نانوکامپوزیت‌ها در صنعت بسته‌بندی

مقدمه:

استفاده از پلیمرها به دلیل خواص فیزیکی و مکانیکی، سبکی و فرآیندپذیری آسان در کنار مزیت‌های اقتصادی فراوان روز به روز گسترش می‌یابد. یکی از مهمترین کاربرد پلیمرها، در صنعت بسته‌بندی می‌باشد که امروزه دچار تحولات عظیم با تکنولوژی‌های روز شده است. شکل۱ سهم بازار جهانی مصرف پلیمرها در زمینه‌های متفاوت را نشان داده است. ویژگی‌های منحصربه فرد این دسته از مواد نسبت به فلزات، چوب، کاغذ و… در فرآیندپذیری، مصرف انرژی و بازیافت منجر شده که روز به روز میزان مصرف آن‌ها در صنعت بسته‌بندی بیشتر شود.

شکل ۱- سهم بازار جهانی مصرف پلیمرها در سال 2017

از آنجا که پلیمر خالص به تنهایی توانایی پاسخ به تمام نیازهای یک بسته‌بندی مطلوب از جمله جلوگیری از ورود و خروج گاز و رطوبت به بسته‌بندی، جلوگیری از رشد میکرو ارگانیسم‌ها، مقاومت به ضربه بالا و غیره را ندارد، فناوری نانو با تولید نانوکامپوزیت این مشکل را تا حدودی برطرف می‌کند. استفاده از نانوکامپوزیت‌ها در صنعت بسته‌بندی پلیمری یکی از پیشرفت‌های مهم در دهه‌های اخیر بوده است که باعث بهبود قابل توجهی در خواص مواد بسته‌بندی شده است. برخلاف بسته‌بندی‌های سنتی که باید از نظر واکنشی کاملا بی اثر می‌بودند، جدیدترین انواع بسته‌بندی به گونه‌ای طراحی شده‌اند که با محیط اطراف یا محتویات داخل بسته‌بندی برهمکنش داشته باشند. برای نمونه برخی از این بسته‌بندی‌ها حامل مواد مغذی هستند و بر ارزش غذایی مواد بسته‌بندی شده می‌افزایند. برخی از مزایای استفاده از نانوکامپوزیت‌ها در این حوزه عبارتند از:

افزایش مقاومت مکانیکی

افزودن نانوذرات به ماتریس پلیمری باعث افزایش استحکام و سختی مواد می‌شود. این ویژگی برای بسته‌بندی‌های نیازمند تحمل بار یا محافظت در برابر ضربه بسیار مفید است. همچنین افزودن این مواد امکان ایجاد محصول نازک‌تر و با وزن کمتر در کاربرد بسته‌بندی را نیز فرام می‌کند.

بهبود خواص مانع (Barrier Properties)

نانوذرات مانند خاک رس، سیلیکات‌ها، اکسیدهای فلزی و … می‌توانند با استفاده از افزایش پیچیدگی مسیر عبور، نفوذپذیری گازها، بخار آب و مواد معطر را کاهش دهند. این خاصیت برای افزایش عمر مفید مواد غذایی و جلوگیری از اکسیداسیون و فساد محصولات حساس به اکسیژن اهمیت زیادی دارد.

خواص ضدباکتری و ضدمیکروب

برخی نانوذرات مانند نقره و اکسید روی دارای خواص ضدباکتری هستند و می‌توانند برای تولید بسته‌بندی‌های فعال (Active Packaging) استفاده شوند که از رشد میکروارگانیسم‌ها، باکتری‌ها و قارچ‌ها روی مواد غذایی و بسته‌بندی جلوگیری می‌کند. همچنین این دسته از نانوذرات به افزایش ایمنی مواد غذایی و کاهش نیاز به مواد نگهدارنده شیمیایی در محصولات غذایی نیز کمک می‌کنند.

بهبود خواص حرارتی

نانوذرات دمای نرم‌شدگی، مقاومت حرارتی، و پایداری حرارتی پلیمرها را بهبود می‌بخشند. این ویژگی امکان استفاده از مواد بسته‌بندی در دماهای بالا یا پایین را فراهم می‌کند.

افزایش شفافیت

برخی نانوذرات مانند سیلیکا و کربنات کلسیم بهبود خواص مواد را بدون کاهش شفافیت ممکن می‌کنند که علاوه بر افزایش جذابیت بصری، امکان مشاهده محتویات بسته را نیز برای مصرف‌کننده فراهم می‌آورد. در نتیجه، نانوکامپوزیت‌ها نه تنها کارایی زیادی در حفاظت از محتویات دارند بلکه به جذابیت و بازاریابی محصولات نیز کمک می‌کنند.

