Повышение оптических защитных свойств многослойных упаковочных материалов средствами полиграфии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Будникова, Ольга Александровна

• Будникова, Ольга Александровна
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Будникова, Ольга Александровна

Введение.

Цели и задачи исследования.

Глава 1. Современное состояние теории и практики изучения оптических характеристик многослойных материалов.

1.1 Упаковочные материалы как поглощающие и рассеивающие излучение объекты.

1.2. Спектральные оптические характеристики однослойных упаковочных материалов.

1.3. Экспериментальные методы измерения спектральных оптических характеристик светорассеивающих материалов (отражательной и пропускательной способности).

1.4. Спектральные оптические характеристики однослойных упаковочных материалов.

Задачи исследования.

Выводы к 1 главе.

Глава 2. Методика и техника экспериментального исследования оптических защитных характеристик многослойных полиграфических и упаковочных материалов.

2.1. Методика экспериментального исследования оптических защитных характеристик многослойных упаковочных материалов.

2.2. Экспериментально-аналитические методы определения спектральных оптических характеристик материалов слоев многослойной упаковки.

2.3. Техника экспериментального определения оптических характеристик слоя упаковочных материалов.

2.3.1. Спектрофотометр для измерения пропускания (поглощения) полимерных упаковочных материалов СФ-26 в области спектра 185 — 1200 нм.

2.3.2. Инфракрасный спектрофотометр SPECORD 75 IR для измерения пропускания (поглощения) полимерных упаковочных материалов для области спектра 2,5 — 25,0 мкм.

2.3.3. Спектрофотометр GretagMacbeth для измерения отражения упаковочных материалов в области спектра 400-760 нм.

2.3.4. Спектрофотометр для измерения отражения, пропускания и поглощения упаковочных материалов СФ-18в области спектра 185 —

1200 нм.

Выводы ко 2 главе.

Глава 3. Распространение излучения в многослойных упаковочных материалах при различных условиях облучения.

3.1. Интегральные оптические характеристики полиграфических и упаковочных материалов.

3.2. Распространение излучения в многослойных упаковочных материалах при электромагнитном облучении направленным и диффузным потоками.

3.3. Закономерности ослабления направленного под некоторым углом в потока излучения плотностью Е'ш в плоском слое материала.

3.4. Перенос энергии интегрального излучения в светорассеивающих материалах при облучении диффузным и направленным потоками.

Выводы к 3 главе.

Глава 4. Оптические характеристики многослойных упаковочных материалов и рекомендации по их созданию с заданными свойствами.

4.1. Результаты исследования спектральных и интегральных оптических характеристик многослойных упаковочных материалов.

4.2. Спектральные оптические характеристики многослойных упаковочных материалов.

4.3. Интегральные оптические характеристики многослойных упаковочных материалов.

4.4. Многослойные упаковочные материалы из бумаги.

4.5. Разработка и создание новых многослойных упаковочных материалов с заданными защитными оптическими свойствами.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение оптических защитных свойств многослойных упаковочных материалов средствами полиграфии»

Актуальность. В настоящее время в России продолжает формироваться индустрия производства упаковки. Одной из основных составляющих этой индустрии является полиграфическое производство упаковки.

Полиграфические предприятия, специализирующиеся на изготовлении тары, упаковок и этикеток, в процессе переработки упаковочных материалов должны предусматривать необходимые средства для защиты пищевых, промышленных и сельскохозяйственных товаров от механических, климатических, биологических и др. воздействий, а также от хищений при транспортировке и хранении. При этом тип упаковываемого продукта, его состав и свойства диктуют требования к упаковке, технологии ее изготовления и средствам защиты.

Как известно, упакованные продукты находятся в поле электромагнитного излучения прямой и рассеянной солнечной радиации, излучения генераторов теплового и искусственного светового освещения, а также теплового излучения окружающих тел. Для защиты продуктов (пищевых, химических, фармацевтических и др.) от разрушительного воздействия электромагнитного излучения, упаковка должна иметь высокие оптические защитные характеристики, чтобы препятствовать влиянию излучения на упакованный в нее продукт. Указанные защитные свойства могут быть получены путем подбора материалов с определенной комбинацией слоев, а также нанесением красочных покрытий на машинах флексографской, офсетной или глубокой печати.

