автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Повышение оптических защитных свойств многослойных упаковочных материалов средствами полиграфии

На правах рукописи

□□3457751

БУДНИКОВА Ольга Александровна

ПОВЫШЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ МНОГОСЛОЙНЫХ УПАКОВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ СРЕДСТВАМИ ПОЛИГРАФИИ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (печатные средства информации)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2008

1 2 ДЕК 2008

003457751

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный университет печати» на кафедре технологии послепечатных процессов и упаковочного производства

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ьясов Сафо Гарифуллович|, доктор технических наук, профессор Бобров Владимир Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент МГУП Овчукова Светлана Александровна

кандидат технических наук, технический

специалист ООО «Эдельстар» Мандрусов Артем Александрович

Ведущая организация: Научный центр ОАО «МИПП-НПО «Пластик»

Защита диссертации состоится « 23 » декабря 2008 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.147.01 при ГОУВПО «Московский государственный университет печати» по адресу: 127550 г. Москва, ул. Прянишникова, 2 а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУП.

Автореферат разослан « 21 » ноября_2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Е.Д. Климова

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертационного исследования. Упакованные продукты находятся в поле электромагнитного излучения прямой и рассеянной солнечной радиации, излучения генераторов теплового и искусственного светового освещения, а также теплового излучения окружающих тел. Чтобы защитить продукты (пищевые, химические, фармацевтические и др.) от разрушительного воздействия электромагнитного излучения, упаковка должна иметь высокие оптические защитные характеристики - препятствовать влиянию излучения на упакованный в нее продукт. Указанные защитные свойства могут быть получены путем подбора материалов с определенной комбинацией слоев и нанесения красочных покрытий на машинах флексографской, офсетной и глубокой печати. Анализ литературных источников показал, что в настоящее время нет данных по спектральным оптическим характеристикам многослойных полиграфических и упаковочных материалов.

Разработка и создание новых многослойных полиграфических и упаковочных материалов с заданными защитными оптическими свойствами не возможна без знания их оптических характеристик, что является весьма актуальной задачей в настоящее время.

Для объективной оценки защитных свойств существуют методы определения оптических характеристик однослойных материалов. Установлено, что величины спектральных оптических характеристик светорассеивающих материалов при диффузном и направленном облучении могут отличаться на 20-40 %. В связи с этим необходимы методы измерения спектральных отражательной и пропускательной (7}) способностей рассеивающих излучение материалов, отличающиеся друг от друга способами облучения исследуемого объекта и способами измерения отраженного или пропущенного излучения.

Работа выполнена в соответствии с заданиями Федерального агентства по образованию на проведение научных исследований МГУП по темам: «Разработка методов определения оптических защитных характеристик упаковочных материалов» (2003-2004 гг.) и «Разработка теоретических основ электромагнитного облучения материалов в технологических процессах полиграфического и упаковочного производства» (2005-2006 гг.).

Цель работы. Определение спектральных оптических характеристик многослойных полиграфических и упаковочных материалов в ультрафиолетовой, световой и инфракрасной области спектра и разработка рекомендаций по созданию многослойных упаковочных материалов с заданными защитными оптическими свойствами путем подбора слоев и нанесения красочных покрытий в полиграфическом и упаковочном производствах.

Научная новизна. Реализована усовершенствованная методика одновременного измерения (из одного опыта) отражательной (Я;), пропускательной (Гд) и поглощательной (Ля) способностей упаковочных материалов. Создана приставка к спектрофотометру с интегрирующей сферой для прямых измерений поглощательной способности и одновременного измерения суммы отражательной и пропускательной способности светорассеиваю-щих материалов.

Впервые получены данные по оптическим характеристикам однослойной упаковочной бумаги из сульфитной целлюлозы и целлюлозной бумаги, офсетной полиграфической бумаги, картона, крафт-бумаги, кашированной полиэтиленовой пленкой, упаковочных полимерных однослойных и многослойных пленок для пищевых продуктов и детского питания. Получены и обобщены данные по оптическим характеристикам многослойных упаковочных материалов с заданными защитными оптическими свойствами в ультрафиолетовой и видимой области спектра.

Определены спектральные и интегральные оптические характеристики слоев крафт-бумаги, кашированной полиэтиленовой пленкой, картона, материалов и слоев упаковочной и полиграфической бумага (из сульфитной целлюлозы, целлюлозной и офсетной), отдельных слоев и многослойных систем исходных и запечатанных упаковочных полимерных пленок, многослойных систем запечатанных полимерных упаковок, комбинированных многослойных систем упаковочной и полиграфической бумаги.

Проведен анализ распространения потоков и поглощении энергии электромагнитного излучения в реальных многослойных системах упаковочных материалов, селективно поглощающих и рассеивающих излучение, при различных условиях облучения прямой и рассеянной радиацией в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра.

Изучены основные закономерности переноса энергии спектрального и интегрального излучения в отдельных слоях и в многослойных системах запечатанных упаковочных и полиграфических материалов при несимметричных условиях облучения направленным и рассеянным (диффузным) потоками излучения Солнца и технологических инфракрасных (ИК) генераторов (КГТ-220-1000). Найденные закономерности позволяют рассчитать распределение в отдельном слое и в многослойной системе величин объемной плотности поглощенного потока энергии излучения, пространственной облученности и плотности результирующего потока. Получены расчетные формулы для определения оптических характеристик отдельного слоя материала различной толщины и многослойной системы (упаковочные бумага из сульфитной целлюлозы и целлюлозная, офсетная бумага, картон, крафт-бумага, кашированной полиэтиленовой пленкой, упаковочные полимерные пленки для пищевых продуктов и детского питания).

кашированной полиэтиленовой пленкой, упаковочные полимерные пленки для пищевых продуктов и детского питания). Положения, выносимые на защиту:

• Усовершенствованная методика оценки оптических характеристик упаковочных и полиграфических материалов, дающая возможность одновременного измерения (из одного опыта) оптических характеристик отражательной, пропускательной и по-глощательной способностей упаковочных и полиграфических материалов. Экспериментально-аналитическим методом рассчитаны оптические характеристики слоя конечной толщины полиграфических и упаковочных материалов с изменяющимися оптическими свойствами.

• Распределение величин объемной плотности поглощенного потока энергии излучения, пространственной облученности и плотности результирующего потока, полученное в результате анализа переноса энергии спектрального и интегрального излучения в отдельных слоях и в многослойных системах запечатанных материалов при несимметричных условиях облучения направленным и рассеянным (диффузным) потоками излучения Солнца и технологических ИК генераторов. Спектральные и интегральные оптические характеристики слоев и систем многослойных полиграфических и упаковочных материалов, позволяющие рассчитывать защитные оптические характеристики многослойных упаковочных материалов.

• Практические рекомендации, позволяющие полиграфическими способами создавать многослойные системы упаковочных материалов с заданными защитными оптическими свойствами (коэффициент пропускания 2 - 5%) для упаковки различных пищевых продуктов и детского питания.

Практическая ценность. Разработан экспериментально-аналитический метод определения оптических характеристик с помощью измеряемых из одного опыта отражательной, пропускательной и поглощательной способностей слоя конечной толщины материалов с изменяющимися оптическими свойствами. Экспериментально-аналитическим методом определены спектральные и интегральные оптические характеристики исходных и запечатанных материалов: упаковочной и полиграфической бумаги (из сульфитной целлюлозы, целлюлозной и офсетной), крафт-бумаги и картона, упаковочных полимерных пленок.

Разработаны практические рекомендации по созданию многослойных систем упаковочных материалов с заданными защитными оптическими свойствами (многослойные упаковочные материалы из крафт-бумаги, картона, полиэтилена и полипропилена) путем

подбора слоев и нанесения красочных покрытий при печати офсетным, глубоким и флек-сографским способами.

Разработаны методические и практические рекомендации для учебного процесса специальности 261201.65 «Технология и дизайн упаковочного производства» при постановке и проведении лабораторных работ по учебным курсам «Технология производства упаковки», «Тара и ее производство», «Процессы и аппараты упаковочного производства», «Технологическое оборудование и оснастка упаковочного производства», «Оборудование для производства рекламно-сувенирной и упаковочной продукции».

