Лоток для упаковки пищевых продуктов, содержащих влагу

Полезная модель "Лоток для упаковки пищевых продуктов, содержащих влагу" относится к средствам упаковки и применяется для упаковки пищевых продуктов, содержащих влагу.

Техническим результатом, достигаемым полезной моделью, является улучшение поглощения влаги и уменьшение расхода вспененного полимера, а также упрощение отладки технологии производства листа для изготовления лотков.

Для упрощения отладки технологии производства лотков слои вспененного полимера, обращенные к пищевому продукту и наружу, выполнены не только с закрытыми, но и с тупиковыми порами, а слой, лежащий между ними, выполнен преимущественно с открытыми и частично с тупиковыми и закрытыми порами. Для улучшения поглощения влаги лоток выполнен из материала с краевым углом смачивания менее 85°, а для уменьшения расхода вспененного полимера за счет поглощения влаги боковыми стенками используется явление смачивания и капиллярные свойства открытых пор вспененного полимера.

Выбор вспененного полимера с краевым углом смачивания менее 85° и использование явления смачивания и капиллярных свойств открытых пор внутреннего слоя, расположенного между двумя влагонепроницаемыми слоями, который сообщается посредством отверстий с областью, в которой расположен продукт, позволяет удалить воду не только в днище, но и в боковые стенки. Это дает возможность уменьшить толщину поглощающего слоя, сохранив или даже увеличив его объем. 3 з.п. формулы, 1 фиг. илл.

Полезная модель относится к средствам упаковки и хранения продуктов и применяется для упаковки пищевых продуктов, содержащих влагу.

Известна заявка на изобретение RU 2003133317 «Средство хранения, в частности лоток», заявитель Линпак Пластике ГМБХ (DE), в которой заявлен лоток, включающий стенки и днище, имеющее, по меньшей мере, два слоя, в одном из которых, обращенном к продукту, "предусмотрены отверстия для отекания жидкости внутрь лотка". Недостатком предложенного решения, является использование в качестве емкости для жидкости только пористого дна.

Известны патенты на полезную модель RU 94512, RU 96104, одних и тех же авторов и патентообладателей с одинаковым названием: "Лоток для упаковки влагосодержащего пищевого продукта (варианты)", а также патент RU 96814 "Лоток для упаковки влагосодержащего пищевого продукта". Во всех патентах заявлен лоток, выполненный из листа вспененного полистирола, в котором слои материала листа, прилегающие к наружным поверхностям, выполнены с закрытыми порами, а слой, лежащий между ними, с открытыми сообщающимися порами. Лоток выполняется формованием из указанного листа с выпуклым в центральной части днищем с углублениями или отверстиями в дне на глубину до среднего слоя и с наклонными стенками. При этом в патентах RU 94512 и RU 96814 углубления выполнены равномерно по всему днищу, а в RU 96104 - только вдоль сторон дна. Недостатком решения во всех указанных патентах, также является использование в качестве емкости для жидкости только среднего слоя пористого дна.

Известен также патент на полезную модель RU 96105, также выполненный из листа вспененного полистирола, в котором углубления выполнены в днище и в наклонных стенках лотка для отекания жидкости в средний слой пористого дна и наклонных стенок, но емкость для жидкости остается прежняя - средний слой пористого дна, выполненный с открытыми порами. Недостатком предложенного решения также является использование в качестве емкости для жидкости только среднего слоя пористого дна.

Наиболее близким по назначению, выполнению и технической сути к предлагаемому техническому решению является лоток по патенту на полезную модель RU 92830 "Лоток для упаковки влагосодержащего пищевого продукта (варианты)", также выполненный из листа вспененного полистирола.

Основными недостатками лотка, предложенного в этом патенте, являются:

- использование в качестве емкости для жидкости только среднего слоя днища, выполненного с открытыми порами и не использования для этого наклонных стенок лотка;

- очень жесткие требования к технологии изготовления лотков, а именно - выполнение среднего слоя днища только с открытыми порами, а двух изолирующих слоев, между которыми он расположен только с закрытыми порами.

Первый недостаток обусловлен тем, что лоток изготовляют из листа вспененного полистирола (краевой угол смачивания 86° [1]), практически не смачиваемого материала, не позволяющего использовать капиллярный эффект.

