Одноразові порційні чашки PP проти PS: які є більш термостійкими?

2.1 Основні властивості ПП матеріалу

ПП (поліпропілен) — термопластичний полімер, отриманий шляхом ланцюгової полімеризації мономерів пропілену. Його молекулярна структура визначає чудову термостійкість. Молекулярний ланцюг РР має дуже регулярну стереоструктуру, як правило, ізотактичну або синдіотактичну, і ця регулярність надає матеріалу хорошу кристалічність. Молекулярний ланцюг PP містить бічні метильні групи, які, хоча і невеликі за об’ємом, відіграють ключову роль у підвищенні термічної стабільності полімеру.

З точки зору фізичних властивостей ПП є напів-кристалічним полімером із кристалічністю зазвичай від 50% до 65%. Така висока кристалічність не тільки підвищує щільність і жорсткість матеріалу, але також значно підвищує його термостійкість. Щільність ПП становить приблизно 0,90-0,91 г/см³, це одна з найнижчих щільностей серед усіх пластмас. Ця характеристика низької щільності робить вироби з ПП легкими, зберігаючи хорошу механічну міцність.

З точки зору теплових властивостей, ПП демонструє чудову термостійкість. Його температура плавлення зазвичай становить 160-175 градусів, дещо змінюючись залежно від сорту та кристалічності. Що ще важливіше, PP має високу температуру теплового спотворення (HDT), як правило, між 100-120 градусами, а деякі модифіковані марки можуть досягати навіть 145 градусів. Температура склування (Tg) поліпропілену відносно низька, приблизно від -10 градусів до -20 градусів, що означає, що поліпропілен зберігає хорошу жорсткість і міцність за кімнатної температури.

ПП також чудово працює з точки зору хімічної стабільності, демонструючи добру стійкість до більшості хімічних речовин, особливо відмінну корозійну стійкість до кислот, лугів і солей. Ця хімічна інертність робить поліпропілен безпечним для упаковки харчових продуктів. Крім того, молекулярна структура PP не містить функціональних груп, чутливих до термічної деградації, таких як фенольні групи, що ще більше підвищує її термічну стабільність.

2.2 Основні характеристики матеріалу ПС

ПС (полістирол) — це термопластичний полімер, утворений полімеризацією мономерів стиролу, його молекулярна структура принципово відрізняється від структури ПП. Молекулярний ланцюг PS має структуру від -до -хвоста, з насиченим вуглецевим ланцюгом як головним ланцюгом і структурою сполученого бензольного кільця як бічної групи. Ця структурна характеристика надає молекулярному ланцюгу PS значної жорсткості, оскільки плоска жорстка структура бензольного кільця та його великі стерічні перешкоди обмежують внутрішнє обертання молекулярного ланцюга.

PS є типовим аморфним полімером, головним чином тому, що наявність бічних фенільних груп робить молекулярну структуру нерегулярною, що ускладнює формування впорядкованої кристалічної структури. Щільність ПС становить приблизно 1,04-1,06 г/см³, трохи вище, ніж у ПП, що пов’язано з наявністю бензольних кілець у його молекулярній структурі. ПС має відмінну прозорість і блиск, з ліг

З точки зору теплових властивостей, PS працює відносно погано. Температура склування (Tg) PS є відносно високою, зазвичай між 80-105 градусами, в основному через підвищену жорсткість молекулярного ланцюга, спричинену наявністю бензольних кілець. Однак полістирол (PS) має відносно низьку температуру теплової деформації (HDT). HDT-загального призначення PS (GPPS) зазвичай становить 70-90 градусів, тоді як ударостійких PS (HIPS) трохи нижчий, 60-80 градусів. PS має широкий діапазон температур плавлення, як правило, між 150-180 градусами, тоді як температура його термічного розкладання може досягати вище 300 градусів.

PS демонструє середню хімічну стабільність і низьку стійкість до органічних розчинників, легко набухаючи або розчиняючись. Водночас ПС схильний до окислювальної деструкції при високих температурах, а при ультрафіолетовому опроміненні процес старіння прискорюється. Механічні властивості полістиролу характеризуються високою жорсткістю, але низькою в'язкістю, що обмежує його використання в додатках, які вимагають ударної стійкості.