Для объективной оценки защитных свойств существуют теоретические и экспериментальные методы определения оптических характеристик однослойных материалов. Установлено, что величины спектральных оптических характеристик однослойных светорассеивающих материалов при диффузном и направленном облучении могут отличаться па 20-40%.

Что же касается многослойных материалов, используемых в современном производстве упаковки, то подобных исследований не проводилось. Исходя из анализа литературных источников, отсутствуют данные по спектральным оптическим характеристикам многослойных полиграфических и упаковочных материалов.

Таким образом, разработка и создание новых многослойных полиграфических и упаковочных материалов с заданными защитными оптическими свойствами с применением полиграфических технологий является весьма актуальной задачей в настоящее время.

Работа выполнена в соответствии с заданиями Федерального агентства по образованию на проведение научных исследований МГУП по темам: «Разработка методов определения оптических защитных характеристик упаковочных материалов» (2003-2004 гг.) и «Разработка теоретических основ электромагнитного облучения материалов в технологических процессах полиграфического и упаковочного производства» (2005-2006 гг.).

Целью работы является определение спектральных оптических характеристик многослойных полиграфических и упаковочных материалов в ультрафиолетовой, световой и инфракрасной областях спектра и разработка рекомендаций по созданию многослойных упаковочных материалов с заданными защитными оптическими свойствами путем подбора слоев и нанесения красочных покрытий в полиграфическом и упаковочном производствах.

Научная новизна состоит в реализации усовершенствованной методики одновременного измерения (из одного опыта) оптических характеристик отражательной, пропускателыюй и поглощательной способностей упаковочных материалов с применением приставки к спектрофотометру с интегрирующей сферой, позволяющей проводить прямые измерения поглощательной способности и одновременное измерение суммы отражательной и пропускательной способности свсторассеивающих материалов из одного опыта.

Впервые получены и обобщены данные по оптическим характеристикам однослойной упаковочной сульфитной и целлюлозной бумаг, офсетной полиграфической бумаги, картона тарного, крафт-бумагн, кашировапной полиэтиленовой пленкой, упаковочных полимерных однослойных и многослойных пленок для пищевых продуктов и детского питания.

Впервые получены данные по оптическим характеристикам многослойных упаковочных материалов с защитными оптическими свойствами в ультрафиолетовой и видимой области спектра.

Определены спектральные и интегральные оптические характеристики слоев крафт-бумаги, каптированной полиэтиленовой пленкой, и картона, отдельных материалов и слоев упаковочной и полиграфической бумаги (сульфитная, целлюлозная и офсетная), отдельных слоев и многослойных систем исходных и запечатанных упаковочных полимерных пленок, многослойных систем запечатанных полимерных упаковок, комбинированных многослойных систем слоев упаковочной и полиграфической бумаги.

Проведен анализ распространения потоков и поглощении энергии электромагнитного излучения в реальных многослойных системах упаковочных материалов, селективно поглощающих и рассеивающих излучение, при различных условиях облучения прямой и рассеянной радиацией в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра.

Изучены основные закономерности переноса энергии спектрального и интегрального излучения в отдельных слоях и в многослойных системах запечатанных упаковочных и полиграфических материалов при несимметричных условиях облучения направленным и рассеянным (диффузным) потоками излучения Солнца и технологических ИК генераторов (КГТ-220-1000). Найденные закономерности позволяют рассчитать распределение в отдельном слое и в многослойной системе величин объемной плотности поглощенного потока энергии излучения, пространственной облученности и плотности результирующего потока. Получены расчетные формулы для определения оптических характеристик отдельного слоя материала различной толщины и многослойной системы.

Положения, выносимые на защиту:

• Реализованная усовершенствованная методика оценки оптических характеристик упаковочных и полиграфических материалов, дающая возможность одновременного измерения (из одного опыта) оптических характеристик отражательной, пропускательной и поглощательной способностей упаковочных и полиграфических материалов.