Выполнить требования, отмеченные во втором недостатке практически невозможно, поскольку для этого необходимы одинаковые и неизменные свойства материалов, используемых при изготовлении листа вспененного полистирола, а также неизменные и очень точные параметры технологического оборудования, применяемого в их производстве, что невыполнимо на практике. Кроме того, совершенно исключаются внешние факторы, несомненно, влияющие на процесс получения листа поропласта, а также целый ряд внутренних, связанных, например, с количеством и размерами центров кристаллизации, условиями охлаждения и рядом других.

Техническим результатом, достигаемым полезной моделью "Лоток для упаковки пищевых продуктов, содержащих влагу", является улучшение поглощения влаги лотком за счет поглощения ее боковыми стенками и уменьшение расхода вспененного полимера, а также упрощение технологии производства лотков.

Последнее достигается тем, что изолирующие слои листа вспененного полимера выполняют преимущественно с закрытыми и частично с тупиковыми порами, а слой, лежащий между ними и предназначенный для поглощения влаги, преимущественно с открытыми и частично с тупиковыми и закрытыми порами.

Увеличить поглощение влаги лотком можно за счет:

- увеличения толщины среднего слоя днища, что ведет к увеличению расхода материалов и затрат на изготовление;

- уменьшения толщины слоя закрытых пор и максимально возможного увеличения размеров открытых пор лотка;

- повышения гидрофильных свойств материала (уменьшения краевого угла смачивания) и использования капиллярного эффекта для заполнения водой боковых стенок лотка, что может позволить даже уменьшить расход полимера на изготовление лотка.

Известно [1], что величина краевого угла смачивания на шероховатой поверхности _ш, связана с величиной его на так называемой "идеально гладкой" поверхности ₀ Уравнением Венцеля-Дерягина:

cos_ш=k×cos₀,

где k - коэффициент шероховатости поверхности.

В [1] под площадью "идеально гладкой" поверхности пленки подразумевается геометрическая площадь, рассчитанная после измерения ее известным мерительным инструментом без учета того факта, что любая поверхность при ближайшем ее рассмотрении имеет неровности (шероховатость), которые существенно увеличивают реальную площадь поверхности и, что не менее важно, оказывают влияние на величину угла смачивания.

Величину коэффициента k можно определить из соотношения площадей реальной - S_ш и "идеально гладкой" - S₀ поверхностей:

,

Увеличение шероховатости поверхности стенок лотка и, следовательно, коэффициента шероховатости - k, может быть достигнуто на стадии производства листа вспененного пенопласта за счет образования пузырьков газа максимально возможного размера и последующего преобразования большей части из них, лежащих внутри, в открытые поры. При этом вначале происходит образование пор и увеличение их размеров за счет подачи газа и его расширения. Одновременно с процессом формирования пор и охлаждения листа закрытые поры внутри него преобразуются в открытые, что связано с резким снижением давления газа внутри этих пор и усадкой их стенок под действием сил поверхностного натяжения и температурной деформации. Образующаяся при этом на внутренней поверхности открытых пор тончайшая пленка деформируется, образуя шероховатую поверхность внутри открытых пор, что приводит к сокращению "идеально гладкой" поверхности стенок пор - S₀. Отметим, что площадь поверхности тончайшей пленки, образовавшейся на стенках закрытых пор в процессе их охлаждения, усадки и разрушения при переходе в открытые поры (шероховатая поверхность - S_ш ), остается практически неизменной.

Следует подчеркнуть факт, что при смачивании (<90°) увеличение шероховатости поверхности, как правило, способствует уменьшению краевого угла смачивания [1].

При этом коэффициент шероховатости поверхности k достигает значений 2 и даже более, а краевой угол смачивания существенно уменьшается (1 пункт формулы).

Кроме того, в состав полимера на стадии производства вспененного листа вводится гидрофильная добавка в количестве до 4% (например, КПО-АФ в количестве до 2,5% от массы полимера; ПФ0022/01СЭ - до 4% и другие) или/и гидрофильный краситель [2] в количестве до 5% (2 пункт формулы).