2.3 Механізм впливу молекулярної структури на термостійкість

Різниця в термостійкості між PP і PS фундаментально пов’язана з їхніми різними молекулярними структурами. Будучи напів-кристалічним полімером, правильне розташування молекулярних ланцюгів PP і його висока кристалічність є основними причинами його чудової термостійкості. Наявність кристалічних областей обмежує рух молекулярних ланцюгів, вимагаючи більшої енергії для розриву цієї впорядкованої структури; отже, PP має вищу температуру плавлення та температуру теплового спотворення.

Хоча метильні бічні групи в молекулярному ланцюзі ПП збільшують стеричну перешкоду, ці метильні групи взаємодіють через сили Ван-дер-Ваальса, посилюючи міжмолекулярні сили та покращуючи термічну стабільність матеріалу. У той же час структура насиченого вуглецевого ланцюга PP забезпечує йому хорошу хімічну інертність, роблячи його менш схильним до реакцій окислення або деградації при високих температурах.

Навпаки, не{0}}кристалічна структура полістиролу є основною причиною його низької термостійкості. Хоча наявність бензольних кілець підвищує жорсткість молекулярного ланцюга та температуру склування, ця жорстка структура також робить молекулярний ланцюг схильним до концентрації напруги при високих температурах, що призводить до крихкості матеріалу. У той час як фенільні бічні групи в PS підвищують жорсткість молекулярного ланцюга, вони також зменшують його гнучкість, роблячи його схильним до руйнування під час термічного навантаження.

Крім того, структура бензольного кільця в молекулярному ланцюзі PS схильна до реакцій окислення за високих температур, особливо в -насиченому киснем середовищі, що прискорює процес деградації. Дослідження показують, що полістирол може розкладатися на мономери стиролу та інші -з’єднання-з низькою молекулярною масою при 200 градусах, і ці продукти розкладання можуть впливати на здоров’я людини.

3.1 Довго{1}}температурний діапазон експлуатації

З точки зору тривалої -температури експлуатації PP і PS мають значні відмінності. Згідно з даними багатьох досліджень, довгостроковий температурний діапазон ПП зазвичай становить -від 20 до 120 градусів, а деякі високоякісні-класи ПП можна навіть використовувати протягом тривалого часу при температурі понад 120 градусів. Цей температурний діапазон дозволяє поліпропілену відповідати потребам більшості застосувань для упаковки харчових продуктів, включаючи гаряче наповнення, зберігання при високій температурі та мікрохвильове нагрівання.

Довгострокова -термостійкість ПП здебільшого зумовлена ​​його високою кристалічністю та стабільною молекулярною структурою. У діапазоні температур 100-120 градусів ПП може зберігати хороші фізичні властивості та хімічну стабільність без значної деформації чи деградації. Особливо в додатках, що контактують з харчовими продуктами, ПП вважається одним із найбезпечніших пластикових матеріалів і може використовуватися протягом тривалого часу в умовах високої температури без виділення шкідливих речовин.

Навпаки, довгостроковий температурний діапазон PS матеріалу значно нижчий, зазвичай від -40 до 90 градусів, але в реальних умовах не рекомендується перевищувати 60{7}}80 градусів. PS може почати розм’якшуватися та деформуватися вище 70 градусів, а тривале-використання у високотемпературному середовищі призведе до значного зниження характеристик матеріалу. Це температурне обмеження в основному пов’язане з некристалічною структурою PS і відносно слабкими міжмолекулярними силами.

Варто відзначити, що продуктивність ПС сильно відрізняється при різних температурах. Дослідження показали, що після 24 годин зберігання при температурі 70 градусів механічні властивості листів полістиролу значно погіршуються, а під час подальшого використання можуть утворюватися тріщини. При 30 градусах PS листи демонструють найкращі загальні характеристики, включаючи максимальне напруження та подовження при розриві.

3.2 Межа короткочасної -термостійкості

З точки зору обмеження короткочасної термостійкості ПП також має кращі показники, ніж ПС. Межа короткочасної термостійкості PP матеріалу зазвичай становить 130-150 градусів, а деякі спеціально модифіковані марки можуть навіть досягати 170 градусів. Ця короткочасна -термостійкість дозволяє поліпропілену витримувати високу температуру обробки, як-от гаряче наповнення та стерилізацію парою.