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на НМС «Проблемы упаковочной промышленности и подготовка кадров» (Москва, МГУПБ, 1718.02.2002), Заочной конференции «Дизайн. Реклама. Полиграфия» (Омск, июнь 2004 г.); Международном семинаре-практикуме «Упаковка и этикетка: что хочет клиент - что могут типографии» (Москва, 01.12.2004 г., 000 «Исследовательская компания «Abercade Consulting»); Научно-методической конференции «Опыт вузов УМО в подготовке специалистов по направлениям и специальностям УМО» (МГУПБ, 29-31 марта 2005 г.); Юбилейной Конференции «МГУП - 75 лет» 2005 г.; Первой научно-технической конференции молодых ученых (МГУП, 28.03.2006 г.), Научно-технических Советах МГУП (2004 - 2006 гг.).

Диссертация обсуждена на расширенном заседании кафедры «Технологии после-печатных процессов и упаковочного производства» с участием кафедр: «Материаловедения», «Технологии допечатных процессов», «Технологии печатных процессов», «Управление качеством».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 6 статей в ведущем отраслевом научном журнале «Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела».

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 170 страницах, содержит 30 рисунков и 15 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснованы актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, определены основные направления реализации цели, дана краткая характеристика работы, показана научная новизна и практическая ценность результатов исследований.

В первой главе диссертационной работы приведен анализ научных публикаций и патентных материалов, отражающих существующие методы изучения оптических свойств упаковочных материалов, а также методов электромагнитного облучения в по-слепечатных процессах (сушка, лакирование, ламинирование, кэширование и др.). Установлено, что спектральные характеристики отражения и пропускания однослойных упаковочных материалов изучены недостаточно, а многослойных совсем не изучены. Прямое измерение поглощательной способности упаковочных материалов не производилось в связи с отсутствием необходимых приставок к спектрофотометрам. Недостаточно внимания уделяется экспериментальным исследованиям оптических характеристик упаковочных материалов.

В процессе электромагнитного облучения многослойных систем из различных материалов (бумага, полимеры, краски и др.) их оптические свойства изменяются во времени и по толщине слоя («выцветающие объекты»), так как меняются физико-химические свойства материала, структура, распределение плотности и влагосодержания по толщине слоя. Чтобы защитить продукты (пищевые, химико-фармацевтические и др.) от разрушительного воздействия электромагнитного излучения, упаковка должна препятствовать влиянию излучения на упакованный в нее продукт.

В ультрафиолетовой (УФ) области спектра в продуктах подвержены разрушению белок, жиры, витамины Bi, В2, и рутин, в видимой - каротиноиды, рибофлавин, в инфракрасной - аминокислоты, жиры, ароматические соединения и др. В реальных условиях максимум теплового излучения Земли, человека и окружающих предметов находится в интервале длин волн 9-10 мкм и распространяется до 25-50 мкм. Излучение Солнца и кварцевых галогенных технологических генераторов (КГТ) находится в УФ, видимой, ближней и средней ИК области спектра 0,2-5,0 мкм.

Анализ современных экспериментальных и экспериментально-аналитических методов определения спектральных оптических характеристик отражательной, пропуска-тельной и поглощательной способностей светорассеивающих материалов (Долацис Я.А., Ильясов С.Г., Красников В.В., Тюрев Е.П., Топорец A.C. и др.) показал, что данные о спектральных оптических характеристиках целого ряда современных полиграфических и многослойных упаковочных материалов отсутствуют.

Установлено, что величины спектральных оптических характеристик слоя светорассеивающих материалов, его пропускательной Тх, отражательной Rx и поглощательной Ах способностей зависят от условий облучения и при диффузном (полусферическом (о=2л) Тх (2ц; 2ж) и Rx (2ж;2ж) и направленном под углом в облучении Тх (в; 2л) и Rx (в;2ж) могут отличаться на 20 - 40 % по абсолютной величине. Величины погрешностей измерений оп-

тических характеристик превышают 30 - 40% и зависят от индикатрисы рассеяния материалов. Относительная погрешность определения 7д (2ж;2п) может достигать 90-150%.

В работе показано, что наиболее точным экспериментальным методом определения оптических характеристик слоя светорассеивающих упаковочных материалов является метод интегрирующей сферы. Экспериментально-аналитическим методом рассчитаны оптические характеристики материала (коэффициенты поглощения кл и рассеяния <тД а также двуполусферические характеристики слоя материала Тх (2ж;2ж) и Я; (2ж;2ж).

На основании проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследования.

В соответствии с целью в работе решались следующие задачи:

- определение спектральных оптических характеристик облучаемых материалов при условиях, соответствующих реальным условиям облучения в промышленных установках: направленным, диффузным (рассеянным) и смешанным (диффузным и направленным) потоками излучения;

- определение спектральных и интегральных оптических характеристик отдельных слоев и многослойных систем исходных и запечатанных упаковочных полимерных пленок; отдельных материалов и слоев упаковочной и полиграфической бумаги (сульфитная, целлюлозная и офсетная бумага), крафт-бумаги и картона; комбинированных многослойных систем упаковочной и полиграфической бумаги, картона, крафт-бумаги и крафт-бумаги, кашированной полиэтиленовой пленкой;

- установление основных закономерностей переноса энергии в многослойных системах запечатанных материалов при различных условиях облучения направленным и рассеянным (диффузным) потоками излучения Солнца и технологических ИК генераторов;

- разработка практических рекомендаций по созданию многослойных запечатанных упаковочных материалов с заданными защитными оптическими свойствами путем подбора комбинации слоев и нанесения многослойных лакокрасочных покрытий при полиграфическом производстве упаковки.

Во второй главе освещены методики и техника экспериментальных исследований, методы экспериментально-аналитического определения оптических характеристик слоя упаковочных материалов в УФ, видимой и ближней ИК областях спектра.

При выборе методов измерения учтены явления многократного рассеяния излучения в упаковочных материалах, а также явления размытия эффективного сечения направленного потока излучения по глубине слоя материала при отражении и пропускании образцом определенной толщины. Установлено, что для упаковочных материалов ошибка при измерении спектрального пропускания Тг без учета рассеяния может достигать 50 -100%.

ний отраженного и пропущенного потоков излучения при измерении на серийных спектрофотометрах.

Для определения оптических защитных упаковочных материалов применены наиболее эффективные методы спектроскопии светорассеивающих материалов - методы интегрирующей сферы: одновременного и раздельного измерения, а также комплексного измерения отражательной, пропускательной и поглощательной способностей слоя материала при направленном облучении. Определены минимальные размеры образцов, позволяющие учесть эффективные сечения потока излучения, отраженного и пропущенного образцом определенной толщины.

Коэффициенты отражения и пропускания в видимой области спектра измерены методом интегрирующей сферы на спектрофотометре СФ-18. При этом коэффициент отражения измеряется относительно эталона, оптическая характеристика которого изменяется во времени (эффект старения).

В работе реализован усовершенствованный двухлучевой метод интегрирующей сферы для непосредственного измерения из одного опыта полусферической (а>=2х) поглощательной способности Ах(в;2к) и суммы отражательной и пропускательной способностей [Тх(в;2ж) + Мх(в;2х)] при направленном под углом в облучении упаковочных светорассеивающих материалов. С этой целью создана приставка к регистрирующим спектрофотометрам типа СФ-18 с установкой образца и эталона одновременно в центре интегрирующей сферы. Для комплексного измерения оптических характеристик слоя материала при направленном облучении Их(в;2ж) и [Тх(в;2и) + RJfi;2n}\ Ах(в;2я) и Тх(в;2я) разработана и создана приставка к однолучевым спектрофотометрам типа СФ-26. С их помощью исследованы оптические характеристики Ах, Тх и Ri различных упаковочных материалов (бумага, картон, полимерные материалы).

Величины направленно-полусферических коэффициентов отражения, пропускания и поглощения светорассеивающих упаковочных материалов в области спектра 400 - 760 нм измерены с помощью усовершенствованного метода интегрирующей сферы на двухлуче-вом спектрофотометре СФ-18 при различном размещении образца - в центре и вблизи поверхности сферы.

Измерения качественных характеристик отражения светорассеивающих упаковочных материалов в области спектра 400 - 760 нм выполнены на спектрофотометре Gretag-Macbeth методом усеченного зеркального эллипсоида вращения.

Измерения двунаправленной пропускательной (поглощательной) способности Тх(д'; в) полимерных упаковочных материалов при нормальном облучении (в- в=0°) в области спектра 185 - 1200 нм выполнены на однолучевом спектрофотометре

Измерения двунаправленной пропускательной (поглощательной) способности Тх(в'; в) полимерных упаковочных материалов при нормальном облучении (в'= в=0°) в области спектра 185 - 1200 нм выполнены на однолучевом спектрофотометре СФ-26, в области спектра 2,5 - 25,0 мкм - на двухлучевом инфракрасном спектрофотометре БРЕСОМ) 75 Ж по стандартной методике.

