Способ повышения гидрофильности бумаги - основы оболочки для пищевых продуктов

 

Изобретение касается способа повышения гидрофильности бумаги-основы оболочки для пищевых продуктов, в частности для оболочки колбасных изделий и др. Сущность изобретения заключается в обработке бумаги-основы низкотемпературной плазмой высокочастотного тлеющего разряда в среде кислорода в течение 5 - 360 с при давлении 10 - 300 Па и удельной мощности разряда 0,003 - 3,0 Вт/см³. 6 табл.

Изобретение относится к способам повышения гидрофильности бумаги-основы оболочки для пищевых продуктов (колбасных изделий и др.) и может быть использовано в целлюлозно-бумажной и других отраслях промышленности, перерабатывающих эти виды бумаги-основы.

Целью изобретения является то, что бумагу-основу, состоящую из лубяных, хлопковых и/или вискозных волокон, подвергают обработке низкотемпературной плазмой высокочастотного тлеющего разряда в среде кислорода впервые.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе повышения гидрофильности бумаги-основы оболочки для пищевых продуктов, содержащей целлюлозу из лубяных и хлопковых волокон, вискозные волокна и смолу, из которых изготовлено полотно бумаги-основы, обработку бумаги-основы осуществляют низкотемпературной плазмой высокочастотного тлеющего разряда в среде кислорода в течение 5-360 с при давлении 10-300 Па и удельной мощности разряда 0,003-3,0 Вт/см³.

Для реализации способа используют низкотемпературную плазму высокочастотного тлеющего разряда, возбуждаемого при пониженном давлении. Особенностью такой плазмы является ее неравномерность и неизотермичность, проявляющаяся в значительном превышении электронной температуры (Т_е ≈30000 К) над температурой газа (Т_г ≈375 К). В этих условиях основное активационное действие в разряде оказывают неупругие удары электронов.

Активные компоненты О (³Р), О₂ ( ¹ Δg), О₃, образующиеся в среде кислорода, характеризуются значительными временами жизни и высокой химической активностью при низких температурах.

При взаимодействии активных компонентов с поверхностью обрабатываемых образцов протекают процессы модификации, приводящие к гидрофилизации образцов. Особенностью обработки в такой плазме является отсутствие термического воздействия на обрабатываемые материалы. Концентрации активных компонентов может достигать 10% Обработку низкотемпературной плазмой реализуют на установке высокочастотного тлеющего разряда, которая представляет собой проточную вакуумную систему, непрерывно откачиваемую с помощью механического вакуумного насоса. Рабочий диапазон давлений в вакуумной системе от 0,5 до 650 Па. Давление регулируют игольчатым клапаном и вентилем. В качестве плазмообразующего газа используют кислород, подаваемый в предварительный баллон через клапан и специальный предохранительный клапан из стандартного кислородного баллона. Измерение давления в разрядной системе осуществляют с помощью термовакууметра и термопарной лампы, встроенной в систему.

Возбуждение высокочастотного тлеющего разряда в зоне между внешними электродами осуществляют при помощи генератора высокочастотных колебаний, анодное напряжение которого задается специальным источником питания и контролируется вольтметром. Разрядная система опытной установки снабжена съемным фланцем, позволяющим устанавливать обрабатываемые образцы непосредственно в разрядную зону.

П р и м е р 1. Беленую льняную целлюлозу размалывают в лабораторном ролле до степени помола 25^оШР и из нее изготавливают образцы бумаги-основы.

Полученные образцы бумаги подвергают воздействию низкотемпертурной плазмы. Последовательность операций при обработке бумаги-основы: 1. Образец бумаги-основы диаметром 200 мм устанавливают в среднюю зону электроразрядной камеры с внешними электрическими электродами.

2. Включают вакуумный насос и осуществляют откачку камеры до давления 5 Па.

3. Подают в разрядную камеру кислород и устанавливают заданное давление в пределах 10-300 Па.

4. Включают высокочастотный генератор при заданной удельной мощности разряда в пределах 0,003-3,0 Вт/см³.

5. Обработку осуществляют в течение определенной продолжительности в пределах 5-360 с.