Межа короткочасної термостійкості ПП в основному обмежується його температурою плавлення. Коли температура наближається або перевищує температуру плавлення PP (160-175 градусів), матеріал починає розм'якшуватися, деформуватися або навіть плавитися, втрачаючи свою первісну структуру та механічні властивості. Однак у діапазоні температур нижче температури плавлення термостійкість ПП, як правило, не знижується значно, і він може підтримувати хороші характеристики.

Межа короткочасної термостійкості матеріалу PS відносно низька, зазвичай становить 90–110 градусів. Коли температура перевищує 90 градусів, PS може зазнати значних деформацій, і він значно розм'якшиться при 100 градусах. Ця температурна чутливість обмежує використання полістиролу в додатках, де потрібна стійкість до високих температур.

Межа короткочасної термостійкості полістиролу в основному обмежується його температурою склування та температурою теплового спотворення. При наближенні температури до Tg рухливість молекулярних ланцюгів ПС зростає, і матеріал починає втрачати жорсткість; коли температура досягне температури теплового викривлення, матеріал зазнає значної деформації під навантаженням.

3.3 Порівняння температури теплового спотворення (HDT).

Температура теплової деформації (HDT) є важливим показником для вимірювання здатності пластикових матеріалів протистояти деформації під певними навантаженнями, а також ключовим параметром для оцінки термостійкості матеріалів. Згідно з міжнародними стандартами ASTM D648 та ISO 75, випробування HDT зазвичай проводяться за двох умов навантаження: 1,82 МПа та 0,45 МПа.

За стандартних умов тестування PP і PS показують значні відмінності в HDT. HDT матеріалу PP зазвичай становить 100-120 градусів при навантаженні 0,45 МПа та 50-60 градусів при навантаженні 1,82 МПа. Деякі високоефективні марки ПП, такі як HJ730 і HJ730L Hanwha Total, можуть досягати HDT 125 градусів. Після модифікації шляхом додавання 30% порошку тальку та інших наповнювачів HDT PP може бути додатково збільшений приблизно до 145 градусів.

HDT матеріалу PS є відносно низьким. PS загального-призначення (GPPS) має HDT 70-90 градусів під навантаженням 0,45 МПа та 60-80 градусів під навантаженням 1,82 МПа. Ударостійкий полістирол (HIPS), завдяки додаванню гумових компонентів, має трохи нижчий HDT, коливається від 60-80 градусів при навантаженні 0,45 МПа.

Різниця в HDT безпосередньо відображає здатність двох матеріалів зберігати жорсткість при високих температурах. Завдяки своїй напів-кристалічній структурі та сильним міжмолекулярним силам ПП може зберігати добру жорсткість за вищих температур, тоді як ПС через свою не-кристалічну структуру та відносно слабкі міжмолекулярні сили виявляє значну деформацію за нижчих температур.

3.4 Порівняння точки розм’якшення Віка (VST).

Точка розм'якшення Віка (VST) є ще одним важливим показником термостійкості, що відображає температуру, при якій матеріал починає розм'якшуватися в певних умовах. Для тестування VST зазвичай використовується навантаження 10 Н (метод A50) або 50 Н (метод B120) зі швидкістю нагрівання 50 градусів/год або 120 градусів/год відповідно.

Точка розм’якшення Віка PP матеріалів зазвичай становить 120-150 градусів, конкретне значення залежить від умов випробування та класу матеріалу. Наприклад, зразок ПП мав температуру розм’якшення Віка 124,3 градуса під навантаженням 50 Н і швидкість нагрівання 50 градусів / год. Деякі високоефективні марки поліпропілену можуть досягати точки розм’якшення Віка 150 градусів або навіть вище.

Діапазон точки розм’якшення Віка для PS матеріалів зазвичай становить 85-105 градусів, причому на конкретне значення також впливають умови випробування та тип матеріалу. PS загального призначення зазвичай має точку розм’якшення Віка між 90-100 градусами, тоді як деякі спеціальні марки можуть дещо відрізнятися.