Для определения оптических характеристик материала слоя и двуполусферических оптических характеристик слоя при диффузном облучении Ях(2ж;2ж), Ах(2ж;2ж) и Тх(2ж;2ж) предложен и реализован модифицированный метод определения двуполусферических и Яд, в первом приближении на основе величин ТУ и ЯД измеренных при направленном облучении для одного образца конечной оптической толщины I. Эти направленно-полусферические величины 7д' и Яд' используются в качестве двуполусферических Тх и Яд для расчета значений Яд.„, !;/„, т.ц„ в первом приближении для образца толщиной I. Затем производится уточненный расчет.

Полученные основные и осредненные по пространству оптические характеристики материала слоя используются в расчетах переноса энергии излучения при облучении направленным под некоторым углом потоком и при диффузном облучении различных систем многослойных упаковочных материалов.

Определены двуполусферические характеристики слоя толщиной I упаковочных материалов по измеренным при направленном облучении величинам Тх и Яд' методом одного образца, методом двух образцов различной толщины (/; ф ¡г), графическим методом Дантли и вычислены по найденным значениям параметров Дантли С; и Сг: Яд(2я-,2 я-) = (й; + С,)/С2; Гд( 2я-,2я) = Т[!Сг.

Таблица 1

Значения' двуполусферических оптических характеристик для полиэтилена при длине волны А.=0,7 мкм

Метод с, с2 и м' Яд.

Экспериментально-аналитический Графический Дантли 0,0510 0,0504 1,1220 1,1229 343,0 342,8 0,329 0,328

Для оценки точности модифицированного метода определения двуполусферических Тх и Яд и достоверности данных определены оптические и двуполусферические оптические характеристики типичных рассеивающих капиллярно-пористых коллоидных материалов различными методами: графическим (БХ}. ОипИеу), экспериментально-аналитическим и экспериментальными (С.Г. Ильясов). Установлена удовлетворительная сходимость измеренных и вычисленных двуполусферических величин Тх и Яд, Яд», £д (табл. 1).

Методом усредненных по спектру излучателя оптических характеристик получены значения интегральных характеристик упаковочных материалов для излучения Солнца на уровне Земли при атмосферной массе т=1 и излучения технологических генераторов КГТ-220-1000 при температурах Тц=2400К и Тц=2600К. Установлено, что упаковочные материалы из бумаги и картона, согласно классификации по оптическим свойствам, можно отнести в области спектра 0,7 - 2,5 мкм к сильно рассеивающим материалам (критерий Шустера Лэ>0,7) со слабым поглощением (Рэ<0,1). На основании этого заключения, при изучении взаимодействия электромагнитного излучения Солнца и ИК генераторов использована ранее разработанная теория переноса энергии в светорассеивающих материалах. Установлено, что необходимая технологическая эффективность процесса при обеспечении продолжительной устойчивой работы ИК генератора достигается при Тц=2600К.

В третьей главе разработана физическая модель излучения и установлены закономерности переноса энергии электромагнитного излучения в реальных многослойных системах селективно поглощающих и рассеивающих излучение упаковочных материалов при различных условиях облучения прямой и рассеянной радиацией Солнца и технологических генераторов типа КГТ в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра.

Рис. 1. Физическая модель двухслойной системы крафт-бумаги, кашированной полиэтиленом с несимметричными по оптическим свойствам границами: 1 - слой крафт-бумага + клей, толщиной Л; 2 - клей + полиэтилен, толщиной /2: Е'ш - плотность направленного под углом 0 потока излучения, Еш и Е>ш- плотности диффузного потока двухстороннего излучения, Е+, Е. - плотности встречных потоков излучения внутри слоя; С, - плотность направленного под углом 0' потока излучения внутри слоя; Еу2 и Еип - плотности встречных потоков излучения на границе двух слоев многослойной системы

Разработана физическая модель облучения упаковочного материала и упакованного продукта для определения толщины и материала различных слоев многослойной системы,

которая представлена двухслойной системой крафт-бумаги, кашированной полиэтиленом с несимметричными по оптическим свойствам границами (1 - слой крафт-бумага + клей, толщиной ¡¡\ 2 - клей + полиэтилен, толщиной Ь) (рис. 1). Для принятой физической модели упаковки получены результаты сравнения расчетов и измерений пропускательной и отражательной способности многослойной системы при различных длинах волн. Удовлетворительная сходимость результатов измерений и вычислений подтверждает адекватность принятой физической модели реальному процессу облучения.

Рассмотрены потоки излучения внутри слоя упаковочного материала при симметричном диффузном и несимметричном направленном и диффузном облучении. Составлена физико-математическая модель для двухстороннего симметричного облучения диффузными потоками.

Характер кривой зависимости пропускательной способности Тх от толщины слоя определяется величинами коэффициентов поглощения кх и рассеяния и может изменяться от экспоненциального до гиперболического. Отдельные участки гиперболы можно аппроксимировать экспонентами, поэтому зависимость Тх для отдельных интервалов толщин может быть представлена экспонентой, но с нарушением для всего слоя соответствия закону Бугера. Отражательная способность Яг возрастает с увеличением толщины слоя материала из-за наличия многократного рассеяния излучения внутри слоя, но до определенной толщины (величина Т достигает 1,0 %). При дальнейшем увеличении толщины слоя величина Ях практически не изменяется. Теоретически же при этом величина Ях возрастает до бесконечности и стремиться к Ля». Характер зависимости поглощательной способности Ах от толщины слоя аналогичен Ях. При замедлении роста Ях начинает резко возрастать Ах, стремясь к максимальному значению.

Рассчитаны величины спектральной пространственной облученности Е'хо (Вт/м2-мкм), поглощенного потока энергии излучения (Вт/м3-мкм) и плотности результирующего потока излучения qx (Вт/м2мкм) с учетом спектрального состава падающего потока излучения Солнца и ИК-генератора типа КГТ-220-1000. Установлено изменение спектрального состава интегрального излучения величин Е'хо, IV'х и ух с глубиной слоя х вследствие эффектов селективного поглощения и многократного рассеяния.

Изучены закономерности переноса энергии электромагнитного излучения в многослойных материалах полиграфического и упаковочного производства для различных условий облучения, которые описываются нижеследующими уравнениями.

Решение основного уравнения переноса энергии излучения в слое поглощающих и рассеивающих материалов получено методом Шустера-Шварцшильда - представления плотности результирующего потока |дд| в виде разности встречных потоков - Е>_).

Система дифференциальных уравнений относительно безразмерных величин плотности результирующего потока |?'а(г,)|= jв\cos6tl(a = Е'л_(т,) и пространст-

Ая

венной облученности К,Лт,) = с^м - ^а> = КхЛт,) +КхЛт,)'

4 я

-= -[1 ~ (г, )]£ я о.; = -[1 + Лэ,(г,при граничных условиях:

яг, с/г,

при д:,=0, т,=0 Е'хо,(0) = (1 + Д^Я'ад + т^Е'м; д',х(0) = (1-Д,д)Е'ш -г,дЕ'м;

прих,=1„ т,= ц, Е\ф,1) = Т11Е'м +(1 + Л,д)£',«; ч',х(т1а) = ТаЕ'м )£',«.

Объемная плотность поглощенного потока излучения в слое материала при диффузном облучении:

= = [1- клф'^лт.) +

Получены зависимости спектральных оптических характеристик от толщины слоя при диффузном облучении.

Экспериментальные исследования показали, что для большинства упаковочных материалов (бумага, фторопласт, полиэтилен и др.) прямой лучок излучения по мере распространения в слое в некоторой зоне, прилегающей к облучаемой поверхности материала, быстро и почти полностью превращается в диффузный (или рассеянный). Следовательно, при направленном облучении в некоторой зоне, прилегающей к облучаемой поверхности материала, на глубине х существуют соизмеримые по величине направленный поток Е'ц и вновь образовавшиеся от него рассеянные диффузные , Ех- потоки излучения.

Оптические свойства элементарного слоя толщиной <1х характеризуются спектральными коэффициентами, определяемыми экспериментально. Это коэффициенты поглощения кх и рассеяния сгя излучения слоем толщиной (1х при направленном облучении и ос-редненные по углу коэффициенты поглощения к1 и рассеяния «вперед» и «назад» при диффузном облучении. Данные коэффициенты не требуют знания индикатрисы рассеяния в явном виде и пространственного распределения потоков излучения внутри слоя.

