Χαρακτηρισμός της υδροφοβικότητας διαφόρων υλικών συσκευασίας και η επίδραση του ψυχρού πλάσματος στη γωνία επαφής

Abstract

Το ψυχρό πλάσμα αποτελεί μια καινοτόμο τεχνολογία που έχει πολλαπλές εφαρμογές στον τομέα της συσκευασίας τροφίμων. Κύριος σκοπός της χρήσης του είναι η ενίσχυση της πρόσφυσης και την εκτυπωσιμότητας των πολυμερών, μέσω της αύξησης της επιφανειακής ενέργειά τους. Η παρούσα εργασία εξετάζει την επίδραση της επεξεργασίας με ψυχρό πλάσμα ατμοσφαιρικής πίεσης (CAPP) στην υδροφιλικότητα μεμβρανών συσκευασίας τροφίμων. Εστιάζει τόσο σε παραδοσιακά πολυμερή υλικά, όσο και σε νέα υλικά βιοαποικοδομήσιμα ή/και εδώδιμα. Η μελέτη περιλαμβάνει, κατασκευή εδώδιμων και βιοαποικοδομήσιμων μεμβρανών με χρήση της υγρής μεθόδου (χύτευση με διαλύτη), ακολουθούμενη από την εφαρμογή δύο διαφορετικών ειδών CAPP, αργού και ατμοσφαιρικού αέρα. Στα επεξεργασμένα και μη υλικά μετρήθηκε η γωνία επαφής του νερού, προκειμένου να προσδιορισθεί η υδροφιλικότητα τους. Επιπλέον, μελετήθηκε το φαινόμενο της γήρανσης, που σχετίζεται με την επαναφορά των επιφανειακών ιδιοτήτων των υλικών με την πάροδο του χρόνου έπειτα από επεξεργασία με CAPP, σε μεμβράνες LDPE/LLDPE υπό διαφορετικές συνθήκες θερμοκρασίας και σχετικής υγρασίας. Τα αποτελέσματα κατέληξαν σε σημαντικές παρατηρήσεις, όπως στο ότι η επεξεργασία με CAPP αργού φαίνεται να ήταν πιο αποτελεσματική ως προς τη μείωση της γωνίας επαφής συγκριτικά με το CAPP ατμοσφαιρικού αέρα. Ακόμη, στις εδώδιμες μεμβράνες με βάση πρωτεΐνες παρατηρήθηκε μείωση 71% της γωνίας επαφής με την χρήση CAPP αργού. Η μεταβολή της υδροφιλικότητας των μεμβρανών μετά την επεξεργασία με CAPP ενδεχομένως οφείλεται στην εισαγωγή πολικών λειτουργικών ομάδων στην επιφάνεια του πολυμερούς, όπως ομάδες υδροξυλίου (-ΟΗ), καρβονυλίου (-C=O) ή καρβοξυλίου (-COOH) και στην αύξηση της επιφανειακής ενέργειας ή στην μείωση της τραχύτητας της επιφάνειας. H επεξεργασία με CAPP ατμοσφαιρικού αέρα, σε ορισμένες περιπτώσεις αύξησε αισθητά την γωνία επαφής, όπως στην περίπτωση του PP, που υπήρχε αύξηση 54,30%. Όσον αφορά τη γήρανση των μεμβρανών LDPE/LLDPE, ενδιαφέρον παρουσιάζει πως μετά το πέρας 20 ημερών από την επεξεργασία κανένα από τα δείγματα που αποθηκεύτηκαν σε διαφορετικές συνθήκες δεν επέστρεψε στην αρχική του κατάσταση. Γρηγορότερη επιστροφή προς την αρχική γωνία επαφής επέδειξαν οι μεμβράνες που αποθηκευτήκαν σε θερμοκρασία 2,5℃ και σχετική υγρασία 90%. Τα αποτελέσματα αυτής της έρευνας ενισχύουν τη γνώση γύρω από τη χρήση του 1 CAPP στην τροποποίηση μεμβρανών προερχόμενων από διαφορετικά υλικά, και τονίζουν τη σημασία της εξέτασης της γωνίας επαφής κατά την επεξεργασία με πλάσμα.

Cold plasma is an innovative technology with numerous applications in the food packaging industry. Its primary purpose is to enhance the adhesion and printability of polymers by increasing their surface energy. The present study examines the effect of cold atmospheric pressure plasma (CAPP) processing on the hydrophilicity of food packaging films, focusing on both traditional polymer materials and new biodegradable and/or edible materials. The study involves the production of edible and biodegradable films using the solvent casting method, followed by the application of two different types of CAPP, argon and atmospheric air. The water contact angle of processed and unprocessed materials was measured to determine their hydrophilicity. Additionally, the aging phenomenon, associated with the restoration of surface properties of materials over time after CAPP processing, was studied in LDPE/LLDPE films stored under different temperature and relative humidity conditions. The obtained results lead to significant observations, such as the greater effectiveness of argon CAPP in reducing the contact angle compared to atmospheric air CAPP. Furthermore, a notable decrease of 71% in the contact angle was observed in edible films based on proteins using argon CAPP. The change in films’ hydrophilicity after CAPP processing may be attributed to the introduction of polar functional groups on the polymer surface, such as hydroxyl (-OH), carbonyl (-C=O) or carboxyl (-COOH) groups, and the increase in surface energy or the reduction of surface roughness. Processing with atmospheric air CAPP, in some cases, notably increased the contact angle, such as in the case of PP, which showed an increase of 54.30%. Regarding the aging of LDPE/LLDPE films, it is of interest that after 20 days of processing, none of the samples stored under different conditions returned to their initial state. Films stored at a temperature of 2.5℃ and relative humidity of 90% exhibited a faster return to the initial contact angle. The results of this research enhance our understanding of the use of CAPP in modifying films derived from different materials and underscore the importance of examining the contact angle during plasma processing.