Існує певна кореляція між VST і HDT; зазвичай VST вище, ніж HDT, оскільки розм'якшення поверхні зазвичай відбувається перед загальною деформацією. Для того самого матеріалу співвідношення VST до HDT зазвичай становить від 1,1 до 1,3. Різниця між PP і PS з точки зору VST також відображає їх фундаментальні відмінності в молекулярній структурі і теплових властивостях.

3.5 Зміни фізичних властивостей при високих температурах

В умовах високої-температури ПП і ПС зазнають змін у своїх фізичних властивостях, але ступінь і форма цих змін суттєво відрізняються. ПП демонструє відносно невеликі зміни в характеристиках при високих температурах, що в основному проявляється у вигляді поступового зменшення модуля та міцності без раптового погіршення характеристик.

Дослідження показують, що зміни механічних властивостей ПП при високих температурах тісно пов'язані з його кристалічністю. З підвищенням температури кристалічні області ПП поступово розм’якшуються, що призводить до зменшення модуля та міцності, але ця зміна є поступовим процесом. Нижче 100 градусів зміни продуктивності PP зазвичай незначні; коли температура перевищує 120 градусів, погіршення продуктивності прискорюється, але матеріал все ще може зберігати певні корисні властивості.

Зміни продуктивності PS при високих температурах більш різкі. Коли температура наближається до температури склування, модуль PS різко падає, і матеріал переходить із твердого стану в гнучкий. Ця зміна раптова і часто відбувається в невеликому діапазоні температур, що призводить до значного зміни продуктивності.

Високі температури також впливають на властивості теплового розширення обох матеріалів. Коефіцієнт теплового розширення PP зазвичай знаходиться в діапазоні 5-10 × 10⁻⁵/градус, тоді як коефіцієнт теплового розширення PS трохи вищий, приблизно 6-8 × 10⁻⁵/градус. Цю різницю необхідно враховувати при проектуванніодноразові порційні стакани, особливо коли їх потрібно використовувати в поєднанні з іншими матеріалами.

Крім того, високі температури також впливають на теплопровідність матеріалів. Дослідження показали, що деякі пластики, як-от полістирол, демонструють покращену теплопровідність за високих температур, але цього все ще недостатньо, щоб задовольнити потреби високо-додатків керування температурою. Навпаки, теплопровідність ПП змінюється менше при високих температурах, зберігаючи відносно стабільні теплоізоляційні властивості.

4.1 Проблеми фактичних температур використання

Одноразові порційні чашки стикаються з різними температурними проблемами під час фактичного використання, що висуває особливі вимоги до термостійкості матеріалів. По-перше, це процес гарячого наповнення; різні типи соусів мають різні вимоги до температури наповнення. Відповідно до промислових даних, температура наповнення чистої томатної пасти зазвичай становить 85-92 градуси, фруктового джему — 80-88 градусів, соусу чилі — 85-90 градусів, бобової пасти — 85-90 градусів, тоді як температура наповнення соєвого соусу відносно нижча — 75-80 градусів.Ці температури гарячого наповнення безпосередньо накладають вимоги до термостійкості матеріалу одноразової порційної чашки. Завдяки високій термостійкості матеріал PP може легко витримувати ці температури без деформації або погіршення продуктивності. Дослідження показують, що одноразові порційні чашки з ПП можуть витримувати температуру вище 100 градусів, задовольняючи потреби гарячого наповнення. Проте матеріал PS може розм’якшитися та деформуватися під впливом температури наповнення вище 80 градусів.

По-друге, існує сценарій мікрохвильового нагріву. З ростом популярності їжі на винос і фаст-фуду все більше одноразових порційних стаканчиків потребують мікрохвильової печі. PP – це єдиний пластиковий матеріал, який можна безпечно використовувати в мікрохвильовій печі, з діапазоном температурної стійкості від -20 градусів до 120 градусів, що повністю відповідає потребам мікрохвильового нагріву. PS матеріал через низьку термостійкість не підходить для мікрохвильового нагрівання, оскільки це може призвести до деформації ємності або навіть виділення шкідливих речовин.

По-третє, умови зберігання-за високої температури. У деяких сценаріях застосування одноразові порційні чашки може знадобитися зберігати в -високотемпературних середовищах, наприклад у салоні автомобіля під час літнього транспортування, де температура може сягати 50-60 градусів або навіть вище. Матеріал PP зберігає стабільну продуктивність при цих температурах, тоді як матеріал PS може почати відчувати зміни продуктивності вище 60 градусів.

