کاربرد پلی اتیلن در بسته بندی مواد غذایی
پلی اتیلن که اغلب پلیتن نامیده می شود، نوعی پلاستیک است که مصرف کنندگان آن را به خوبی می شناسند و در سراسر جهان نسبت به سایر پلاستیک ها استفادۀ بیشتری دارد. مجموع تولید پلاستیک جهانی با افزایش 12 درصدی از 158 میلیون تن به 180 میلیون تن بین سال های 1998-2000 افزایش یافت. در اروپای غربی در سال 2000، پلاستیک های پلی اتیلن 39 درصد از پلاستیک های استاندارد مصرفی را تشکیل دادند و در مجموع به 11.7 میلیون تن می رسیدند. پیش بینی می شود که رشد سالانه تقاضای این پلاستیک ها در غرب اروپا حدود 6 درصد باشد و کاربرد عمدۀ آن نیز همچنان در صنعت بسته بندی است. بطور معمول، بیش از 50 درصد از پلاستیک های بسته بندی در خرده فروشی مواد غذایی و مراکز تهیه غذا مصرف می شود. کاربرد پلی اتیلن به دلیل هزینه نسبتآ کم، خواص همه کاره و حتی سهولت در پردازش بعنوان یک پلاستیک در بسته بندی مواد غذایی کاربرد گسترده ای دارد. اگرچه این نوع پلاستیک ها برای اولین بار بیش از 50 سال پیش تولید شدند، اما توسعه ساخت و فرآوری همچنان به بهبود خواص، عملکرد و کاربردهای آن ادامه می دهد.
پلی اتیلن بعنوان یک ترموپلاستیک مؤلفۀ اصلی در پلیمرهای کلاس پلی الفین است. در سال 1933 دانشمندان در آزمایشگاه ICI در بریتانیا بطور تصادفی کشف کردند که با اعمال فشار زیاد روی پلی اتیلن، یک مادۀ پلیمری موم مانند تشکیل می شود. این کشف در اواخر دهه 1930 منجر به فرایندهای رادیکال آزاد شد که در فشارهای بالا و همچنین دمای بالا برای تولید پلیمرهای اتیلن شاخه ای که اکنون امروزه بعنوان پلی اتیلن چگالی کم (LDPE) شناخته می شود، عمل می کنند. این پیشرفت ها در اوایل دهه 1940 مورد استفاده قرار گرفتند؛ زمانی که پلیمرها بعنوان مواد عایق الکتریکی بسیار کارآمد استفاده می شدند و نقش قابل توجهی نیز در ایجاد سیستم های راداری هوابرد داشتند. پلاستیک های پلی الفین تولید شده امروزی بر پایه خانواده ای از پلیمرهای مشتق شده از اتیلن و کومونومرهای مختلف الفین آلفا من جمله پروپن (پروپیلن) ، بوتن، هگزن و اکتن هستند. آنها پرمصرف ترین پلاستیک برای صنعت بسته بندی هستند. سایر کوپلیمرهای پلی اتیلن در ترکیب با مونومرهایی مانند وینیل استات محصول اتیلن وینیل استات و اکریلیک های مختلف تولید می کنند و برای مثال، کوپلیمرهایی به نام آینومرها نیز تولید می شوند. در اینجا کوپلیمرهای اتیلن تولید شده با مونومرهای غیر آلکن ذکر نشده اند. کوپلیمرهای دارای پروپن (پروپیلن) در گزارش ILSI اروپا بعنوان مادۀ مناسب در بسته بندی مواد غذایی و نوشیدنی ذکر شده اند. پلی اتیلن اصلی (LDPE) با دو نوع پر کاربرد دیگر تکمیل شده است؛ پلی اتیلن چگالی بالا (HDPE) و پلی اتیلن چگالی پایین خطی (LLDPE). دیگر طبقه بندی ها اغلب برای پلیمرهای پلی اتیلن خاص همچون پلی اتیلن چگالی بسیار پایین (VLDPE) و پلی اتیلن چگالی متوسط (MDPE) استفاده می شود که اغلب در انتهای پلیمرهای چگالی بالای LDPE، پلی اتیلن با وزن مولکولی فوق العاده بالا (UHMWPE) و پلی اتیلن متقاطع هستند. همانطور که از نام انواع پلی اتیلن پیداست، خواص فیزیکی اصلی که تفاوت بین آنها را مشخص می کند همان چگالی است. تفاوت در چگالی اساسآ به دلیل تفاوت در میزان تبلور است که محدودۀ نقطۀ ذوب پلاستیک را نیز تحت تأثیر قرار می دهد. پلاستیک های پلی اتیلن عمومآ از خواص مفیدی همچون چقرمگی، استحکام کششی بالا و مانع رطوبت خوب برخوردار هستند. یکی از خواص مهم این پلاستیک ها که به دلیل محدودۀ نقطۀ ذوب نسبتآ پایین آنها است، سهولت در عایق بندی حرارتی است. خواص بازدارندگی پلاستیک های پلی اتیلن در برابر اکسیژن و مواد آلی متوسط است. این خواص همراه با خواصی مانند شفافیت و سختی با پارامترهای پایه پلی اتیلن چگالی/ تبلور، وزن مولکولی و توزیع مولکولی متفاوت است.