6. Выключают насос и высокочастотный генератор, подают в камеру атмосферный воздух, извлекают из камеры образец и проводят тестовые испытания.

Обработанные и необработанные образцы бумаги-основы анализируют с целью определения изменений показателей механической прочности и впитывающей способности в процессе плазмохимической обработки по общепринятым методикам.

Образцы бумаги-основы из беленой льняной целлюлозы согласно примеру 1 обрабатывают низкотемпературной плазмой при удельной мощности разряда 0,1 Вт/см³ в течение 15 с при давлении в газоразрядной камере 5, 10, 150, 300 и 320 Па соответственно для образцов бумаги 1, 2, 3, 4 и 5.

Показатели качества бумаги-основы по предлагаемому способу в сравнении с прототипом и аналогом представлены в табл.1.

Из данных табл. 1 следует, что оптимальным давлением в газоразрядной камере при воздействии низкотемпературной плазмы на бумагу-основу является давление в пределах 10-300 Па (образцы бумаги-основы 2, 3 и 4). При этом максимальное увеличение капиллярной впитываемости бумаги по предлагаемому способу по сравнению с прототипом составляет 55,2% Сравнительная оценка показателей качества представленных в табл.1 образцов бумаги-основы показывает также, что гидрофильные и абсорбционные свойства, характеризующиеся соответственно показателями продолжительности подъема воды на высоту 25 мм и продолжительности полной пропитки вискозой, увеличиваются в большей степени у бумаги-основы по предлагаемому способу, чем у аналога. Так, максимальное сокращение продолжительности подъема воды на высоту 25 мм составляет у аналога 17,0% а в предлагаемом способе 83,5% Это соответствует уменьшению продолжительности подъема воды по сравнению с необработанной бумагой-основой в 1,2 раза у аналога и в 6,1 раза у предлагаемого способа.

Продолжительность полной пропитки бумаги-основы вискозой максимально снижается после обработки в 1,4 раза у аналога и в 2,2 раза у предлагаемого способа. При этом сокращение продолжительности полной пропитки бумаги-основы вискозным раствором составляет 30,2% и 54,5% у аналога и предлагаемого способа соответственно.

Пропитку образцов бумаги-основы вискозным раствором осуществляют при концентрации последнего 7,0% при этом определяют продолжительность полной пропитки бумаги вискозой.

Следует отметить, что по абсолютной величине показателя, характеризующие гидрофильные и абсорбционные свойства бумаги-основы, по предлагаемому способу ниже, чем у аналога. Это объясняется тем, что льняные волокна по ряду существенных параметров значительно уступают волокнам манильской пеньки. Эти различия в свойствах связаны с особенностями морфологического строения и параметров надмолекулярной структуры льняных волокон. В частности, волокна манильской пеньки имеют при малых степенях разработки больший радиус макро- и микропор, чем волокна льна, что, по-видимому, является основной причиной высокой гидрофильности и абсорбционной способности бумаги-основы из манильской пеньки.

В связи с этим весьма важным является большая степень увеличения гидрофильных и абсорбционных свойств бумаги-основы в предлагаемом способе по сравнению с аналогом.

П р и м е р 2. Беленую льняную целлюлозу размалывают в лабораторном ролле до степени помола 25^оШР и используют для изготовления образцов бумаги-основы оболочки колбасных изделий следующего композиционного состава, мас. Целлюлоза льняная 80,0 Волокно вискозное 18,0 Смола полиамидаминэпи- хлоргидриновая 2,0 В размолотую льняную целлюлозу добавляют подготовленное вискозное волокно и полиамид-аминэпихлоргидриновую смолу.

Изготовление образцов бумаги-основы осуществляют на лабораторным аппарате "Рапид-Кетен".

Высушенные образцы бумаги-основы пропитывают на лабораторном прессе связующим, в качестве которого используют 3%-ный раствор поливинилового спирта.

Обработку образцов бумаги-основы низкотемпературной плазмой осуществляют при последовательности операций, приведенных в примере 1. Параметры обработки бумаги-основы низкотемпературной плазмой: давление в газоразрядной камере 130 Па, продолжительность 30 с, удельная мощность разряда 0,002; 0,003; 1,2; 3,0 и 3,2 Вт/см³ соответственно для образцов бумаги 1, 2, 3, 4 и 5.