Для улучшения поглощения влаги при одновременном уменьшении расхода вспененного полимера предпочтителен путь, при котором открытые поры среднего слоя листа еще на стадии его производства выполняют максимальными, но достаточными для обеспечения прочности лотка (например, 0,6÷1,5 мм). При этом не заботятся о капиллярных свойствах открытых пор лотка, которые могут быть достаточно малыми (даже незначительными), чем достигается максимальная поглощающая способность среднего слоя днища лотка.

При формовании лотка из листа вспененного полимера боковые стенки выполняют сужающимися к верхней их части, начиная от днища или с любого расстояния от дна, которое определяется капиллярными свойствами открытых пор (включая шероховатость), материалом лотка, гидрофильными добавками и красителями. При этом открытые поры в поперечном сечении боковых стенок лотка выполняют постепенно сужающимися, переходящими из округлой формы (в среднем слое днища) в эллипсовидные, обеспечивающие поднятие влаги на высоту стенок лотка и более. Возможно также выполнение боковых стенок постоянного поперечного сечения с эллипсовидными порами, обеспечивающими капиллярное поднятие влаги на высоту лотка и более (3 пункт формулы).

Используя уравнение Лапласа для капилляров, в которых жидкость, смачивая капилляр, образует поверхность, имеющую два радиуса кривизны (капилляры эллиптического поперечного сечения) можно записать следующее уравнение:

где - поверхностное натяжение жидкости, r₁, r ₂ - радиуса кривизны поверхности жидкости в капилляре, - плотность жидкости, g - ускорение силы тяжести, Н - высота столба жидкости в капилляре.

Известно, что радиусы кривизны поверхности жидкости в капилляре r₁ и r₂ связаны с размерами R₁ и R₂ эллиптического капилляра, а также углом смачивания (фиг.1a) соотношениями:

,

Выполнив преобразование уравнения Лапласа с учетом полученных соотношений, а также учитывая уравнение Венцеля-Дерягина получим:

Домножив обе части этого уравнения на R ₁ и выполнив преобразования, получим выражение для определения отношения R₁/R₂:

откуда легко можно определить R₂ .

Размеры открытых капилляров максимального размера в боковых стенках лотка, а также профиль боковых стенок лотка и их толщину можно определить следующим образом:

1. Определить высоту подъема жидкости в открытых капиллярах боковых стенок лотка максимального размера H₀ (фиг.1б) при условии сохранения толщины стенок листа, размеров и формы открытых капилляров (например, таких же, как в днище):

- для капилляров эллиптического сечения ,

- для капилляров круглого сечения .

Как видно из выражения полученного для капилляров эллиптического сечения высота подъема жидкости в них - H₀ зависит от обоих размеров сечения капилляра (R ₁ и R₂):

2. Определить ряд размеров R₂ открытых пор максимального размера для соответствующих высот H, в пределах H₀HH_л, по известному максимальному значению R ₁ (фиг.1б):

3. Зная величину R₂ на высоте H₀ (или R₁, если поры в сечении близки к окружности) и величину R₂ на высоте H и предполагая, что сжатие области открытых пор происходит только в одном направлении, причем равномерно, а также учитывая (4) можем определить коэффициент сжатия области открытых пор боковой стенки лотка K на любой высоте в пределах H₀HH_л:

На фиг.1а представлено изображение капиллярного явления в стенке лотка с эллиптическим шероховатым открытым капилляром, в котором под действием сил поверхностного натяжения воды при угле смачивания вода поднимается на высоту H.

На фиг.1б представлена схема разреза части лотка, включающая часть днища 1 и стенку лотка 2. Стенки и днище лотка выполнены с внутренним 3 и наружным 4 изолирующими слоями и, расположенным между ними, поглощающим слоем 5. Внутренний и наружный изолирующие слои выполнены преимущественно с закрытыми и частично с тупиковыми порами. Поглощающий слой - преимущественно с открытыми и частично с тупиковыми и закрытыми порами. При этом стенка лотка имеет переменную толщину. Часть боковой стенки лотка, прилегающая к днищу, выполнена той же толщины что и днище, а лежащая выше - сужающейся к верхней кромке лотка. При этом сужение выполнено главным образом за счет среднего слоя и только частично за счет крайних слоев стенок лотка.