Учет многократного рассеяния излучения в плоском слое при направленном облучении обеспечивается системой уравнений относительно рассеянных потоков, дополняющей

закон Бугера - Ламберта —- =--(к1 +ак)Е[ =—-Е' для ослабления прямого пучка

<к ц ц

излучения (при = т_ = ш,). +5Д)я,

ск ММ

Л цц

Решение системы уравнений получено для направленной составляющей по закону Бугера - Ламберта (Е[(х) = £д,„ ехр(-гддс///)) и для рассеянных (диффузных) составляющих при граничных условиях:

-при * = 0- Г (0) = £:,„, = -при* = /, - £(/,) = 0, ЕМ) = ЕШ.

Для оценки точности рассмотренного выше метода исследования процесса переноса энергии излучения в рассеивающих и поглощающих материалах при направленном облучении необходимо определить значения потоков на границах слоя и сравнить их с другими методами. При одностороннем облучении безразмерная величина плотности суммы потоков (+ Е' ) на границе х = 1 равна пропускательной способности Т1 (/¿,2я) слоя, а величина Е'_ на границе слоя х-0- его отражательной способности Ri(/¡;2я).

Таблица 2

Значения критерия Шустера (Л,) и вероятности выживания фотона Ль при различных длинах волн

Показатель 1 -450 им 2 - 500 нм 3 - 650 нм 4 - 750 нм

Л,(2я;2я) 0,447892 0,490155 0,6660776 0,8034778

Л! 0,910237 0,905783 0,9344172 0,9623395

По результатам расчетов величины 2я), Тх({!,2л) и ЛДи(//;2л) различными методами следует, что значения отражательной и пропускательной способности, полученные рассмотренным методом дискретных потоков и численными методами Хоггеля, Тье-на, Черчилля и др. при различных углах падения в, рассеивающих свойствах среды Л и оптических толщинах слоя ЯЛ1, отличаются в среднем на 1—2%. Это свидетельствует о достаточной точности предложенного метода для капиллярнопористых коллоидных материалов.

Для принятой физической модели упаковочного материала крафт-бумаги, каширо-ванной полиэтиленом, величины оптических характеристик системы слоев могут быть найдены с учетом граничного отражения с помощью известных выражений для двухслойной системы из слоев ] и /:

слоинои системы с учетом граничного отражения:

в -п + /? , Г'° ГиД21 ■ т - Г|оГ2' т

Лм-Ло + ^о + , ГЬ2- . (2)

1.2 2,1 1-ЛиЯ2 1

В (1) и (2) величины отражательной способности 1-го слоя Л; 5 при внешнем облучении и пропускательных способностей 1-го и 2-го слоев Ти и Ты определяются при внутреннем облучении.

В табл. 3 приведены результаты сравнения расчетов по формулам (2) (при Р1,о=0) и измерений Кщ+2) и Тцц2) двухслойной системы, представляющей собой крафт-бумагу, кашированную полиэтиленом.

Таблица 3

Значения оптических характеристик составляющих крафт-бумаги (абсолютная погрешность отсчетного устройства ± 0,5 %)

Дли на волны л, нм Крафт-бумага с клеем при облучении с внешней стороны Крафт-бумага с клеем при облучении с внутренней стороны Слой ПЭ с клеем при облучении с внешней стороны Слой ПЭ с клеем при облучении с внутренней стороны Значения ЛД(М) ДВУСЛОЙНОЙ системы крафт-бумага+ПЭ Значения ТЦП2) двухслойной системы крафт + ПЭ

Я и, в Т ил К 11,2 Гщ ^ 12,1 Ти,, Нз-мер. Выч. по (2) Из-мер. Выч. ПО (2)

500 0,405 0,130 0,390 0,140 0,105 0,955 0,120 0,945 0,410 0,406 0,110 0,129

550 0,420 0,185 0,410 0,190 0,110 0,955 0,095 0,940 0,430 0,425 0,170 0,185

600 0,453 0,260 0,443 0,265 0,100 0,950 0,110 0,935 0,470 0,454 0,240 0,236

Удовлетворительная сходимость результатов измерений и вычислений величин

и ^1(1+2) двухслойной системы подтверждает применимость полученных формул (2) к расчету оптических характеристик многослойных полиграфических и упаковочных материалов.

В четвертой главе приведены результаты исследований спектральных и интегральных оптических характеристик многослойных упаковочных материалов - отражательной Я/, пропускательной Тх и поглощательной Ах способностей.

Получены расчетные формулы для отражательной и пропускательной способности слоя толщиной /.

Для определения защитных оптических характеристик исследованы реальные упаковки для макаронных изделий и детского питания. Установлено, что упаковка имеет прозрачные окна больших размеров (до 100% пропускания), а мягкая полимерная упаковка, запечатанная флексографским способом или картонная упаковка, запечатанная офсетным способом печати, пропускает до 40% в области спектра поглощения Р - каротина.

способом печати, пропускает до 40% в области спектра поглощения Р - каротина.

Исследованы спектры пропускания и отражения полиэтилена. Установлена область наибольшего пропускания при длине волны 450 нм - максимум спектра поглощения каро-тиноидов.

Разработаны рекомендации по созданию многослойных упаковочных материалов из бумаги, картона, полимерных пленок с заданными защитными оптическими свойства-

Разработаны практические рекомендации по созданию многослойных систем упаковочных материалов для упаковки различных пищевых продуктов, детского питания, макаронных изделий и круп с заданными защитными оптическими свойствами (коэффициент пропускания 2 - 5 %) путем подбора комбинации слоев и нанесения многослойных лакокрасочных покрытий (рис. 2 а, б).

им Ч

____ --

——1-J — г~ Ч _ __

7D0

711(1 frr.

Рис. 2. Спектры пропускания и отражения упаковки:

а) для пищевых продуктов из крафт - бумаги, каптированной полиэтиленовой пленкой (Frantschach Coating Sweden), и упаковочной бумаги из сульфитной целлюлозы (метод интегрирующей сферы, СФ-18). 1 - (Ry + тд 3 - Tj - полиэтиленовая пленка + клей, толщина 0,019 мм, (облучение с внешний стороны); 2 -(Rx + Тх), 6 - Тх - бумага из сульфитной целлюлозы 40 г/м2, толщина 0,050 мм; 4 - (R* + Тх), 7 - Тх - крафт-бумага + клей «Frantschach Coating Sweden» (облучение с внешний стороны), толщина 0,099 мм; 5 - R; -система «крафт - бумага + бумага черная (упаковка фотобумаги) толщиной 0,112 мм; 8 - Тх - бумага + бумага черная (упаковка фотобумаги);

б) для детского питания (метод интегрирующей сферы, СФ-18): 1 - пленка окрашенная (белый), лакированная упаковки для детского питания (кефир), толщина 0,084 мм; 2 - пленка окрашенная (белый) упаковки для детского питания (кефир), толщина 0,080 мм; 3 - пленка окрашенная (синий + грунт белый) упаковки для детского питания (творог), толщина 0,058 мм; 4 - пленка-полиэтилен окрашенная (красный) упаковки для детского питания, толщина 0,040 мм; 5 - пленка окрашенная (желтый) упаковки для крахмала, толщина 0,046 мм; б - пленка окрашенная (белый) упаковки для кефира, толщина 0,067 мм; 7 - система двухслойная из образцов №3 и №4, толщина 0,098 мм; 8 - пленка окрашенная (ipywr белый от образца №3) упаковки для детского питания (творог), толщина 0,058 мм

Среди наиболее распространенных видов упаковочных материалов можно отметить: полимерные пленки, бумагу и картон, а также широко используемые комбинированные, двухслойные полимерные пленки (полипропилен + полипропилен или полиэтилен + полипропилен и др.). Это связано с тем, что обычные синтетические материалы (пленка) и

многие природные (бумага, картон и др.) материалы в отдельности не обладают необходимыми защитными свойствами. Комбинированные материалы позволяют получить наилучшие барьерные свойства по проницаемости, влагозащите и обладают хорошей восприимчивостью к печатным краскам и способностью к термической сварке. Разработаны практические рекомендации по использованию результатов исследований при разработке и создании новых упаковочных материалов с заданными оптическими свойствами (коэффициент пропускания 2 - 5 %) для упаковки различных пищевых продуктов (макаронных изделий, круп) (рис. 2 а) и детского питания (рис. 2 б). Моделируя многослойную конструкцию путем наложения образцов запечатанной упаковки, достигнуто снижение коэффициента пропускания с 80% до 2%. Установлено, что максимальные защитные оптические характеристики в области диапазона видимой части спектра имеют: коробочный картон и бумага восьми слоев - 95 %, двухслойная полипропиленовая пленка, запечатанная синей краской - 65 - 90 %.