• Основные закономерности переноса энергии спектрального и интегрального излучения в отдельных слоях и в многослойных системах запечатанных материалов при несимметричных условиях облучения направленным и рассеянным (диффузным) потоками излучения Солнца и технологических ИК генераторов, которые позволяют рассчитать распределение величин объемной плотности поглощенного потока энергии излучения, пространственной облученности и плотности результирующего потока.

• Экспериментально-аналитический метод определения оптических характеристик с помощью измеряемых из одного опыта отражательной, пропускательной и поглощательной способностей слоя конечной толщины полиграфических и упаковочных материалов с изменяющимися оптическими свойствами.

• Спектральные и интегральные оптические характеристики слоев и систем многослойных полиграфических и упаковочных материалов, позволяющие рассчитывать защитные оптические характеристики многослойных упаковочных материалов.

• Практические рекомендации, позволяющие полиграфическими способами создавать многослойные системы упаковочных материалов с заданными защитными оптическими свойствами (коэффициент пропускания 2 - 5%) для упаковки различных пищевых продуктов и детского питания.

Практической ценностью является разработка экспериментально-аналитического метода определения оптических характеристик с помощью измеряемых из одного опыта отражательной, пропускательной и поглощательной способностей слоя конечной толщины полиграфических и упаковочных материалов с изменяющимися оптическими свойствами. Экспериментально-аналитическим методом определены спектральные и интегральные оптические характеристики исходных и запечатанных материалов слоев: упаковочной и полиграфической бумаги (сульфитная, целлюлозная и офсетная бумага), крафт-бумаги и картона, упаковочных полимерных пленок.

Разработаны практические рекомендации по созданию многослойных систем упаковочных материалов с заданными защитными оптическими свойствами: многослойные упаковочные материалы из крафт-бумаги, картона, полиэтилена и полипропилена.

Разработаны методические и практические рекомендации для учебного процесса специальности 261201.65 «Технология и дизайн упаковочного производства» при постановке и проведении лабораторных работ по учебным курсам «Технология производства упаковки», «Тара и ее производство», «Оборудование и оснастка упаковочного производства», «Оборудование для производства рекламно-сувенирной и упаковочной продукции», «Процессы и аппараты упаковочного производства».

Апробация. Основные результаты исследований докладывались на НМС «Проблемы упаковочной промышленности и подготовка кадров» (МГУПБ, 1718.02.2002), на Заочной конференции «Дизайн. Реклама. Полиграфия» (г. Омск, июнь 2004 г.); на Научно-методической конференции «Опыт вузов УМО в подготовке специалистов по направлениям и специальностям УМО» (МГУПБ, 2931 марта 2005 г.); на Международном семинаре-практикуме «Упаковка и этикетка: что хочет клиент — что могут типографии» (Москва, 01.12.2004 г., 000 «Исследовательская компания «Abercade Consulting»); на Юбилейной Конференции «МГУП - 75 лет» 2005 г.; на Первой научно-технической конференции молодых ученых (МГУП, 28.03.2006 г.), на Научно-технических Советах МГУП (2004 - 2006 гг.).

Диссертация обсуждена на расширенном заседании кафедры «Технологии послепечатных процессов и упаковочного производства» с участием кафедр: «Материаловедения», «Допечатных процессов», «Печатных процессов», «Управление качеством».

По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 6 статей в ведущем отраслевом научном журнале «Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела».

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Будникова, Ольга Александровна

Общие выводы

1. Определены спектральные и интегральные оптические характеристики однослойных и многослойных облучаемых материалов при условиях, соответствующих реальным условиям облучения в промышленных установках: направленным, диффузным (рассеянным) и смешанным (диффузным и направленным) потоками излучения в ультрафиолетовой и видимой области спектра (упаковочной бумаги из сульфитной целлюлозы и чисто целлюлозной, офсетной бумаги, картона, крафт-бумаги, каптированной полиэтиленовой пленкой, упаковочных полимерных пленок для пищевых продуктов и детского питания).

