Nanokompozyty polimerowe

Przez ostatnie dwadzieścia lat zaobserwowano dynamiczny wzrost rynku opakowań w Polsce. Od czasu transfromacji ustrojowej wskazuje się na wzrost popytu na opakowania nowoczesne. Struktura polskiego przemysłu opakowań zbliżona jest do struktury sprzedaży. Około 50% z 2300 najwazniejszych producentów oferuje opakowania z tworzyw sztucznych. Dalsze 38% produkuje opakowania z papieru i tektury. Natomiast udziały pozostałych grup (drewno, metal, szkło i inne) mieszczą się w graniczach 2-4% [PAIiIZ 2011].

Trendy w przemyśle opakowaniowym odzwierciedlają się również w opakowaniach kosmetycznych. Opakowanie powinno przede wszystkim chronić zapakowany kosmetyk, powinno jednak być także funkcjonalne i spełniać funkcję marketingową. Do produkcji opakowań wykorzystuje się głównie tworzywa sztuczne (ponad 60%), przy czym niezmiennie dominują polipropylen, polietylen oraz politereftalan etylenu (PET) [Saracyn-Rozbicka 2012]. Należy zwrócić uwagę, że tworzywa sztuczne, pomimo tego, że bezpośrednio po wytworzeniu są jałowe, to często już we wstępnej fazie pakowania ulegają zanieczyszczeniu. Może to być źródłem mikrobiologicznego skażenia produktu [Libudzisz, Kowal i Żakowska 2008].

Na rynku opakowań kosmetyków można także dostrzec tendencje proekologiczne. Stosowane są naturalne materiały opakowaniowe, jak na przykład drewno (jako zamknięcie flakonu perfum) [Korzeniowski, Ankiel-Homa i Czaja-Jagielska 2011]. Wskazuje się, że jako opakowania kosmetyków mogą być stosowane także biopolimery. Jednakże zastosowanie polimerów biodegradowalnych jako opakowania kosmetyków jest jeszcze dziedziną stosunkową nową i wymaga dokładniejszego zbadania oddziaływania pomiędzy takiego rodzaju opakowaniem a poszczególnymi składnikami przechowywanych w nich kosmetyków [Rydz i in. 2009]. Warto zwrócić uwagę, że kosmetyki są produktami nierozłącznie związanymi z opakowaniem jednostkowym, co oznacza, że nie mogą być wprowadzane do obrotu towarowego bez opakowania [Ankiel-Homa 2012].

5.2. Nanokompozyty polimerowe

Nanokompozytami polimerowymi nazywamy materiały dwufazowe, w których cząstki napełniacza rozmieszczone są równomiernie w matrycy polimerowej, przy czym przynajmniej jeden z wymiarów tych cząstek nie przekracza kilku nanometrów [Jakubiak i Foltynowicz 2004]. Idea materiałów kompozytowych wzięła się z potrzeby łączenia różnych materiałów w momencie gdy niedostatki jednego z materiałów mogą być zrekompensowane właściwościami innych, w celu uzyskania nowych lub wzmocnionych właściwości. Dzięki

58

temu właściwości kompozytu są lepsze od właściwości tworzących je faz [Grabski i Kozubowski 2003, s. 139]. Aktualnie rozwój inżynierii materiałowej, dzięki zastosowaniu nanotechnologii, umożliwia zmniejszenie ilości warstw przy jednoczesnym zwiększeniu ich funkcjonalności [Kubera 2012]. Właściwości nanokompozytów polimerowych zależą od [Koo 2006]:

 rodzaju nanowypełniacza;

 właściwości polimeru;

 metody syntezy;

 morfologii nanokompozytu (wymiary i rozmieszczenie nanocząstek).

W szerokim zakresie jaki obejmuje nanotechnologia nanokompozyty polimerowe stały się obiecującym obszarem badań i rozwoju [Paul i Robeson 2008]. Potencjalne zastosowanie nanokompozytów jest bardzo różnorodne, jednak komercyjnie dotyczy głównie opakowalnictwa i przemysłu samochodowego [Foltynowicz 2006]. Światowe zużycie nanokompozytów przekroczyło w 2008 roku 67 tysięcy ton i szacuje się, że do roku 2014 wzrośnie ono trzykrotnie. Największym odbiorcą nanokompozytów jest rynek opakowaniowy [Korzeniowski, Ankiel-Homa i Czaja-Jagielska 2011]. Zastosowanie nanotechnologii w materiałach opakowaniowych umożliwia m.in. polepszenie właściwości barierowych, co zapobiega przedostawaniu się gazów (takich jak tlen) do wnętrza opakowania. Dzięki temu zatrzymane zostają procesy oksydacyjne, które mają znaczenie szczególnie w przypadku produktów żywnościowych obniżając ich jakość [Kampers i Hoermann 2009].