Разработаны технологические решения, обеспечивающие полиграфическими способами защитные свойства упаковки от воздействия излучения.

• целесообразно применять картон хром-эрзац марки 11М, толщиной 300 - 350 мкм, обладающего высокими оптическими защитными свойствами и обеспечивающего более длительную сохранность макаронных изделий;

• для макаронных изделий с добавлением /¡-каротина предлагается применение двухслойной полипропиленовой двухосно-ориентированной пленки, толщиной 45 мкм, запечатанные красной краской;

• для молочных продуктов с различными добавками рекомендуется применять в качестве упаковочного материала двухслойную полипропиленовую двухосно-ориентированную пленку толщиной 45 мкм, запечатанную синей или красной краской;

• для упаковки с цветным изображением предлагается вначале наносить на упаковочный материал защитные лакокрасочные слои, затем слой грунта, а потом - многокрасочное изображение. Например, для упаковки детского питания (творог) (рис. 2 б) рекомендуется многослойная система из полиэтиленовой пленки толщиной 58 мкм, запечатанной синей краской и грунтом белым и полиэтиленовой пленки толщиной 40 мкм, запечатанной красной краской. При этом коэффициент пропускания снижается до 2 - 5 %.

Разработаны методические и практические рекомендации для учебного процесса специальности 261201.65 «Технология и дизайн упаковочного производства» при постановке и проведении лабораторных работ по учебным курсам «Технология производства упаковки», «Тара и ее производство», «Процессы и аппараты упаковочного производст-

ва», «Технологическое оборудование и оснастка упаковочного производства», «Оборудование для производства рекламно-сувенирной и упаковочной продукции».

Выводы

1. Определены спектральные и интегральные оптические характеристики однослойных и многослойных облучаемых материалов при условиях, соответствующих реальным условиям облучения в промышленных установках: направленным, диффузным (рассеянным) и смешанным (диффузным и направленным) потоками излучения в ультрафиолетовой и видимой области спектра (упаковочной бумаги из сульфитной целлюлозы и чисто целлюлозной, офсетной бумаги, картона, крафт-бумаги, кашированной полиэтиленовой пленкой, упаковочных полимерных пленок для пищевых продуктов и детского питания).

2. Реализована усовершенствованная методика определения оптических характеристик отражательной, пропускательной и поглощательной способностей упаковочных материалов, позволяющая одновременное их измерение (из одного опыта). Создана приставка к спектрофотометру с интегрирующей сферой для прямых измерений поглощательной способности и одновременного измерения суммы отражательной и пропускательной способности светорассеивающих материалов из одного опыта.

3. Разработан экспериментально-аналитический метод расчета оптических характеристик с помощью определяемых из одного опыта отражательной, пропускательной и поглощательной способностей слоя конечной толщины материалов с изменяющимися оптическими свойствами, позволяющий определить оптические характеристики материала (коэффициенты поглощения кх и рассеяния сц), а также двуполу-сферические характеристики слоя материала Т\ (2ж;2ж) и Кх (2к;2ж). Указанным методом определены спектральные и интегральные оптические характеристики исходных и запечатанных материалов слоев: упаковочной и полиграфической бумаги, крафт-бумаги и картона, упаковочных полимерных пленок.

4. Изучены основные закономерности переноса энергии спектрального и интегрального излучения в отдельных слоях и в многослойных системах запечатанных материалов при несимметричных условиях облучения направленным и рассеянным (диффузным) потоками излучения Солнца и технологических ИК генераторов. Найденные закономерности позволили рассчитать распределение в отдельном слое и в многослойной системе величин объемной плотности поглощенного потока

энергии излучения, пространственной облученности и плотности результирующего потока. Получены расчетные формулы для определения оптических характеристик отдельного слоя материала различной толщины и многослойной системы.

5. Определен уровень защитных характеристик упаковочных материалов для пищевых продуктов и детского питания. Установлено, что максимальные защитные оптические характеристики в области диапазона видимой части спектра имеют: коробочный картон и бумага восьми слоев - 95 %, двухслойная полипропиленовая пленка, запечатанная синей краской - 65 - 90 %.

6. Разработаны рекомендации по выбору упаковочных материалов (пленки, бумаги, картоны) и подбору слоев из этих материалов с учетом их оптических защитных характеристик, обеспечивающих сохранность качества пищевых продуктов и детского питания. Проведена их производственная апробация на предприятии ОАО «ГОСНИИХП».

7. Разработаны технологические решения, обеспечивающие полиграфическими способами защитные свойства упаковки от воздействия излучения:

• целесообразно применять картон хром-эрзац толщиной 300 - 350 мкм, обладающего высокими оптическими защитными свойствами и обеспечивающего более длительную сохранность макаронных изделий;

• для макаронных изделий с добавлением /9-каротина предлагается применение двухслойной полипропиленовой двухосно-ориентированной пленки, толщиной 45 мкм, запечатанные красной краской;

• для молочных продуктов с различными добавками рекомендуется применять в качестве упаковочного материала двухслойную полипропиленовую двухосно-ориентированную пленку толщиной 45 мкм, запечатанную синей или красной краской;

• для упаковки с цветным изображением предлагается вначале наносить на упаковочный материал защитные лакокрасочные слои (на картон и бумагу -офсетным способом, на пленки - флексографским или глубоким способом печати), затем слой грунта, а потом - многокрасочное изображение. При этом коэффициент пропускания снижается до 2 - 5 %.

8. Соединение различных полимерных пленок, бумаги, картона и др. позволяет получить многослойные упаковочные системы, превосходящие по защитным свойствам исходные материалы в видимой области спектра 400 - 750 нм. Это позволяет прогнозировать поведение синтезированных моделей упаковки под конкретный пищевой продукт определенного состава.

9. Разработаны методические и практические рекомендации по использованию методики и результатов исследования в учебном процессе для студентов специальности 261201.65 «Технология и дизайн упаковочного производства» при постановке и проведении лабораторных работ по учебным курсам «Технология производства упаковки», «Тара и ее производство», «Оборудование и оснастка упаковочного производства», «Оборудование для производства рехламно-сувенирной и упаковочной продукции», «Процессы и аппараты упаковочного производства».

Публикации по теме диссертации

Публикации в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендуемых ВАК.

1. Ильясов С.Г., Будникова O.A. Исследование оптических защитных характеристик полиграфических и упаковочных материалов//Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2003.- № 4. - С. 3-10. (0,5/0,2)

2. Ильясов С.Г., Будникова O.A. Исследование оптических характеристик поли-этилена//Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2004. -№2. - С. 48-56. (0,6/0,3)

3. Ильясов С.Г., Будникова O.A., Унэнбат Батжаргал. Исследование оптических характеристик многослойных упаковочных материалов//Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2005.-№3. С. 3-13. (0,8/0,3)

4. Ильясов С.Г., Чернов М.Е., Грошев А.Ю., Будникова O.A. Оптические защитные характеристики материалов для упаковки макаронных изделий//Пищевая промышленность. - 2005. - № 1. С. 56-57. (0,1)

5. Ильясов С.Г., Будникова O.A. Экспериментально-аналитический метод определения оптических характеристик светорассеивающих упаковочных материалов при различных условиях облучения//Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2006. - №4. С. 41-50. (0,6/0,3)

6. [Ильясов С.Г.|, Будникова O.A., Коновалов В.А., Лымарь М.В., Каржанкин М.Е., Селезнев Д.С. Мобильные установки промежуточной электромагнитной сушки в процессах печати//Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2007. - №4. С. 24-33.(0,8/0,3).

Другие публикации.