2. Реализована усовершенствованная методика определения оптических характеристик отражательной, пропускательной и поглощательной способностей упаковочных материалов, позволяющая одновременное их измерение (из одного опыта). Создана приставка к спектрофотометру с интегрирующей сферой для прямых измерений поглощательной способности и одновременного измерения суммы отражательной и пропускательной способности светорассеивающих материалов из одного опыта.

3. Разработан экспериментально-аналитический метод расчета оптических характеристик с помощью определяемых из одного опыта отражательной, пропускательной и поглощательной способностей слоя конечной толщины материалов с изменяющимися оптическими свойствами, позволяющий определить оптические характеристики материала (коэффициенты поглощения к) и рассеяния сгя), а также двуполусферические характеристики слоя материала Тх (2ж;2ж) и Ях (2ж;2ж). Указанным методом определены спектральные и интегральные оптические характеристики исходных и запечатанных материалов слоев: упаковочной и полиграфической бумаги, крафт-бумаги и картона, упаковочных полимерных пленок.

4. Изучены основные закономерности переноса энергии спектрального и интегрального излучения в отдельных слоях и в многослойных системах запечатанных материалов при несимметричных условиях облучения направленным и рассеянным (диффузным) потоками излучения Солнца и технологических ИК генераторов. Найденные закономерности позволяют рассчитать распределение в отдельном слое и в многослойной системе величин объемной плотности поглощенного потока энергии излучения, пространственной облученности и плотности результирующего потока. Получены расчетные формулы для определения оптических характеристик отдельного слоя материала различной толщины и многослойной системы.

5. Определен уровень защитных характеристик упаковочных материалов для пищевых продуктов и детского питания. Установлено, что максимальные защитные оптические характеристики в области диапазона видимой части спектра имеют: коробочный картон и бумага восьми слоев - 95 %, двухслойная полипропиленовая пленка, запечатанная синей краской - 65 -90 %.

6. Разработаны рекомендации по выбору упаковочных материалов (пленки, бумаги, картоны) и подбору слоев из этих материалов с учетом их оптических защитных характеристик, обеспечивающих сохранность качества пищевых продуктов и детского питания. Проведена их производственная апробация на предприятии ОАО «ГОСНИИХП».

7. Разработаны технологические решения, обеспечивающие полиграфическими способами защитные свойства упаковки от воздействия излучения:

• целесообразно применять картон хром-эрзац марки М, толщиной 300 - 350 мкм, обладающего высокими оптическими защитными свойствами и обеспечивающего более длительную сохранность макаронных изделий;

• для макаронных изделий с добавлением /?-каротина предлагается применение двухслойной полипропиленовой двухосно-ориентированной пленки, толщиной 45 мкм, запечатанные красной краской;

• для молочных продуктов с различными добавками рекомендуется применять в качестве упаковочного материала двухслойную полипропиленовую двухосно-ориентированную пленку толщиной 45 мкм, запечатанную синей или красной краской;

• для упаковки с цветным изображением предлагается вначале наносить на упаковочный материал защитные лакокрасочные слои (на бумагу и картон - офсетным способом, на полимерные пленки - глубоким или флексо-графским способом печати), затем слой белого грунта, а потом — многокрасочное изображение. При этом коэффициент пропускания снижается до 2 - 5 %.

8. Соединение различных полимерных пленок, бумаги, картона и др. позволяет получить многослойные упаковочные системы, превосходящие по защитным свойствам исходные материалы в видимой области спектра 400 - 750 нм. Такие модели позволяют прогнозировать поведение синтезированных моделей под конкретный пищевой продукт определенного состава.

9. Разработаны методические и практические рекомендации по использованию методики и результатов исследования в учебном процессе для студентов специальности 261201.65 «Технология и дизайн упаковочного производства» при постановке и проведении лабораторных работ по учебным курсам «Технология производства упаковки», «Тара и ее производство», «Оборудование и оснастка упаковочного производства», «Оборудование для производства рекламно-сувенирной и упаковочной продукции», «Процессы и аппараты упаковочного производства».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Будникова, Ольга Александровна, 2008 год

1. Ильясов, С.Г. Физические основы инфракрасного облучения пищевых продуктов/Ильясов С.Г., Красников В.В. М.: Пищевая промышленность, 1978. - 360 с.