برای آنکه یک نانوذره قابلیت بهبود خواص ماتریس پلیمری را داشته باشد، باید به خوبی در فاز بستر پراکنده شود و برهمکنش مطلوبی با آن داشته باشد. بدین منظور بر روی بعضی از نانوذرات اصلاحاتی انجام می شود تا با ماتریس پلیمری برهم کنش کافی داشته باشد. برای مثال نانولایه‌های رس در حالت عادی بسیار نزدیک بهم هستند و امکان عبور پلیمر از بین لایه‌ها وجود ندارد. این برهمکنش ضعیف اجزای آلی و غیرآلی منجر به خواص حرارتی و مکانیکی ضعیف می‌شود. در مقابل برهمکنش قوی بین ماتریس پلیمری و لایه‌های سیلیکات منجر به نانوکامپوزیتهای پلیمری با خواص منحصر به فرد می‌شود.

در صنعت بسته‌بندی، نانوذرات مختلفی استفاده می‌شوند که هر کدام به دلیل خواص منحصر‌به‌فرد خود، کاربردهای متنوعی در این حوزه دارند. این نانوذرات می‌توانند بهبود قابل‌توجهی در خواص مکانیکی، حرارتی، ضدمیکروبی، و مانع ایجاد کنند که باعث افزایش کیفیت و کارایی بسته‌بندی‌ها می‌شود (شکل ۲). در زیر به مهم‌ترین نانوذرات و کاربردهای آن‌ها اشاره شده است:

شکل ۲-تاثیر افزودن نانوذرات بر بهبود خواص در بسته‌بندی‌های نانوکامپوزیتی در مقایسه با مواد معمولی

نانوکلی‌ها (نانورس) یکی از پرکاربردترین نانوذرات در بسته‌بندی پلیمری هستند. در حال حاضر نانورس‌ها، حدود 70% ارزش بازار را در سراسر جهان دارند. این مواد به دلیل در دسترس بودن، هزینه کم، فرآیندپذبری و عملکرد قابل قبول به عنوان بیشترین نانوپرکننده مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. این مواد با ساختار لایه‌ای خود، خواص مانع بسته‌بندی را بهبود داده و از نفوذ گازها، بخار آب و عطرها جلوگیری می‌کنند. به همین دلیل، از نانوکلی‌ها در بسته‌بندی مواد غذایی استفاده می‌شود تا ماندگاری آن‌ها افزایش یابد. علاوه بر این، نانوکلی‌ها باعث افزایش استحکام مکانیکی و مقاومت حرارتی بسته‌بندی نیز می‌شوند و امکان تولید بسته‌های سبک‌تر و نازک‌تر را فراهم می‌کنند. از بین انواع مختلف نانورس‌ها، مونت موریلونیت (MMT) به عنوان رایجترین ماده‌ی مورد استفاده در آماده‌سازی نانوکامپوزیت‌ها شناخته می‌شود.
در میان انواع نانوذرات مورد استفاده در صنعت بسته‌بندی نانوذرات برپایه نقره به دلیل ویژگی ذاتی فعالیت ضد میکروبی، جایگاه مهمی را به خود اختصاص دادند. این ذرات به دلیل خواص ضدمیکروبی قدرتمند خود در بسته‌بندی‌های فعال مورد استفاده قرار می‌گیرند. این نانوذرات در مقایسه با نانوذرات دیگر از نظر شیمیایی واکنش پذیرترند و به علت یونیزه شدن بیشتر فعالیت میکروبی بالایی دارند و می‌توانند رشد باکتری‌ها و قارچ‌ها را مهار کرده و زمان ماندگاری غذا را افزایش دهند. بسته‌بندی‌های حاوی نانوذرات نقره به ویژه در بسته‌بندی مواد حساس مانند گوشت، لبنیات و محصولات دارویی کاربرد دارند و ماندگاری این مواد را به طور چشمگیری افزایش می‌دهند.
نانوذرات اکسید روی (ZnO) نیز مانند نقره، خواص ضدمیکروبی دارند و علاوه بر آن، مقاومت به اشعه ماوراءبنفش (UV) را در بسته‌بندی بهبود می‌بخشند. این ویژگی باعث می‌شود که بسته‌بندی‌ها از مواد حساس به نور مانند روغن‌ها و نوشیدنی‌ها محافظت کنند. اکسید روی همچنین در بسته‌بندی‌های زیست‌سازگار و کاربردهای زیست‌پزشکی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.
نانوذرات اکسید‌ تیتانیوم (TiO2) به دلیل خواص فتوکاتالیستی (Photocatalyst) و مقاومت بالا به UV، در بسته‌بندی‌هایی که نیاز به حفاظت از محتویات در برابر نور و اشعه دارند، استفاده می‌شوند. این نانوذرات همچنین خاصیت خودتمیزشوندگی دارند که می‌تواند برای بسته‌بندی‌های هوشمند و کاربردهای خاص بسیار مفید باشد. مطالعات انجام شده در خصوص اثرات میکروبی تیتانیوم‌اکسید نشان می‌دهد که زیر نور خورشید یا اشعه‌ی ماورای بنفش، این ذرات گونه‌های اکسیژن فعال، مانند رادیکال‌های هیدروکسید تولید می‌کنند که مستقیما به دیواره‌های سلولهای میکروبی آسیب می‌رساند. در یکی از تحقیقات انجام شده تاثیر استفاده نانوذرات تیتانیوم‌اکسید به عنوان تقویت‌کننده در نانوکامپوزیت پلی‌اتیلن سبک بر کیفیت و ظرفیت آنتی‌اکسیدانی میوه‌ی توت‌فرنگی بررسی شد که نتایج بیانگر افزایش خاصیت مانع و همچنین حفظ کیفیت کلی میوه توت‌فرنگی بود.
نانولوله‌های کربنی (CNTs) به دلیل استحکام مکانیکی بالا، هدایت الکتریکی و حرارتی، در بسته‌بندی‌های صنعتی و کاربردهای خاصی مانند محافظت از محصولات الکترونیکی حساس مورد استفاده قرار می‌گیرند. این نانوذرات باعث افزایش مقاومت در برابر ضربه و حرارت می‌شوند و بسته‌بندی‌هایی بسیار مقاوم و بادوام ایجاد می‌کنند.
نانوذرات سیلیکا نیز به دلیل شفافیت بالا و خواص مانع عالی در بسته‌بندی‌های شفاف کاربرد دارند. این نانوذرات ضمن بهبود مقاومت در برابر نفوذ گازها و رطوبت، شفافیت بسته‌بندی را حفظ می‌کنند و جذابیت بصری بسته‌ها را برای مصرف‌کنندگان افزایش می‌دهند.