همه پلیمرهای الفین مستعد تجزیه اکسیداتیو هستند؛ بویژه در دماهای بالا که برای پردازش استفاده می شوند. اکسیداسیون با پلی اتیلن ها منجر به تشکیل شاخه هایی با زنجیره بلند و ایجاد اتصالات عرضی می شود؛ بنابراین، فرمولاسیون تمام پلاستیک های پلی اتیلن تجاری حاوی آنتی اکسیدان های مؤثر است. همچنین ادعا شده است که HDPE یک کشف تصادفی در فیلیپس پترولیوم در اوایل دهه 1950 است. محققان فیلیپس دریافتند که پلیمر پلی اتیلن با درجه تبلور بالا و چگالی نسبتآ بالا تحت فشارهای پایین تر در محدودۀ 3-4 مگاپاسکال و دماهای بین 70-100 درجه سلسیوس با کاتالیزورهای حاوی اکسید کروم پشتیبانی شده بر روی سیلیکا (کاتالیست فیلیپس) تولید می شود. در سال 1953، زیگلر پلیمرهای پلی اتیلن با تبلور و چگالی مشابه با سیستم کاتالیزوری مبتنی بر هالیدهای تیتانیوم و ترکیبات آلکیلو آلومینیوم (کاتالیست های زیگلر) و حتی با شرایط ملایم تر فشار اتمسفر و دماهای 50-100 درجه سلسیوس تولید کرد. پلیمرهای تولید شده با هر دو کاتالیزور فیلیپس و زیگلر بطور قابل توجهی خطی بودند و فقط زنجیره های جانبی کوتاهی داشتند که عمدتآ اتیلن بودند؛ به عبارت دیگر، پیشگامان محدودۀ پلیمرهای HDPE بودند که امروزه بعنوان پلیمرهای خطی تولید می شوند. پلی اتیلن های خطی با چگالی کم (LLDPE) نیز همانطور که از نام آنها پیداست، عمدتآ پلیمرهای خطی هستند اما دارای زنجیره های جانبی هستند که طول آنها به کومونومر بکار رفته در ساخت من جمله بوتن، هگزن و اکتن بستگی دارد. چگالی براساس مقدار و نوع کومونومر کنترل می شود که معمولآ از 2.5-3.5 درصد مول متغیر است. مادۀ شیمیایی اصلی مورد استفاده برای تولید گستردۀ پلیمرهای پلی اتیلن، مونومر اتیلن (اتن) است. کومونومرها برای اصلاح خواص پلیمرهای الفین همچون بوتن، هگزن و اکتن هستند. انواع مختلف پلیمرهای پلی اتیلن با پلیمریزاسیون اتیلن یا به تنهایی که هموپلیمر را تولید می کند، یا با مونموهای الفین آلفا ذکر شده در بالا که کوپلیمرهای الفین را تولید می کند، تولید می شوند.LDPE از مونومر پلی اتیلن در فشارهای بالای 100-135 مگاپاسکال، در دمای بین 150-300 درجه سلسیوس در حضور مقدار کمی اکسیژن یا یک پراکسید آلی تولید می شود. دو فرایند راکتور اتوکلاو و راکتور توبولار در حال استفاده هستند. چگالی یا تبلور پلیمر حاصل شده با دمای واکنش استفاده شده تعیین می شود؛ هر چه دمای واکنش کمتر باشد، چگالی بالاتر است. سایر خواص مهم پلیمر مانند وزن مولکولی، توزیع وزن مولکولی در فرایند استفاده شده و همچنین با کمک غلظت عوامل انتقال زنجیره کنترل می شوند.