2. Ильясов, С.Г. Оптические защитные свойства упаковочных материалов/Лара и упаковка. 2003, №2. С. 46.

3. Ильясов, С.Г. Экспериментальные методы определения оптических характеристик полиграфических и упаковочных материалов//Изв. ВУЗов. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2003, №1. С. 84-95.

4. Лыков, A.B. Теория тепло- и массопереноса/Лыков A.B., Михайлов Ю.А.М.; Л, 1963.

5. Долацис, Я.А. Воздействие ИК-излучения на древесину/Долацис Я.А., Ильясов С.Г., Красников В.В. Рига: Изд-во "Зинатне". 1973. - 275 с.

6. S.G. Ilyasov and V.V. Krasnikov. Physical principles of infrared irradiation of foodstufes. Hemisphere Publishing Corporation. New York, Washington, Philadelphia, London. 1991. pp.-397.

7. Амарцумян, B.A. К задачам многократного рассеяния света в плоскопараллельной среде с внутренним отражением от граничной поверхности. Уч. зап. ЛГУ, с. матем., 1964, вып. 37, с. 3-11.

8. Белов, Г.Я. Оптические характеристики многослойного покрытия и полупрозрачного пакета из поглощающих и рассеивающих материалов с диффузно отражающими границами раздела. Теплофизика высоких температур, 1974, т.12, № 6, с. 1228-1233.

9. Гарчева, Т.В. Распространение лучистой энергии в растительных восках/Гарчева Т.В., Ильясов С.Г., Красников В.В.- Научные труды ВИХВП, Пловдив (НРБ), 1976, т. 23, № 3, с. 91-99.

10. Иванов, В.В. Перенос излучения в многослойной оптически толстойатмосфере. I, И, Уч. зап. ЛГУ, 1976, № 385, с.3-23; с. 23-29.

11. П.Ильясов, С.Г. Методы определения оптических и терморадиационных характеристик пищевых продуктов/Ильясов С.Г., Красников В.В. М.: Пищевая промышленность, 1972. 175 с.

12. Ильясов С.Г. Теоретические основы инфракрасного облучения пищевых продуктов: Докторской дис. М.: МТИПП. 1977.- 450 с.

13. Кард, П.Г. Теория многослойных несимметричных отражателей. Оптика и спектроскопия, 1961, т. 10, №3, с. 384-389.

14. Топорец, А.С. Методы и аппаратура для измерения диффузного отражения. Спектроскопия светорассеивающих сред. Минск: Изд. АН БССР. 1963. С. 159.15.0цисик, М.Н. Сложный теплообмен. М., «Мир», 1976. 616 с.

15. Жаринов, А.И. Проницаемость полимерных упаковочных пленок для интегральных потоков ИК-излучения/Жаринов А.И., Жуков Н.Н. -Известия вузов. Пищ. технология, 1971, №1.

16. Чекалинская, Ю.И. Распространение излучения внутри порошкообразного слоя, ИФЖ, 1960, т. 3, №7, с. 43-50.

17. Cunnington G.R., Tien C.L. A Study of Heat-Transfer Processes in Multilayer unsulations. Thermophys: Appl. Therm. Des. Spacecraft, N.-Y.-L, 1970, vol. 23, pp. 111-126.

18. Pegis R.J. An Exact Design Method for Multilayer Dielectric Films. JOSA, 1961, vol. 51, №11, pp. 1255-1264.

19. Stokes G.G. On the intensity of light reflected from or transmitted through a pill of plates. Proc. Roy. Soc., London, 1860-62, vol. 11, p. 545. Mathem. Physic. Pap. 1904, vol. 4, p. 145.

20. Ильясов, С. Г. О возможности комплексного определения радиационных свойств материалов/Ильясов С. Г., Красников В. В., Фридзон М. Б., Шляхов В.И.—Метеорология и гидрология, № 10, 1968, с. 96 100.

21. Селюков, Н.Г. Исследование оптических свойств пищевых продуктов, подвергаемых обработке терморадиацией. Диссертация, МТИПП, М.,1968.

