje struktura przestrzennie usieciowana, polimer nie topi się i jest nierozpuszczalny. Jest to bardzo mocna struktura. Model sieci polimerowej M

4 STANY FIZYCZNE POLIMERÓW Tk Tg Tp Td
Charakterystyczne temperatury dla polimerów: temp. kruchości, Tk, temp. rozeszklenia, Tg, temp. płynięcia, przejścia w stan lepkoplastyczny, Tp, temp. destrukcji, Td Polimery występują w trzech stanach fizycznych, zależnych od temperatury: SZKLISTYM, WYSOKOELASTYCZNYM, LEPKOPLASTYCZNYM Polimer amorficzny Polimer krystaliczny

5 STRUKTURY KONFIGURACYJNE POLIMEROW
a) liniowa, b) kołowa c) rozgałęziona d) grzebykowa e) gwiaździsta f) kaskadowa g) spiranowa h )drabinkowa i) parkietowa j) tektoniczna k) perełkowo-taśmopo dobna l, ł, m) sieciowane chemicznie o konfiguracji odpowiednio: homoge nicznej, heterogenicznej i przenikających się wzajemnie sieci, n, o, p, r, s, t) sieciowane fizycznie. Stereoizomeria Przykład makrocząsteczki izotaktycznej (A) i syndiotaktycznej (B) A B I.Gruin, Materiały polimerowe, PWN, 2003]

6 DLACZEGO TWORZYWA SYNTETYCZNE?....
- Korzystne właściwości funkcjonalne: mechaniczne takie, jak wytrzymałość, elastyczność, sprężystość, zaporowe, jak przepuszczalność pary wodnej, tlenu, CO2 - Łatwe w obróbce, niskie koszty produkcji. Niestety, nie ulegają biodegradacji, w środowisku naturalnym brak organizmów zdolnych do rozkładu wiązań między atomami węgla w łańcuchach węglowodorowych polimerów, które są podstawą tworzyw sztucznych BIODEGRADOWALNE TWORZYWA ALTERNATYWĄ MATERIAŁÓW SYNTETYCZNYCH - Opakowania biodegradowalne są to materiały, których struktura chemiczna ulega znaczącym przemianom, zachodzącym w specyficznych warunkach środowiskowych. Materiały te tracą swoje właściwości w wyniku degradacji, zachodzącej z wykorzystaniem naturalnie występujących w przyrodzie mikroorganizmów - bakterii, grzybów, alg.

7 SKROBIA – JAKO SUROWIEC DO PRODUKCJI BIODEGRADOWALNYCH MATERIAŁÓW
Produkt naturalny, pochodzenia roślinnego, otrzymywana z ziaren zbóż, bulw i korzeni różnych roślin, ulega biodegradacji w środowisku naturalnym z wytworzeniem H2O i CO2 ZIEMNIAK PSZENICA KUKURYDZA RYŻ

8 GRANULE SKROBI OGLĄDANE ZA POMOCĄ ELEKTRONOWEGO MIKROSKOPU SKANINGOWEGO
pszenica pszenżyto owies A B C Skala: - 10m Granule skrobiowe [Z. Ao, J-L. Jane, Carbohydr. Polym. 2007, 67, 46-55]

9 BUDOWA CHEMICZNA SKROBI – POLIMEROWE SKŁADNIKI SKROBI
AMYLOZA – łańcuch prosty AMYLOPEKTYNA – rozgałęziona forma

10 MODELE STRUKTURY SKROBI
[Z. Ao, J-L. Jane, Carbohydr. Polym. 2007, 67, 46-55] [I.Capron et al.., Carbohydr. Polym (68), )]

11 OTRZYMYWANIE FOLII SKROBIOWEJ METODĄ KASTINGOWĄ
1. 4. 3. 2. 5. 1.Podgrzewanie roztworu skrobi na mieszadle magnetycznym 2. Kleikowanie 3. Suszenie konwekcyjne 4. Nawilżanie w eksykatorze 5. Gotowy produkt po zdję-ciu z podłoża

12 BADANIE WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH FOLII
PRÓBA JEDNOOSIOWEGO ROZCIĄGANIA FOLII SKROBI NA TEKSTUROMETRZE TA-XT2i (STABLE MICRO SYSTEM, GB) 3 2 4 1

13 FILM 1 – próba rozciągania *
* aby uruchomić film kliknij obrazek myszką

14 FILM 2 – próba rozciągania jednoosiowego *
* aby uruchomić film kliknij obrazek myszką

15 WYKRESY ROZCIĄGANIA FOLII SKROBI UPLASTYCZNIONEJ SORBITOLEM
FOLIE O DWÓCH GRUBOŚCIACH: Próby 1 - 3, grubość d = 0,050 mm, próby , grubość d = 0,040 mm