Изменения показателей качества полученных описанным способом образцов бумаги-основы оболочки колбасных изделий после обработки низкотемпературной плазмой по предлагаемому способу в сравнении с прототипом и аналогом представлены в табл.2.

Композиционный состав бумаги-основы по прототипу следующий, мас. Целлюлоза льняная 85,0 (размол до 23^оШР) Целлюлоза хлопковая 13,0 Смола полиамидаминэпи- хлоргидриновая 2,0 Как следует из приведенных данных (см. табл.2), оптимальной удельной мощностью разряда при обработке бумаги-основы низкотемпературной плазмой является удельная мощность в пределах 0,003-3,0 Вт/см³ (образцы бумаги 2, 3 и 4). При этом максимальное увеличение капиллярной впитываемости бумаги в процессе ее плазмохимической обработки по предлагаемому способу составляет 81,5% (или в 1,8 раза). В процессе обработки бумаги-основы по предлагаемому способу повышается показатель разрушающего усилия в 1,5 раза или на 53,8% (с 1,3 до 2,0 кг).

Данные табл.2 свидетельствуют о том, что максимальное увеличение показателя капиллярной впитываемости бумаги в процессе обработки по предлагаемому способу по сравнению с прототипом составляет 145% (или в 2,45 раза).

Из приведенных в табл.2 данных следует, что показатели качества, характеризующие гидрофильные и абсорбционные свойства бумаги-основы, увеличиваются в процессе обработки, как и в примере 1, в большей степени у предлагаемого способа, чем у аналога. Так, максимальное сокращение продолжительности подъема воды на высоту 25 мм составляет у аналога 37,7% а в предлагаемом способе 65,1% что соответствует уменьшению продолжительности подъема воды по сравнению с необработанной бумагой-основой и 1,6 раза у аналога и в 2,9 раза у предлагаемого способа.

Максимальное сокращение продолжительности полной пропитки бумаги-основы вискозным раствором составляет после обработки по предлагаемому способу 51,2% в то время, как у аналога лишь 15,2% и 35,4% При этом продолжительность полной пропитки бумаги-основы вискозой снижается после обработки по предлагаемому способу в 2 раза, а у аналога всего лишь в 1,2 и в 1,5 раза.

П р и м е р 3. Опытную бумагу-основу колбасной оболочки, изготовленную в промышленных условиях по способу-прототипу, не подвергают после сушки пропитке связующим. Композиционный состав бумаги-основы, мас. Целлюлоза льняная 80,0 Волокно вискозное 18,0 Смола полиамидаминэпи- хлоргидриновая 2,0
Обработку образцов бумаги-основы размером 300 х 200 мм осуществляют низкотемпературной плазмой при последовательности операций, приведенных в примере 1. Параметры обработки бумаги-основы по предлагаемому способу: давление в газоразрядной камере 120 Па, удельная мощность разряда 1,1 Вт/см³, продолжительность 3, 5, 80, 360 и 370 с соответственно для образцов бумаги 1, 2, 3, 4 и 5.

В табл.3 представлены изменения показателей качества бумаги-основы колбасной оболочки в процессе обработки низкотемпературной плазмой по предлагаемому способу в сравнении с прототипом и аналогом.

Как следует из данных табл.3, предлагаемый способ значительно повышает гидрофильность бумаги-основы, практически не снижая ее прочность. Оптимальной продолжительностью плазмохимической обработки бумаги-основы является продолжительность в пределах 5-360 с (образцы 2, 3 и 4). При этом максимальное увеличение показателя капиллярной впитываемости бумаги-основы по предлагаемому способу составляет в машинном и поперечном направлении 180 и 246% (или в 3,2 и 3,5 раза) соответственно.

Данные, представленные в табл.3, свидетельствуют о том, что максимальное увеличение показателя капиллярной впитываемости бумаги в процессе обработки низкотемпературной плазмой по сравнению с прототипом составляет 240 и 266,7% (или в 3,4 и в 3,7 раза) в машинном и поперечном направлении соответственно.