Днище лотка со стороны расположения продукта выполнено с углублениями 6, проходящими через изолирующий слой, прилегающий к влагосодержащему продукту, и оканчивающиеся в слое, поглощающем влагу (с открытыми порами) не доходя до наружного изолирующего слоя.

Лоток изготавливают штамповкой с предварительным подогревом из ранее изготовленного и выдержанного листа вспененного полимера с преимущественно открытыми порами в среднем и преимущественно закрытыми порами в крайних слоях листа.

Лоток работает следующим образом. При упаковке, например, влажных куриных окорочков они укладываются рациональным образом в лоток и обматываются сверху пленкой. Затем лотки с продуктом транспортируются к месту хранения, например, витрина - холодильник с температурой хранения выше 0°C, и укладываются в ней. В процессе хранения из окорочков стекает жидкость, которая через отверстия, выполненные в изолирующем и поглощающем слоях днища, стекает в поглощающий слой лотка. При установке лотков на горизонтальную поверхность жидкость вначале заполняет полость открытых пор днища, а затем за счет смачивания и капиллярных свойств лотка заполняет его стенки. Если лоток хранится на наклонной поверхности жидкость (при достаточных угле смачивания и капиллярных свойствах) также удерживается внутри него. Последнее условие (размеры открытых пор) может быть определено по методике приведенной ранее.

В лотках, выполненных из не смачиваемых поропластов жидкость вытекает через открытые поры в отбортовке лотков и отверстия в днище.

Литература

1. Богданова Ю.Г. Адгезия и ее роль в обеспечении прочности полимерных композитов, Учебное пособие для студентов по специальности «Композиционные наноматериалы», Из-во МГУ им. М.В.Ломоносова, Научно-образовательный центр по нанотехнологиям, М., 2010 г., 68 с.

2. В.В.Копылов, Берегись искры. Химия и жизнь, 1978, 7, с.34-39.

1. Лоток для упаковки пищевых продуктов, содержащих влагу, выполненный из листа вспененного полимера с ламинированным покрытием одной или двух сторон или без него, включающий плоское или выпуклое в сторону продукта дно прямоугольной или иной формы, наклонные или иные боковые стенки с отбортовкой или без нее, при этом слои листа вспененного полимера, обращенные к пищевому продукту и наружу, выполнены с закрытыми порами, а слой между ними - с открытыми, сообщающимися между собой порами, часть из которых через углубления, равномерно расположенные на всей поверхности дна или ее части у стенок, сообщается с областью размещения продукта, отличающийся тем, что, с целью упрощения технологии производства, слои вспененного полимера в днище и боковых стенках лотка, обращенные к пищевому продукту и наружу, выполняют преимущественно с закрытыми и частично с тупиковыми порами, а слой, лежащий между ними, преимущественно с открытыми и частично с тупиковыми и закрытыми порами, при этом стенки пор выполнены шероховатыми с коэффициентом шероховатости поверхности k, преимущественно равном 1,5-2 и более, но не ниже 1,2 и краевым углом смачивания менее 85°.

2. Лоток для упаковки пищевых продуктов, содержащих влагу по п.1, отличающийся тем, что, с целью улучшения поглощения влаги, а также уменьшения расхода полимера за счет поглощения влаги боковыми стенками, в состав вспененного полимера на стадии производства листа вводится гидрофильная добавка в количестве до 4% или/и гидрофильный краситель в количестве до 5%.

3. Лоток для упаковки пищевых продуктов, содержащих влагу по п.1 или 2, отличающийся тем, что, с целью улучшения поглощения влаги и уменьшения расхода вспененного полимера, открытые поры в среднем слое днища лотка выполняют максимально возможного размера, а в боковых стенках или/и их части - эллипсовидными, сужающимися в поперечном сечении к верхней части лотка, либо постоянно узкими щелевидными, обеспечивающими капиллярное поднятие влаги, по крайней мере, на высоту лотка.

4. Лоток для упаковки пищевых продуктов, содержащих влагу по п.3, отличающийся тем, что, с целью улучшения поглощения влаги боковыми стенками, коэффициент сжатия области открытых пор боковых стенок лотка K на любой высоте в пределах H₀HH_л выдерживают в соответствии с выражением , а в области HH₀ соответственно условию K1.