4.2 Аналіз застосовності гарячого наповнення

Гаряче наповнення — важливий етап у виробництві соусу, що вимагає жорстких вимог до термостійкості, термічної стабільності та стабільності розмірів пакувального матеріалу. У процесі гарячого наповнення соус зазвичай наповнюється при температурі 75-95 градусів, потім закривається та охолоджується. Цей процес вимагає, щоб пакувальний матеріал витримував температурний стрибок, зберігав стабільність форми та не вступав у хімічну реакцію з вмістом.

ПП-матеріал чудово працює при-гарячому наповненні. Його висока термостійкість дозволяє поліпропіленовим контейнерам витримувати температуру наповнення понад 90 градусів без деформації. У той же час ПП має відносно низький коефіцієнт теплового розширення, зберігаючи хорошу стабільність розмірів при зміні температури. Дослідження показують, що поліпропілен зберігає чудову герметичність під час гарячого наповнення та не протікає внаслідок теплового розширення та звуження.

PS-матеріал має значні обмеження щодо-застосувань гарячого наповнення. Через низьку термостійкість контейнери з полістиролу можуть деформуватися під впливом температури наповнення вище 80 градусів, що впливає на зовнішній вигляд виробу та ефективність герметизації. Особливо при температурах наповнення вище 85 градусів, PS контейнери можуть сильно деформуватися або навіть розірватися. Тому PS матеріал, як правило, не рекомендується використовувати для соусів, які потребують гарячої начинки.

Крім прямих вимог до термостійкості, процес гарячого наповнення також вимагає матеріалів з хорошою хімічною стабільністю. Соуси зазвичай містять кислоти, солі, масла та інші компоненти, які можуть взаємодіяти з пакувальним матеріалом при високих температурах. Завдяки чудовій хімічній стабільності PP матеріал може протистояти ерозії цих компонентів. Проте полістирольний матеріал може набухати або руйнуватися під впливом певних хімічних речовин, що впливає на якість продукції.

4.3 Аналіз застосовності мікрохвильового нагрівання

Мікрохвильове нагрівання є важливим методом у сучасній обробці та споживанні харчових продуктів, що висуває особливі вимоги до пакувальних матеріалів щодо термостійкості та мікрохвильової прозорості. ПП-матеріал чудово працює в мікрохвильовій печі та наразі є єдиним загальновизнаним пластиковим матеріалом, -безпечним для мікрохвильової печі.

Застосовність мікрохвильового нагріву матеріалу PP в основному базується на таких характеристиках: по-перше, PP має хорошу мікрохвильову прозорість, що дозволяє мікрохвилям проникати та плавно нагрівати вміст; по-друге, ПП сам по собі не виділяє тепла під час мікрохвильового нагрівання, що дозволяє уникнути ризику перегріву контейнера; по-третє, термостійкість ПП дозволяє йому витримувати високі температури, які можуть бути досягнуті під час мікрохвильового нагрівання, як правило, вище 120 градусів.

У практичному застосуванні слід звернути увагу на деякі моменти використання під час розігріву в мікрохвильовій печі одноразових порційних стаканчиків із ПП. Під час нагрівання рекомендується відкривати кришку або залишати вентиляційний отвір, щоб уникнути розриву ємності через надмірний внутрішній тиск. Водночас слід уникати тривалого високотемпературного-нагрівання; як правило, час нагрівання не повинен перевищувати 3 хвилин, а температура не повинна перевищувати 120 градусів.

Навпаки, матеріал PS не підходить для мікрохвильового нагрівання. Через обмеження термостійкості контейнери з полістиролу схильні до деформації під час мікрохвильового нагрівання, особливо коли температура перевищує 70 градусів, коли може статися значне розм’якшення. Що ще важливіше, полістирол може виділяти шкідливі речовини при високих температурах, у тому числі мономери стиролу, що може вплинути на здоров’я людини.

Дослідження показали, що полістирольні контейнери не тільки фізично деформуються під час мікрохвильового нагрівання, але також можуть зазнавати хімічних змін, що призводять до деградації матеріалу та вивільнення шкідливих компонентів. Тому, щоб забезпечити безпеку харчових продуктів, одноразові порційні стакани PS не слід використовувати для нагрівання в мікрохвильовій печі.