Из приведенных в табл.3 данных следует, что показатели качества, характеризующие гидрофильные и абсорбционные свойства бумаги-основы, увеличиваются в процессе обработки по предлагаемому способу в большей степени, чем у аналога, как и в примерах 1 и 2. Так, сравнение продолжительности подъема воды на высоту 25 мм свидетельствует о том, что у предлагаемого способа максимальное сокращение этого показателя составляет 89,6 и 92,1% в машинном и поперечном направлении соответственно, а у аналога всего 17,0% Это соответствует уменьшению продолжительности подъема воды на высоту 25 мм по сравнению с необработанной бумагой-основой в 9,7 и 12,7 раза в машинном и поперечном направлении соответственно у предлагаемого способа и в 1,2 раза у аналога.

Как отмечалось выше, предлагаемый способ улучшает абсорбционные свойства бумаги-основы в большей степени по сравнению с аналогом, что характеризуется сокращением продолжительности полной пропитки бумаги вискозным раствором. Это является большим преимуществом предлагаемого способа, так как способствует увеличению скорости производства конечного продукта и обеспечивает равномерность и полноту проникновения пропитывающего раствора, что особенно важно в связи с отмеченными в примере 1 структурными особенностями льняного волокна основного композиционного компонента отечественной бумаги-основы.

Так, максимальное сокращение продолжительности полной пропитки бумаги-основы вискозным раствором составляет после обработки по предлагаемому способу 41,7% а по аналогу лишь 25,3 и 30,2%
П р и м е р 4. Опытную бумагу-основу колбасной оболочки, изготовленную в промышленных условиях по способу-прототипу, пропитывают связующим, в качестве которого используют 3%-ный раствор поливинилового спирта.

Композиционный состав бумаги-основы, мас. Целлюлоза льняная 75,0 Волокно вискозное 13,0 Целлюлоза хлопковая 10,0
Смола полиамид-аминэпи- хлоргидриновая 2,0
Обработку образцов бумаги-основы размером 300х200 мм осуществляют низкотемпературной плазмой при последовательности операций, приведенных в примере 1. Параметры обработки бумаги-основы по предлагаемому способу: удельная мощность разряда 1,0 Вт/см³, продолжительность обработки 20 с, давление в газоразрядной камере 5, 10, 140, 300 и 325 Па соответственно для образцов бумаги 1, 2, 3, 4 и 5.

Результаты изменений показателей качества бумаги-основы колбасной оболочки в процессе обработки по предлагаемому способу в сравнении с прототипом и аналогом представлены в табл.4.

Приведенные в табл. 4 данные свидетельствуют о значительном увеличении гидрофильных и абсорбционных свойств бумаги-основы в процессе обработки по предлагаемому способу при сохранении ее прочностных свойств.

Так, максимальное увеличение показателя капиллярной впитываемости бумаги-основы в процессе обработки по предлагаемому способу составляет в поперечном и машинном направлении 113,6 и 147,7% (или в 2,1 и в 2,5 раза) соответственно. По сравнению с прототипом этот показатель в процессе обработки низкотемпературной плазмой по предлагаемому способу увеличивается в среднем в 1,6 раза или на 60,3 и 64,9% в машинном и поперечном направлении соответственно.

Предлагаемый способ значительно сокращает продолжительность подъема воды на высоту 25 мм, что также свидетельствует о повышении гидрофильности бумаги-основы в процессе обработки. Максимальное снижение этого показателя в 14,4 и 20,4 раза в поперечном и машинном направлении соответственно по сравнению с необработанной бумагой. Это свидетельствует сокращению продолжительности подъема воды в данном случае на 93,1 и 95,1% соответственно. Для аналога данные по этому показателю отсутствуют.