نتیجه‌گیری:

نانوکامپوزیت‌ها به عنوان یکی از پیشرفته‌ترین فناوری‌ها در صنعت بسته‌بندی، توانسته‌اند با ارائه ترکیبی از بهبود خواص مکانیکی، حرارتی و مانع، عملکرد بسته‌بندی‌ها را به سطح جدیدی ارتقا دهند. این مواد نه تنها موجب افزایش ماندگاری و کیفیت محصولات بسته‌بندی‌شده می‌شوند، بلکه امکان تولید بسته‌بندی‌های سبک‌تر، مقاوم‌تر و کم‌هزینه‌تر را فراهم می‌کنند. همچنین، استفاده از نانوذرات ضدمیکروبی و مقاوم به UV باعث محافظت بهتر از مواد حساس و افزایش ایمنی محصولات شده است. علاوه بر این، نانوکامپوزیت‌ها با حرکت به سمت تولید بسته‌بندی‌های هوشمند و فعال، قابلیت‌هایی همچون نشان دادن شرایط محیطی و تغییرات کیفیت محصول را فراهم کرده‌اند. از سوی دیگر، نانوذرات زیست‌سازگار و زیست‌تخریب‌پذیر به کاهش اثرات زیست‌محیطی و تولید بسته‌بندی‌های پایدار کمک می‌کنند. در مجموع، نانوکامپوزیت‌ها با ارائه راه‌حل‌های نوآورانه، نه تنها به رفع چالش‌های فعلی صنعت بسته‌بندی کمک کرده‌اند، بلکه افق‌های جدیدی برای ایجاد آینده‌ای پایدارتر و کارآمدتر در این صنعت ترسیم کرده‌اند.

مراجع:

Majeed, M. Jawaid, A. Hassan, A. Abu Bakar, H.P.S Abdul Khalil, A.A. Salema, I. Inuwa, Potential materials for food packaging from nanoclay/natural fibers filled hybrid composites, Material & Design, 46 (2013) 391-410
A. Youssef, Polymer Nanocomposites as a New Trend for Packaging Application, Polymer- Plastic Technology and Engineering, 52 (2013) 635-660
Y. Huang, L. Mei, X. Chen, Q. Wang, Recent Developments in Food Packaging Based on Nanomaterials, Nanomaterials, 8 (2018)
J. Huang, X. Li, w. Zhou, Safety assessment of nanocompositr for food packaging application, 45 (2015) 187-199
D. Li, Q. Ye, L. Jiang, Z. Luo, Effects of nano-TiO2-LDPE packaging on postharvest quality and antioxidant capacity of strawberry (Fragaria ananassa Duch.) stored at refrigeration temperature, Science of Food and Agriculture, 97 (2016)