22. Schülze R. Über die Vermendung von Polyäthylen für Strahlungmessungen.-Archiv für Meteorologie, Geophysik und Bioklimatologie, SB, B. 11, H. 2, 1961.

23. Костяной, Г.Н. Актинометрический радиозонд АРЗ-ЦАО.- Труды ЦАО, вып. 84, 1968.

24. Шляхов, В.И. О спектральных коэффициентах пропускания полиэтилена/Шляхов В.И., Костяной Г.И., Фридзон М.Б., Ильясов С.Г.// Метеорология и гидрология. Приборы, наблюдения, обработка, № 9,1969.

25. Рабинович, Г.Д. Терморадиационная и конвективная сушка лакокрасочных покрытий/Рабинович Г.Д., Слободкин JI.C. Минск: Наука и техника, 1966.- 172 с.

26. Ильясов, С.Г. Теоретические основы инфракрасного облучения пищевых продуктов: Докторская дис. М.: МТИПП. 1977. 450 с.

27. Гарчева, Т.В. Исследование оптических свойств продуктов вкусовой промышленности Болгарии: Автореферат канд. дис. — МТИПП, 1978. 18 с.

28. Электрофизические, оптические и акустические характеристики пищевых продуктов /И.А. Рогов, В.Я. Адаменко, C.B. Некрутман, С.Г. Ильясов и др.; под ред. И.А. Рогова. М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1981. - 288 с.

29. Тюрев, Е.П. Эффективность тепло-технологических процессов обработки пищевых продуктов ИК излучением. Докт. дисс. М., 1990.

30. Ильясов, С.Г. Экспериментальные методы определения оптических характеристик полиграфических и упаковочных материалов//Изв. ВУЗов. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2003, №1.

31. Ильясов, С.Г. Исследование оптических защитных характеристик полиграфических и упаковочных материалов/Ильясов С.Г., Будникова О.А.//Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2003.-№4.-С. 3-10.

32. Ильясов, С.Г. Исследование оптических характеристик полиэтилена/Ильясов С.Г., Будникова O.A. //Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2004. №2. - С. 48-56.

33. Ильясов, С.Г. Оптические защитные характеристики материалов для упаковки макаронных изделий/Ильясов С.Г., Чернов М.Е., Грошев А.Ю., Будникова О.А.//Пищевая промышленность. 2005. - № 1. С. 56-57.

34. Ильясов, С.Г. Исследование оптических характеристик многослойных упаковочных материалов/Ильясов С.Г., Будникова O.A., Унэнбат Батжаргал. //Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2005.-№3. С. 3-13.

35. Ильясов, С.Г. Многокрасочная печать на многослойных упаковочных материалах с заданными защитными оптическими свойствами/Ильясов С.Г., Будникова O.A., Ерпулева В.М., Токарев А.Н.//Вестник МГУП. «МГУП-75 лет». М., МГУП, 2005. - № 10. С. 45-46.

36. Ильясов, С.Г. Методы определения оптических характеристик полиграфических и упаковочных материалов. — М.: МГУП, 2005. 288 с.

37. Будникова, O.A. Определение оптических защитных характеристик многослойных упаковочных материалов/ТМатериалы Первой Конференция аспирантов и молодых ученых. — М., МГУП. — 2006. № 6. С.- 17-19.

38. Ильясов, С.Г. Перенос энергии электромагнитного излучения в многослойных материалах полиграфического и упаковочного производства. //Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела.- 2005.-№1. С. 15-39.

39. Ильясов С.Г. Оптические защитные свойства упаковочных материалов//Тара и упаковка. 2003. - №2. - С. 46.

40. Ильясов, С.Г. Экспериментально-аналитические методы определения спектральных оптических характеристик материалов слоев упаковки/Ильясов С.Г., Будникова О.А.//Вестник МГУП. 2006. - № 2. -С. 12-21.

41. Ильясов, С.Г. Разработка и создание новых упаковочных материалов с заданными защитными оптическими свойствами/Ильясов С.Г., Будникова O.A., Матвеева Т.Д.//Вестник МГУП.-2007.- № 5. С. 153-161.