Приведенные в табл. 4 данные свидетельствуют о том, что абсорбционные свойства бумаги-основы увеличиваются, как и в примерах 1, 2 и 3. В большей степени в процессе обработки по предлагаемому способу, чем у аналога. Так, максимальное сокращение продолжительности полной пропитки бумаги-основы вискозным раствором составляет после обработки по предлагаемому способу 42,6% в то время, как у аналога лишь 24,3% (образец 1) и 18,4% (образец 2), что соответствует уменьшению этого показателя в 1,7 раза у предлагаемого способа и в 1,3 раза (образец 1) и в 1,2 раза (образец 2) у аналога.

Следует отметить, что в предлагаемом способе гидрофильные и абсорбционные свойства лабораторных образцов бумаги-основы (примеры 1 и 2) ниже, чем у промышленных образцов бумаги-основы (примеры 3 и 4) как до обработки, так и после нее. Кроме того, степень увеличения указанных свойств в процессе обработки также выше в случае промышленных образцов. Лабораторные условия практически не позволяют получить бумагу-основу с равномерной высокопористой структурой из-за невозможности моделирования необходимого в данном случае процесса отлива и, особенно сушки. Таким образом, эксперимент по обработке бумаги-основы низкотемпературной плазмой (предлагаемый способ) был представлен в более жесткие условия.

Указанные обстоятельства, а также отмеченные в примере 1 особенности льняного волокна, заведомо снижающие гидрофильные и абсорбционные свойства бумаги-основы (предлагаемый способ, прототип) по сравнению с бумагой-основой из манильской пеньки (аналог) являются основной причиной сравнения относительных изменений гидрофильных и абсорбционных свойств бумаги-основы в процессе обработки по аналогу и предлагаемому способу. Эта оценка, на наш взгляд, является в данном случае наиболее корректной и единственно возможной.

П р и м е р 5. Лабораторный образец бумаги-основы колбасной оболочки композиционного состава согласно примеру 1, а также промышленный образец бумаги-основы композиционного состава согласно примеру 3, изготовленной по способу-прототипу, обрабатывают низкотемпературной плазмой по предлагаемому способу. Перед обработкой промышленный образец бумаги-основы пропитывают связующим, в качестве которого используют 3%-ный раствор поливинилового спирта.

Обработку образцов бумаги-основы размером 300 х 200 мм осуществляют при последовательности операций, приведенных в примере 1. Параметры обработки бумаги-основы по предлагаемому способу: давление в газоразрядной камере 120 Па, удельная мощность разряда 1,2 Вт/см³, продолжительность обработки 15 с.

В указанных образцах определялось изменение абсорбционных свойств в процессе обработки по предлагаемому способу сразу же после ее проведения, а также повторно через 2 месяца хранения. Результаты представлены в табл.5.

Из данных табл.5 следует, что абсорбционные свойства бумаги-основы колбасной оболочки по предлагаемому способу в процессе старения ухудшаются в меньшей степени, чем у аналога. Так, продолжительность полной пропитки бумаги-основы вискозным раствором увеличивается у аналога в 2,3 раза (необработанный образец) и в 2,3 и 1,7 раза (обработанные образцы 1 и 2) после 2-х месяцев хранения. В то же время по предлагаемому способу увеличение продолжительности полной пропитки бумаги-основы вискозным раствором в процессе хранения, как для лабораторных, так и для промышленных образцов ниже, чем у аналога и составляет, в среднем, в 1,2 раза.

Выбор режимных параметров обработки бумаги-основы низкотемпературной плазмой по предлагаемому способу иллюстрируется данными табл.6.

Предлагаемое изобретение, являясь экологически чистым способом, способствует сокращению продолжительности полной пропитки бумаги-основы вискозой по сравнению с аналогом. Это является очень важным преимуществом, так как способствует увеличению скорости и объемов производства конечного продукта и обеспечивает равномерность и полноту проникновения пропитывающего раствора.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ГИДРОФИЛЬНОСТИ БУМАГИ ОСНОВЫ ОБОЛОЧКИ ДЛЯ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ, содержащей целлюлозу из лубяных, хлопковых волокон и/или вискозных волокон и смолу, характеризующийся тем, что бумагу-основу подвергают обработке низкотемпературной плазмой высокочастотного тлеющего разряда в среде кислорода в течение 5 360 с при давлении 10 300 Па и удельной мощности разряда 0,003 3,0 Вт/см³.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10