16 Fmax - obciążenie zrywające, [N]
Z wykresów jednoosiowego rozciągania można wyznaczyć następujące wielkości, charakteryzujące wytrzymałość folii skrobi z sorbitolem; Fmax - obciążenie zrywające, [N] ε = l/l0 – wydłużenie względne przy zerwaniu E, moduł Younga [MPa] - Naprężenie zrywające σmax równe: gdzie S oznacza pole przekroju poprzecznego folii

17 Skrobia-sorbitol-albumina
Porównanie parametrów wytrzymałościowych folii skrobi z sorbitolem (o stężeniu sorbitolu 40%) i albuminą (o stężeniu 2%) z syntetycznym laminatem foliowym (poliester z polipropylenem) Rodzaj folii Fmax [N] , 10-2 E, 108 [Pa] max [MPa] Skrobia – sorbitol Skrobia-sorbitol-albumina Laminat 19,5 35,2 46,4 3,2 3,8 68,2 9,5 9,8 8,6 21,8 26,3 50,3

18 BADANIE PRZEPUSZCZALNOŚCI PARY WODNEJ PRZEZ FOLIĘ SKROBIOWĄ
Metoda statyczno - eksykatorowa 3 1 4 2 Folie w pokrywkach naczyń wypełnionych silika żelem, 2, 3 – W eksykatorach z solami, utrzymującymi okreś-loną, stałą wilgotność. 4. Ważenie próbek na wadze analitycznej.

19 Przykładowe kinetyki transmisji
pary wodnej przez folie skrobi z sorbitolem a b c c 2 Kinetyka przepływu pary wodnej przez folię skrobi z sorbitolem w temp. t = 300C [rys. 1] i 600C [rys. 2], aktywności wody aw = 0,33 (a), 0,54 (b) i 0,94 (c). b a 1 Parametry, opisujące przepływ dyfuzyjny wody przez układ polimerowy: - Współczynnik przepuszczalności, P [g m / (m2 s Pa)] - Współczynnik dyfuzji, D [m2/s] - Współczynnik rozpuszczalności lub sorpcji, S [g/(m3 Pa)]

20 Przepuszczalność pary wodnej, P
Polimer Przepuszczalność pary wodnej, P (g m-1 s-1 Pa-1) 10-11 Literatura Skrobia pszenicy-sorbitol Skrobia ziemniaka -kazeinian sodu-sorbitol Skrobia z kukurydzy Amyloza - glicerol Skrobia ziemniaka – glicerol Chitozan LDPE1 EVOH2 HDPE3 Poliester 0,39 – 7,74 5,2 – 26,5 0,3 - 15 119 143,5 7,3 0,44 – 1,14 0, 09 0, 29 0, 03 0, 25 autorzy Arvanitoyannis, Biliaderis (1998) Krogars et al. (2003) Rindlav-Westling (1998) Arvanitoyannis, (1996) Yang, Paulson (2000) Kittur et al. (1998) McHugh, Krochta (1994) McHugh et al. (1993) TABLE 3. Water vapour permeability of starch-sorbitol film and some edible and common packaging materials 1 Low density polyethylene 2 Ethyl vinyl alcohol 3 High density polyethylene

21 O perspektywach rozwoju opakowań biodegradowalnych
GŁÓWNE FIRMY PRODUKUJĄCE BIODEGRADOWALNE TWORZYWA OPAKOWANIOWE NA ŚWIECIE: Wzrost produkcji materiałów biodegradowalnych na przestrzeni lat Rhone Poulenc UCB Films, Mazzucculli Novamont Vivadour Biotec Cargill Dow Polymers LLC , Kaneka, Procter&Gamble, DuPont [ F. Domka, N. Czaja: Opakowania biode-gradowalne alternatywą dla opakowań z tworzyw sztucznych, 2006 ]

22 Odnośniki literaturowe
I. Gruin, Materiały polimerowe. Wyd. Naukowe PWN, Warszawa 2003 J Kaszkul, O. Suberlak, Podstawy fizykochemii i właściwości polimerów. Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2004 D. M. Napierała, A. Nowotarska, Water vapour transmission properties of wheat starch-sorbitol film. Acta Agrophysica, 2006, vol. 7(1), D. M. Napierała, J. Stangierski, Tensile properties of wheat starch film with the addition of sorbitol and albumin. Acta Agrophysica, 2007, vol. 9(1),