همانطور که در بالا گفته شد، پلی اتیلن در دمای بالا که در حین پردازش به اشکال مختلف در انواع بسته بندی استفاده می شود، معمولآ در محدوده دمایی 180-280 درجه سلسیوس مستعد اکسیداسیون است. بنابراین آنتی اکسیدان ها برای جلوگیری از تخریب اکسیداتیو پلیمر ضروری هستند. دو نوع آنتی اکسیدان اصلی، فنولیک و فسفیت، در غلظت های 0.01-0.5 درصد وزنی استفاده می شوند. آنتی اکسیدان های فنلی نیز بعنوان تثبیت کننده عمل می کنند. در فیلم ها نیز خواص خاص لغزشی (اصطکاک) و مسدود کردن (لایه های فیلم به هم چسبیده) بایستی برای جابجایی مؤثر و مناسب در حین ساخت و پردازش در فرایند بسته بندی نهایی افزایش یابد. افزایش این خواص با افزودن عوامل لغزش و فیلر دارای ذرات ریز و مناسب به پلیمر حاصل می شود. عوامل لغزش معمولی آمیدهای اسید چرب اولامید و اروکامید هستند که پس از ساخت در سطح فیلم پراکنده می شوند. دی اکسید تیتانیوم و کربنات کلسیم معمولآ برای تولید پلاستیک های سفید استفاده می شوند. گنجاندن کربنات کلسیم در پلیمر همچنین خواص سفتی، سختی، قابلیت چاپ و نفوذپذیری اکسیژن و بخار آب را بهبود می بخشد. پلاستیک های پلی اتیلن مانند اکثر پلاستیک ها تمایل به تجمع بارهای ساکن روی سطح دارند؛ این می تواند منجر به بروز مشکلاتی در انتقال و انباشته شدن آلودگی روی بسته بندی نهایی شود که بر ظاهر خارجی فیلم، بطری یا ظرف تأثیر می گذارد. برای به حداقل رساندن این مشکل، از عوامل آنتی استاتیک استفاده می شود. عوامل آنتی استاتیک معمولی مورد استفاده با پلاستیک های پلی اتیلن شامل استرهای پلی اتیلن گلیکول، گلیسرول مونو استئارات و آمین های ثانویه اتوکسیله شده هستند که در غلطت های 0.1-0.5 درصد وزنی به پلیمر اضافه می شوند. این عوامل از خواص آبدوستی و حلالیت محدود در پلیمر برخوردار هستند که منجر به مهاجرت آنها به سطح پلاستیک می شود و در آنجا فعال می شوند. آنها همچنین می توانند بصورت خارجی روی فیلم ها و ظروف بعنوان محلول های آبی یا الکلی اعمال شوند. مقادیر مهاجرت گزارش شده برای پلاستیک های پلی اتیلن در همه اشکال مانند فیلم ها، گلدان ها، وان ها و سایر ظروف با همه چهار شبیه ساز غذای استاندارد معمولآ بسیار کمتر از حد مهاجرت کلی نظارتی 10 میلی گرم/ دسی متر و هرگونه محدودیت مهاجرت برای مونومرها است. مطالعات دیگری نیز داده هایی از مهاجرت آنتی اکسیدان ها از پلاستیک های پلی اتیلن با شبیه سازی های غذایی استاندارد در شرایط مختلف گزارش کرده اند.