7. Ильясов С.Г., Будникова O.A., Токарев А.Н., Ерпулева В.М. Определение оптических защитных характеристик многослойных упаковочных материалов (тези-

сы) //Материалы семинара «Упаковка и этикетка: что хочет клиент, что могут типографии», Abercade Consulting, Москва, 01.12.2004. С. 19-21 (0,1)

8. Ильясов С.Г., Будникова О.А., Токарев А.Н. «Многослойные упаковочные материалы с заданными защитными оптическими свойствами»//Сборник материалов Международной научно-методической конференции «Перспективы развития прикладной биотехнологии». - М., МГУПБ, 2005. С. 233-235. (0,2/0,1)

9. Ильясов С.Г., Будникова О.А., Ерпулева В.М., Токарев А.Н. Многокрасочная печать на многослойных упаковочных материалах с заданными защитными оптическими свойствами//Вестник МГУП. «МГУП-75 лет». - М., МГУП, 2005. -№ ю. С. 45-46.(0,1)

10. Будникова О.А. Определение оптических защитных характеристик многослойных упаковочных материалов //Материалы Первой Конференция аспирантов и молодых ученых. - М., МГУП. - 2006. № 6. С. 17-19. (0,2)

П.Ильясов С.Г., Будникова О.А. Экспериментально-аналитические методы определения спектральных оптических характеристик материалов слоев упаковки// Вестник МГУП. - 2006. - № 7. С. 18-30. (0,8/0,4).

12. [Ильясов С.Г-1, Будникова О.А., Матвеева Т.Д. Разработка и создание новых упаковочных материалов с заданными защитными оптическими свойства-ми//Вестник МГУП.-2007,- № 5. С. 153-161. (0,8/0,4).

Подписано в печать 18.11.2008. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Печать на ризографе. Усл. печ л 1.27. Тираж 100 экз. Заказ № 355/327 Отпечатано в РИО Московского государственного университета печати 127550, Москва, ул. Прянишникова, 2а

Введение.

Цели и задачи исследования.

Глава 1. Современное состояние теории и практики изучения оптических характеристик многослойных материалов.

1.1 Упаковочные материалы как поглощающие и рассеивающие излучение объекты.

1.2. Спектральные оптические характеристики однослойных упаковочных материалов.

1.3. Экспериментальные методы измерения спектральных оптических характеристик светорассеивающих материалов (отражательной и пропускательной способности).

1.4. Спектральные оптические характеристики однослойных упаковочных материалов.

Задачи исследования.

Выводы к 1 главе.

Глава 2. Методика и техника экспериментального исследования оптических защитных характеристик многослойных полиграфических и упаковочных материалов.

2.1. Методика экспериментального исследования оптических защитных характеристик многослойных упаковочных материалов.

2.2. Экспериментально-аналитические методы определения спектральных оптических характеристик материалов слоев многослойной упаковки.

2.3. Техника экспериментального определения оптических характеристик слоя упаковочных материалов.

2.3.1. Спектрофотометр для измерения пропускания (поглощения) полимерных упаковочных материалов СФ-26 в области спектра 185 — 1200 нм.

2.3.2. Инфракрасный спектрофотометр SPECORD 75 IR для измерения пропускания (поглощения) полимерных упаковочных материалов для области спектра 2,5 — 25,0 мкм.

2.3.3. Спектрофотометр GretagMacbeth для измерения отражения упаковочных материалов в области спектра 400-760 нм.

2.3.4. Спектрофотометр для измерения отражения, пропускания и поглощения упаковочных материалов СФ-18в области спектра 185 —

1200 нм.

Выводы ко 2 главе.

Глава 3. Распространение излучения в многослойных упаковочных материалах при различных условиях облучения.

3.1. Интегральные оптические характеристики полиграфических и упаковочных материалов.

3.2. Распространение излучения в многослойных упаковочных материалах при электромагнитном облучении направленным и диффузным потоками.

3.3. Закономерности ослабления направленного под некоторым углом в потока излучения плотностью Е'ш в плоском слое материала.

3.4. Перенос энергии интегрального излучения в светорассеивающих материалах при облучении диффузным и направленным потоками.

Выводы к 3 главе.

Глава 4. Оптические характеристики многослойных упаковочных материалов и рекомендации по их созданию с заданными свойствами.

4.1. Результаты исследования спектральных и интегральных оптических характеристик многослойных упаковочных материалов.

4.2. Спектральные оптические характеристики многослойных упаковочных материалов.

4.3. Интегральные оптические характеристики многослойных упаковочных материалов.

4.4. Многослойные упаковочные материалы из бумаги.

4.5. Разработка и создание новых многослойных упаковочных материалов с заданными защитными оптическими свойствами.

Актуальность. В настоящее время в России продолжает формироваться индустрия производства упаковки. Одной из основных составляющих этой индустрии является полиграфическое производство упаковки.

Полиграфические предприятия, специализирующиеся на изготовлении тары, упаковок и этикеток, в процессе переработки упаковочных материалов должны предусматривать необходимые средства для защиты пищевых, промышленных и сельскохозяйственных товаров от механических, климатических, биологических и др. воздействий, а также от хищений при транспортировке и хранении. При этом тип упаковываемого продукта, его состав и свойства диктуют требования к упаковке, технологии ее изготовления и средствам защиты.

Как известно, упакованные продукты находятся в поле электромагнитного излучения прямой и рассеянной солнечной радиации, излучения генераторов теплового и искусственного светового освещения, а также теплового излучения окружающих тел. Для защиты продуктов (пищевых, химических, фармацевтических и др.) от разрушительного воздействия электромагнитного излучения, упаковка должна иметь высокие оптические защитные характеристики, чтобы препятствовать влиянию излучения на упакованный в нее продукт. Указанные защитные свойства могут быть получены путем подбора материалов с определенной комбинацией слоев, а также нанесением красочных покрытий на машинах флексографской, офсетной или глубокой печати.

Для объективной оценки защитных свойств существуют теоретические и экспериментальные методы определения оптических характеристик однослойных материалов. Установлено, что величины спектральных оптических характеристик однослойных светорассеивающих материалов при диффузном и направленном облучении могут отличаться па 20-40%.

Что же касается многослойных материалов, используемых в современном производстве упаковки, то подобных исследований не проводилось. Исходя из анализа литературных источников, отсутствуют данные по спектральным оптическим характеристикам многослойных полиграфических и упаковочных материалов.

Таким образом, разработка и создание новых многослойных полиграфических и упаковочных материалов с заданными защитными оптическими свойствами с применением полиграфических технологий является весьма актуальной задачей в настоящее время.

Работа выполнена в соответствии с заданиями Федерального агентства по образованию на проведение научных исследований МГУП по темам: «Разработка методов определения оптических защитных характеристик упаковочных материалов» (2003-2004 гг.) и «Разработка теоретических основ электромагнитного облучения материалов в технологических процессах полиграфического и упаковочного производства» (2005-2006 гг.).

Целью работы является определение спектральных оптических характеристик многослойных полиграфических и упаковочных материалов в ультрафиолетовой, световой и инфракрасной областях спектра и разработка рекомендаций по созданию многослойных упаковочных материалов с заданными защитными оптическими свойствами путем подбора слоев и нанесения красочных покрытий в полиграфическом и упаковочном производствах.

Научная новизна состоит в реализации усовершенствованной методики одновременного измерения (из одного опыта) оптических характеристик отражательной, пропускателыюй и поглощательной способностей упаковочных материалов с применением приставки к спектрофотометру с интегрирующей сферой, позволяющей проводить прямые измерения поглощательной способности и одновременное измерение суммы отражательной и пропускательной способности свсторассеивающих материалов из одного опыта.

Впервые получены и обобщены данные по оптическим характеристикам однослойной упаковочной сульфитной и целлюлозной бумаг, офсетной полиграфической бумаги, картона тарного, крафт-бумагн, кашировапной полиэтиленовой пленкой, упаковочных полимерных однослойных и многослойных пленок для пищевых продуктов и детского питания.

Впервые получены данные по оптическим характеристикам многослойных упаковочных материалов с защитными оптическими свойствами в ультрафиолетовой и видимой области спектра.

Определены спектральные и интегральные оптические характеристики слоев крафт-бумаги, каптированной полиэтиленовой пленкой, и картона, отдельных материалов и слоев упаковочной и полиграфической бумаги (сульфитная, целлюлозная и офсетная), отдельных слоев и многослойных систем исходных и запечатанных упаковочных полимерных пленок, многослойных систем запечатанных полимерных упаковок, комбинированных многослойных систем слоев упаковочной и полиграфической бумаги.

Проведен анализ распространения потоков и поглощении энергии электромагнитного излучения в реальных многослойных системах упаковочных материалов, селективно поглощающих и рассеивающих излучение, при различных условиях облучения прямой и рассеянной радиацией в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра.

