Замена пластикам в упаковке конопляным биокомпозитом

Пластмассы обладают преимуществами в обеспечении эффективных барьерных свойств пищевых упаковок с низкой плотностью (малым весом) и высокой прочностью при низкой стоимости (Birley, 1982), занимая самую высокую долю рынка — 37% в стоимостном выражении. На европейском рынке упаковки полиэтилен составляет наибольшую долю потребления, около 54% ​​рынка по весу, а четыре других, ПП, ПЭТ, ПС (включая пенополистирол или EPS) и ПВХ, составляют большую часть оставшихся 46%. (Coles et al., 2003). 

Однако переработка пластиковых упаковочных материалов для пищевых продуктов, в отличие от органических, из конопли, часто неосуществима, поскольку они загрязнены пищевыми продуктами и биологическими веществами после использования и не могут быть утилизированы экономически жизнеспособным способом, что часто приводит к захоронению (Kirwan, 2003). Растущая забота об окружающей среде привела к тому, что упаковочные материалы должны быть экологически чистыми (таковым является растение — конопля). Следовательно, способность к биологическому разложению теперь является функциональным требованием и важным атрибутом окружающей среды. 

Типичные пластики для пищевой упаковки

Типичными пластиками, используемыми в пищевой упаковке, являются термопластичные полимеры, включая полиэтилен (PE), полипропилен (PP), полиэтилентерефталат (PET или PETE), иономеры, этиленвинилацетат (EVA), полиамиды (PA), поливинилхлорид (PVC), поливинилиденхлорид (PVDC), полистирол (PS), стиролбутадиен (SB), акрилонитрилбутадиенстирол (ABS), этиленвиниловый спирт (EVOH), полиметилпентен (TPX), полимеры с высоким содержанием нитрила (HNP), фторполимеры (PCTFE / PTFE), материалы на основе целлюлозы, поливинилацетат (ПВС) (Coles et al., 2003). 

Используются биоразлагаемые полимеры, полученные из возобновляемых источников, которые при утилизации распадаются с образованием углекислого газа, воды и компоста (Tharanathan, 2003). Среди биоразлагаемых / компостируемых полимеров полилактид (PLA) признан ключевым полимером (Auras et al., 2006) для промышленного применения пластмасс из-за легкости его переработки — как композиты из конопли.

Сильный кандидат на замену полимерам

PLA является сильным кандидатом на замену обычных полимеров на нефтяной основе и часто обладает более высокими механическими свойствами и большей гибкостью при выборе процесса (Lee et al., 2009, Yu et al., 2014, Graupner et al., 2009, Frone et al. , 2013). Помимо высокой стоимости, основными недостатками PLA в его незаполненной форме являются умеренная или низкая механическая и термическая стабильность (Huda et al., 2005) для применения в биокомпозитах.

Термостойкие пластмассовые изделия из PLA часто требуют литья под давлением с быстрой перекристаллизацией и, следовательно, требуют добавления зародышеобразователя (Drumright et al., 2000). В последние годы значительные исследовательские усилия были направлены на разработку новых экологически чистых, устойчивых биопродуктов с использованием PLA 2, включая применение биокомпозитов для автомобильной, строительной и бытовой промышленности. PLA использовался в исследованиях и разработках упаковки пищевых продуктов (Gupta and Kumar, 2007), поскольку считается безопасным для контакта с пищевыми продуктами (Conn et al., 1995). 

Синтетические наполнители и наполнители на биологической основе (техническая марихуана) часто добавляют в полимеры для снижения стоимости при приемлемых физических и механических свойствах. Однако запасы природных ресурсов истощаются, а спрос на возобновляемое сырье растет, поэтому ответственное использование доступных натуральных волокон (каннабис) и наполнителей имеет решающее значение для устойчивого развития.

Побочные продукты растений, которые избегают использования новых сельскохозяйственных земель, исключают конкуренцию с источниками продовольствия и обеспечивают добавленную стоимость для фермеров (Beaugrand et al., 2014), весьма желательны. 

Потенциал волокон промышленной конопли

Например, промышленные волокна конопли обладают потенциалом в качестве композитного армирования (Ku et al., 2011) из-за их высоких специфических механических свойств, однако использование промышленной травы в качестве наполнителя биокомпозитов постоянно развивается (Karus and Vogt, 2004). При производстве волокна конопли декортикация стеблей обеспечивает получение двух продуктов биомассы, а именно волокна и костры каннабис (HH). 

HH — это древесная сердцевина стебля (примерно 70% массы ствола), которая используется в таких применениях, как подстилка для животных или как конопляный бетон для строительства. Применение HH в качестве наполнителя для биокомпозитов не только повышает ценность материала, но и решает экологические проблемы (Wang et al., 2011). HH обладает значительным потенциалом в качестве наполнителя на биологической основе для смешивания с PLA в качестве биокомпозитов для использования в упаковке пищевых продуктов. 

Основная проблема биокомпозитов

Это несовместимость между гидрофильными натуральными волокнами и гидрофобными термопластами, что приводит к слабой адгезии на границе раздела двух фаз и приводит к неадекватным механическим и физическим свойствам (Xie et al., 2010). Таким образом, критическая проблема, связанная с коноплей в качестве структурных наполнителей для улучшения общих свойств композитов PLA, а также снижения стоимости материалов, по существу связана с улучшением межфазной совместимости между этими компонентами. 

Эпоксидная группа GMA может реагировать с гидроксильными и карбоксильными группами, тогда как акриловые группы демонстрируют способность свободнорадикальной прививки GMA к полимерной цепи (Xu et al., 2012). В последние годы несколько форм полиолефинов 3 с привитыми GMA были получены посредством реактивной экструзии или сополимеризации в растворе (Burton et al., 2010, Xu et al., 2012). 

Сополимер с привитым GMA представляет собой потенциальный агент, улучшающий совместимость, для уменьшения межфазной несовместимости в смесях полимеров или в качестве связующего агента в биокомпозитах (с марихуаной). 

Чтобы продлить срок хранения упакованных пищевых продуктов, разрабатываются инновационные активные и интеллектуальные концепции упаковки, включая включение поглотителей кислорода, влаги и этилена для чувствительных к кислороду, влаге и этилену пищевых продуктов, соответственно, использование диоксида углерода или эмиттеров этилена в других пищевые продукты, химические вещества, придающие или улавливающие аромат, и антимикробные агенты для микробиологической безопасности пищевых продуктов (Cha and Chinnan, 2004). 

Нанесение антимикробных агентов на упаковку может задержать или даже предотвратить рост микроорганизмов на поверхности продукта и, следовательно, привести к увеличению срока хранения.