4.4 Умови зберігання при високій{1}}температурі

Під час виробництва, транспортування та зберігання продукти з соусами можуть піддаватися різним-температурним середовищам, що є довготривалим-випробуванням на термостійкість пакувальних матеріалів. У літніх умовах із високою-температурою температура всередині транспортних засобів може досягати 50-60 градусів, а температура зберігання на складах може досягати 40-50 градусів. Ці температури є серйозними випробуваннями на стабільність роботи пакувальних матеріалів.

PP матеріал стабільно працює за-високих температурних умов зберігання. Висока термостійкість і хороша термічна стабільність дозволяють ПП-контейнерам зберігатися тривалий час у середовищі 50-60 градусів без значних змін продуктивності. Дослідження показали, що ПП зберігає хороші механічні властивості, хімічну стабільність і якість зовнішнього вигляду під час зберігання при високій температурі.

PS-матеріал відносно погано працює за високих{0}}температурних умов зберігання. У навколишньому середовищі вище 40 градусів PS контейнери можуть почати відчувати зміни продуктивності, включаючи зміни розмірів, пожовтіння поверхні та зниження механічних властивостей. Особливо в навколишньому середовищі вище 50 градусів погіршення продуктивності контейнерів з PS прискорюється, що може вплинути на зручність використання продукту та якість зовнішнього вигляду.

Висока-температура зберігання також може вплинути на хімічну стабільність матеріалу. У високо-температурному середовищі добавки до пластикових матеріалів, як-от стабілізатори, антиоксиданти та пластифікатори, можуть вийти з ладу або мігрувати, що призведе до зниження ефективності матеріалу. Завдяки відмінній хімічній стабільності та меншому використанню добавок, ПП має відносно менше проблем у цьому відношенні. Однак, завдяки особливостям своєї молекулярної структури, ПС є більш пронe до окисної деградації при високих температурах і вимагає додавання більшої кількості стабілізаторів, які можуть мігрувати або вийти з ладу при високих температурах.

4.5 Порівняння хімічної стабільності

Як харчовий продукт, соуси зазвичай містять різноманітні хімічні компоненти, включаючи органічні кислоти, солі, спеції та масла. Ці компоненти можуть взаємодіяти з пакувальними матеріалами при різних температурах. Тому хімічна стабільність пакувальних матеріалів є важливим фактором забезпечення якості та безпеки продукції. PP (поліпропілен) матеріал демонструє чудову хімічну стабільність, зокрема його гарну стійкість до кислот, лугів і солей. Дослідження показують, що PP може протистояти ерозії більшості інгредієнтів соусу, включаючи оцтову кислоту, лимонну кислоту, сіль і соєвий соус. Ця хімічна інертність насамперед пов’язана з насиченою вуглецевою структурою ланцюга та не-полярними характеристиками ПП, що зменшує ймовірність взаємодії з полярними речовинами.

На практиці поліпропіленові контейнери можуть зберігати соуси, що містять різні приправи, протягом тривалого періоду часу без зміни продуктивності або міграції компонентів. PP матеріал демонструє відмінну стійкість, особливо до соусів, що містять кислотні компоненти, такі як кетчуп і соус чилі. Це робить ПП кращим матеріалом для пакування кислих соусів.

PS (полістирол) матеріал є відносно слабшим з точки зору хімічної стабільності, зокрема його низька стійкість до органічних розчинників і деяких хімічних речовин. PS легко набухає під впливом маслянистих речовин і може зазнати змін у продуктивності під час контакту з масло{1}}соусами. У той же час полістирол може розтріскуватися під впливом певних хімічних речовин, що впливає на цілісність контейнера.

Особливо варто відзначити, що ПС може відчувати міграцію компонентів при контакті з певними інгредієнтами соусу. Дослідження показують, що коли контейнери PS містять соуси, що містять спеції або органічні розчинники, компоненти спецій можуть мігрувати в контейнер, впливаючи на смак продукту. Одночасно деякі компоненти PS можуть також мігрувати в їжу, впливаючи на безпеку їжі.