Изучены основные закономерности переноса энергии спектрального и интегрального излучения в отдельных слоях и в многослойных системах запечатанных упаковочных и полиграфических материалов при несимметричных условиях облучения направленным и рассеянным (диффузным) потоками излучения Солнца и технологических ИК генераторов (КГТ-220-1000). Найденные закономерности позволяют рассчитать распределение в отдельном слое и в многослойной системе величин объемной плотности поглощенного потока энергии излучения, пространственной облученности и плотности результирующего потока. Получены расчетные формулы для определения оптических характеристик отдельного слоя материала различной толщины и многослойной системы.

Положения, выносимые на защиту:

• Реализованная усовершенствованная методика оценки оптических характеристик упаковочных и полиграфических материалов, дающая возможность одновременного измерения (из одного опыта) оптических характеристик отражательной, пропускательной и поглощательной способностей упаковочных и полиграфических материалов.

• Основные закономерности переноса энергии спектрального и интегрального излучения в отдельных слоях и в многослойных системах запечатанных материалов при несимметричных условиях облучения направленным и рассеянным (диффузным) потоками излучения Солнца и технологических ИК генераторов, которые позволяют рассчитать распределение величин объемной плотности поглощенного потока энергии излучения, пространственной облученности и плотности результирующего потока.

• Экспериментально-аналитический метод определения оптических характеристик с помощью измеряемых из одного опыта отражательной, пропускательной и поглощательной способностей слоя конечной толщины полиграфических и упаковочных материалов с изменяющимися оптическими свойствами.

• Спектральные и интегральные оптические характеристики слоев и систем многослойных полиграфических и упаковочных материалов, позволяющие рассчитывать защитные оптические характеристики многослойных упаковочных материалов.

• Практические рекомендации, позволяющие полиграфическими способами создавать многослойные системы упаковочных материалов с заданными защитными оптическими свойствами (коэффициент пропускания 2 - 5%) для упаковки различных пищевых продуктов и детского питания.

Практической ценностью является разработка экспериментально-аналитического метода определения оптических характеристик с помощью измеряемых из одного опыта отражательной, пропускательной и поглощательной способностей слоя конечной толщины полиграфических и упаковочных материалов с изменяющимися оптическими свойствами. Экспериментально-аналитическим методом определены спектральные и интегральные оптические характеристики исходных и запечатанных материалов слоев: упаковочной и полиграфической бумаги (сульфитная, целлюлозная и офсетная бумага), крафт-бумаги и картона, упаковочных полимерных пленок.

Разработаны практические рекомендации по созданию многослойных систем упаковочных материалов с заданными защитными оптическими свойствами: многослойные упаковочные материалы из крафт-бумаги, картона, полиэтилена и полипропилена.

Разработаны методические и практические рекомендации для учебного процесса специальности 261201.65 «Технология и дизайн упаковочного производства» при постановке и проведении лабораторных работ по учебным курсам «Технология производства упаковки», «Тара и ее производство», «Оборудование и оснастка упаковочного производства», «Оборудование для производства рекламно-сувенирной и упаковочной продукции», «Процессы и аппараты упаковочного производства».

Апробация. Основные результаты исследований докладывались на НМС «Проблемы упаковочной промышленности и подготовка кадров» (МГУПБ, 1718.02.2002), на Заочной конференции «Дизайн. Реклама. Полиграфия» (г. Омск, июнь 2004 г.); на Научно-методической конференции «Опыт вузов УМО в подготовке специалистов по направлениям и специальностям УМО» (МГУПБ, 2931 марта 2005 г.); на Международном семинаре-практикуме «Упаковка и этикетка: что хочет клиент — что могут типографии» (Москва, 01.12.2004 г., 000 «Исследовательская компания «Abercade Consulting»); на Юбилейной Конференции «МГУП - 75 лет» 2005 г.; на Первой научно-технической конференции молодых ученых (МГУП, 28.03.2006 г.), на Научно-технических Советах МГУП (2004 - 2006 гг.).

Диссертация обсуждена на расширенном заседании кафедры «Технологии послепечатных процессов и упаковочного производства» с участием кафедр: «Материаловедения», «Допечатных процессов», «Печатных процессов», «Управление качеством».

По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 6 статей в ведущем отраслевом научном журнале «Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела».

Общие выводы

1. Определены спектральные и интегральные оптические характеристики однослойных и многослойных облучаемых материалов при условиях, соответствующих реальным условиям облучения в промышленных установках: направленным, диффузным (рассеянным) и смешанным (диффузным и направленным) потоками излучения в ультрафиолетовой и видимой области спектра (упаковочной бумаги из сульфитной целлюлозы и чисто целлюлозной, офсетной бумаги, картона, крафт-бумаги, каптированной полиэтиленовой пленкой, упаковочных полимерных пленок для пищевых продуктов и детского питания).

2. Реализована усовершенствованная методика определения оптических характеристик отражательной, пропускательной и поглощательной способностей упаковочных материалов, позволяющая одновременное их измерение (из одного опыта). Создана приставка к спектрофотометру с интегрирующей сферой для прямых измерений поглощательной способности и одновременного измерения суммы отражательной и пропускательной способности светорассеивающих материалов из одного опыта.

3. Разработан экспериментально-аналитический метод расчета оптических характеристик с помощью определяемых из одного опыта отражательной, пропускательной и поглощательной способностей слоя конечной толщины материалов с изменяющимися оптическими свойствами, позволяющий определить оптические характеристики материала (коэффициенты поглощения к) и рассеяния сгя), а также двуполусферические характеристики слоя материала Тх (2ж;2ж) и Ях (2ж;2ж). Указанным методом определены спектральные и интегральные оптические характеристики исходных и запечатанных материалов слоев: упаковочной и полиграфической бумаги, крафт-бумаги и картона, упаковочных полимерных пленок.

4. Изучены основные закономерности переноса энергии спектрального и интегрального излучения в отдельных слоях и в многослойных системах запечатанных материалов при несимметричных условиях облучения направленным и рассеянным (диффузным) потоками излучения Солнца и технологических ИК генераторов. Найденные закономерности позволяют рассчитать распределение в отдельном слое и в многослойной системе величин объемной плотности поглощенного потока энергии излучения, пространственной облученности и плотности результирующего потока. Получены расчетные формулы для определения оптических характеристик отдельного слоя материала различной толщины и многослойной системы.

5. Определен уровень защитных характеристик упаковочных материалов для пищевых продуктов и детского питания. Установлено, что максимальные защитные оптические характеристики в области диапазона видимой части спектра имеют: коробочный картон и бумага восьми слоев - 95 %, двухслойная полипропиленовая пленка, запечатанная синей краской - 65 -90 %.

6. Разработаны рекомендации по выбору упаковочных материалов (пленки, бумаги, картоны) и подбору слоев из этих материалов с учетом их оптических защитных характеристик, обеспечивающих сохранность качества пищевых продуктов и детского питания. Проведена их производственная апробация на предприятии ОАО «ГОСНИИХП».

7. Разработаны технологические решения, обеспечивающие полиграфическими способами защитные свойства упаковки от воздействия излучения:

• целесообразно применять картон хром-эрзац марки М, толщиной 300 - 350 мкм, обладающего высокими оптическими защитными свойствами и обеспечивающего более длительную сохранность макаронных изделий;

• для макаронных изделий с добавлением /?-каротина предлагается применение двухслойной полипропиленовой двухосно-ориентированной пленки, толщиной 45 мкм, запечатанные красной краской;

• для молочных продуктов с различными добавками рекомендуется применять в качестве упаковочного материала двухслойную полипропиленовую двухосно-ориентированную пленку толщиной 45 мкм, запечатанную синей или красной краской;

• для упаковки с цветным изображением предлагается вначале наносить на упаковочный материал защитные лакокрасочные слои (на бумагу и картон - офсетным способом, на полимерные пленки - глубоким или флексо-графским способом печати), затем слой белого грунта, а потом — многокрасочное изображение. При этом коэффициент пропускания снижается до 2 - 5 %.

8. Соединение различных полимерных пленок, бумаги, картона и др. позволяет получить многослойные упаковочные системы, превосходящие по защитным свойствам исходные материалы в видимой области спектра 400 - 750 нм. Такие модели позволяют прогнозировать поведение синтезированных моделей под конкретный пищевой продукт определенного состава.