W ostatnich latach zauważalny jest wzrost badań w zakresie opakowań aktywnych i inteligentnych, przykładowo w zakresie stosowania konserwantów, substancji przeciwdrobnoustrojowych i przeciwutleniaczy wydzielanych z materiału opakowaniowego. Takie opakowania aktywne umożliwiają opóźnienie rozwoju mikroorganizmów oraz przedłużenie trwałości zapakowanego produktu, co obecnie odnośni się głównie do żywności. Opakowania mające zdolność do uwalniania substancji przeciwdrobnoustrojowych mogą zawierać etanol lub inne alkohole, sorbiniany, benzoesany, propioniany lub bakteriocyny. Kontrolowanemu uwalnianiu tych związków sprzyja wielowarstwowa struktura materiałów opakowaniowych [Lisińska-Kuśnierz i Ucherek 2003; Foltynowicz i Rodewald 2011].

Podejmowane próby przedłużenia trwałości artykułów spożywczych poprzez modyfikację opakowań, w które są zapakowane odnoszą się również do zastosowania pochłaniaczy tlenu [Rodewald i Foltynowicz 2012d]. Pochłaniacze tlenu są to związki lub mieszaniny związków, które poprzez reakcję chemiczną albo enzymatyczną z tlenem usuwają

59

go następnie z wnętrza opakowania [Ahavenainen 2003]. Stosowanie pochłaniaczy tlenu umożliwia wydłużenie okresu przydatności do spożycia produktów spożywczych, dzięki czemu konsumenci mogą otrzymać świeży i pozbawiony wad sensorycznych produkt [Vermeiren i in. 1999]. Pochłaniacze tlenu mają za zadanie usuwanie tlenu znajdującego się wewnątrz opakowania. Jednocześnie nie przenikają one do zapakowanej żywności, wobec czego nie są wraz z nią konsumowane. Natomiast przeciwutleniacze wprowadzane są bezpośrednio do produktu spożywczego i dlatego mogą one powodować niekorzystne zmiany w tkankach i organach [Foltynowicz i in. 2005].

Obecnie dostrzec można trend na tworzenie kompozytów pochłaniaczy z opakowaniem. Umieszczenie pochłaniaczy tlenu w materiale opakowaniowym chroni konsumenta przed ich bezpośrednim oddziaływaniem. Pochłaniacze tlenu mogą być zawarte w materiale polimerowym stanowiącym opakowanie, lecz również mogą znaleźć się w elementach uzupełniających opakowanie, takich jak korki do butelek czy etykiety [Kozak 2007; Rodewald i Foltynowicz 2012d]. Najnowsze rozwiązania [Frydrych, Foltynowicz i Kowalak, 2008; Foltynowicz i in. 2010a,b] oparte są na nanomateriałach, co stanowi światową nowość. W wyniku prowadzonych badań stwierdzono m.in. że nanokompozytowy proszek żelazowy umożliwia przedłużenie trwałości produktów spożywczych (na przykładzie orzeszków ziemnych okres ten został wydłużony o ok. 1,5 miesiąca) [Porwich 2012; Roszkiewicz 2012]. Ustalono także, że pochłaniacze tlenu umieszczone w opakowaniu z orzeszkami ziemnymi skutecznie je zabezpieczają przed utlenianiem, na co wskazuje niższa wartość liczby nadtlenkowej w porównaniu z niezabezpieczonymi orzeszkami [Kozak 2007; Porwich 2012].

Kolejnym nano-rozwiązaniem w opakowaniach w zakresie przedłużania trwałości produktów może być stosowanie środków antybakteryjnych, które wykorzystywano już w opakowaniach w makro skali, jednak nie były one używane dotychczas w nanoskali, np. naturalne konserwanty, takie jak nizyna. Wskazuje się także na możliwość wytwarzania materiałów opakowaniowych, które będą aktywnie wytwarzały biocydy i uwalniały je do wnętrza opakowania [Nanotechnology in packaging a revolution in waiting 2008]. Zastosowanie nanotechnologii w polimerach umożliwia otrzymanie nowych materiałów opakowaniowych (np. do żywności) o polepszonych właściwościach mechanicznych, barierowych i przeciwdrobnoustrojowych [Silvestre, Duraccio i Cimmino 2011]. Materiały polimerowe o działaniu przeciwdrobnoustrojowym można podzielić na cztery rodzaje przedstawione na Rysunku 17 [Muñoz-Bonilla i Fernández-García 2012].

60

Rysunek 17. Rodzaje materiałów polimerowych o działaniu przeciwdrobnoustrojowym Źródło: opracowanie własne na podstawie [Muñoz-Bonilla i Fernández-García 2012]

Jednym z obszarów zastosowania nanotechnologii w opakowaniach jest użycie cząstek antybakteryjnych, np. nanocząstek srebra [Foltynowicz i Rodewald 2011]. Nanocząstki srebra ze swoimi przeciwdrobnoustrojowymi właściwościami mogą być włączane do opakowań aktywnych w celu ochrony produktów spożywczych poprzez hamowanie wzrostu drobnoustrojów [Nowacka i Niemczuk 2012].