9. Разработаны методические и практические рекомендации по использованию методики и результатов исследования в учебном процессе для студентов специальности 261201.65 «Технология и дизайн упаковочного производства» при постановке и проведении лабораторных работ по учебным курсам «Технология производства упаковки», «Тара и ее производство», «Оборудование и оснастка упаковочного производства», «Оборудование для производства рекламно-сувенирной и упаковочной продукции», «Процессы и аппараты упаковочного производства».

1. Ильясов, С.Г. Физические основы инфракрасного облучения пищевых продуктов/Ильясов С.Г., Красников В.В. М.: Пищевая промышленность, 1978. - 360 с.

2. Ильясов, С.Г. Оптические защитные свойства упаковочных материалов/Лара и упаковка. 2003, №2. С. 46.

3. Ильясов, С.Г. Экспериментальные методы определения оптических характеристик полиграфических и упаковочных материалов//Изв. ВУЗов. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2003, №1. С. 84-95.

4. Лыков, A.B. Теория тепло- и массопереноса/Лыков A.B., Михайлов Ю.А.М.; Л, 1963.

5. Долацис, Я.А. Воздействие ИК-излучения на древесину/Долацис Я.А., Ильясов С.Г., Красников В.В. Рига: Изд-во "Зинатне". 1973. - 275 с.

6. S.G. Ilyasov and V.V. Krasnikov. Physical principles of infrared irradiation of foodstufes. Hemisphere Publishing Corporation. New York, Washington, Philadelphia, London. 1991. pp.-397.

7. Амарцумян, B.A. К задачам многократного рассеяния света в плоскопараллельной среде с внутренним отражением от граничной поверхности. Уч. зап. ЛГУ, с. матем., 1964, вып. 37, с. 3-11.

8. Белов, Г.Я. Оптические характеристики многослойного покрытия и полупрозрачного пакета из поглощающих и рассеивающих материалов с диффузно отражающими границами раздела. Теплофизика высоких температур, 1974, т.12, № 6, с. 1228-1233.

9. Гарчева, Т.В. Распространение лучистой энергии в растительных восках/Гарчева Т.В., Ильясов С.Г., Красников В.В.- Научные труды ВИХВП, Пловдив (НРБ), 1976, т. 23, № 3, с. 91-99.

10. Иванов, В.В. Перенос излучения в многослойной оптически толстойатмосфере. I, И, Уч. зап. ЛГУ, 1976, № 385, с.3-23; с. 23-29.

11. П.Ильясов, С.Г. Методы определения оптических и терморадиационных характеристик пищевых продуктов/Ильясов С.Г., Красников В.В. М.: Пищевая промышленность, 1972. 175 с.

12. Ильясов С.Г. Теоретические основы инфракрасного облучения пищевых продуктов: Докторской дис. М.: МТИПП. 1977.- 450 с.

13. Кард, П.Г. Теория многослойных несимметричных отражателей. Оптика и спектроскопия, 1961, т. 10, №3, с. 384-389.

14. Топорец, А.С. Методы и аппаратура для измерения диффузного отражения. Спектроскопия светорассеивающих сред. Минск: Изд. АН БССР. 1963. С. 159.15.0цисик, М.Н. Сложный теплообмен. М., «Мир», 1976. 616 с.

15. Жаринов, А.И. Проницаемость полимерных упаковочных пленок для интегральных потоков ИК-излучения/Жаринов А.И., Жуков Н.Н. -Известия вузов. Пищ. технология, 1971, №1.

16. Чекалинская, Ю.И. Распространение излучения внутри порошкообразного слоя, ИФЖ, 1960, т. 3, №7, с. 43-50.

17. Cunnington G.R., Tien C.L. A Study of Heat-Transfer Processes in Multilayer unsulations. Thermophys: Appl. Therm. Des. Spacecraft, N.-Y.-L, 1970, vol. 23, pp. 111-126.

18. Pegis R.J. An Exact Design Method for Multilayer Dielectric Films. JOSA, 1961, vol. 51, №11, pp. 1255-1264.

19. Stokes G.G. On the intensity of light reflected from or transmitted through a pill of plates. Proc. Roy. Soc., London, 1860-62, vol. 11, p. 545. Mathem. Physic. Pap. 1904, vol. 4, p. 145.

20. Ильясов, С. Г. О возможности комплексного определения радиационных свойств материалов/Ильясов С. Г., Красников В. В., Фридзон М. Б., Шляхов В.И.—Метеорология и гидрология, № 10, 1968, с. 96 100.

21. Селюков, Н.Г. Исследование оптических свойств пищевых продуктов, подвергаемых обработке терморадиацией. Диссертация, МТИПП, М.,1968.

22. Schülze R. Über die Vermendung von Polyäthylen für Strahlungmessungen.-Archiv für Meteorologie, Geophysik und Bioklimatologie, SB, B. 11, H. 2, 1961.

23. Костяной, Г.Н. Актинометрический радиозонд АРЗ-ЦАО.- Труды ЦАО, вып. 84, 1968.

24. Шляхов, В.И. О спектральных коэффициентах пропускания полиэтилена/Шляхов В.И., Костяной Г.И., Фридзон М.Б., Ильясов С.Г.// Метеорология и гидрология. Приборы, наблюдения, обработка, № 9,1969.

25. Рабинович, Г.Д. Терморадиационная и конвективная сушка лакокрасочных покрытий/Рабинович Г.Д., Слободкин JI.C. Минск: Наука и техника, 1966.- 172 с.

26. Ильясов, С.Г. Теоретические основы инфракрасного облучения пищевых продуктов: Докторская дис. М.: МТИПП. 1977. 450 с.

27. Гарчева, Т.В. Исследование оптических свойств продуктов вкусовой промышленности Болгарии: Автореферат канд. дис. — МТИПП, 1978. 18 с.

28. Электрофизические, оптические и акустические характеристики пищевых продуктов /И.А. Рогов, В.Я. Адаменко, C.B. Некрутман, С.Г. Ильясов и др.; под ред. И.А. Рогова. М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1981. - 288 с.

29. Тюрев, Е.П. Эффективность тепло-технологических процессов обработки пищевых продуктов ИК излучением. Докт. дисс. М., 1990.

30. Ильясов, С.Г. Экспериментальные методы определения оптических характеристик полиграфических и упаковочных материалов//Изв. ВУЗов. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2003, №1.

31. Ильясов, С.Г. Исследование оптических защитных характеристик полиграфических и упаковочных материалов/Ильясов С.Г., Будникова О.А.//Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2003.-№4.-С. 3-10.

32. Ильясов, С.Г. Исследование оптических характеристик полиэтилена/Ильясов С.Г., Будникова O.A. //Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2004. №2. - С. 48-56.

33. Ильясов, С.Г. Оптические защитные характеристики материалов для упаковки макаронных изделий/Ильясов С.Г., Чернов М.Е., Грошев А.Ю., Будникова О.А.//Пищевая промышленность. 2005. - № 1. С. 56-57.

34. Ильясов, С.Г. Исследование оптических характеристик многослойных упаковочных материалов/Ильясов С.Г., Будникова O.A., Унэнбат Батжаргал. //Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2005.-№3. С. 3-13.

35. Ильясов, С.Г. Многокрасочная печать на многослойных упаковочных материалах с заданными защитными оптическими свойствами/Ильясов С.Г., Будникова O.A., Ерпулева В.М., Токарев А.Н.//Вестник МГУП. «МГУП-75 лет». М., МГУП, 2005. - № 10. С. 45-46.

36. Ильясов, С.Г. Методы определения оптических характеристик полиграфических и упаковочных материалов. — М.: МГУП, 2005. 288 с.

37. Будникова, O.A. Определение оптических защитных характеристик многослойных упаковочных материалов/ТМатериалы Первой Конференция аспирантов и молодых ученых. — М., МГУП. — 2006. № 6. С.- 17-19.

38. Ильясов, С.Г. Перенос энергии электромагнитного излучения в многослойных материалах полиграфического и упаковочного производства. //Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела.- 2005.-№1. С. 15-39.

39. Ильясов С.Г. Оптические защитные свойства упаковочных материалов//Тара и упаковка. 2003. - №2. - С. 46.

40. Ильясов, С.Г. Экспериментально-аналитические методы определения спектральных оптических характеристик материалов слоев упаковки/Ильясов С.Г., Будникова О.А.//Вестник МГУП. 2006. - № 2. -С. 12-21.

41. Ильясов, С.Г. Разработка и создание новых упаковочных материалов с заданными защитными оптическими свойствами/Ильясов С.Г., Будникова O.A., Матвеева Т.Д.//Вестник МГУП.-2007.- № 5. С. 153-161.