PET pişirme torbalarının su buharı geçirgenliğine ısıl işlem etkisi
- JACOM_CONTENT_CREATED_DATE_ON
- JACOM_CONTENT_WRITTEN_BY
Bu çalışmada, piyasadaki PET esaslı pişirme torbalarına 120 dakika boyunca farklı sıcaklıklarda (180 – 260oC) ısıl işlem uygulanıp, filmlerin yapısında, ısıl özelliklerinde ve su buharı geçirgenliğinde oluşan değişimler gözlenmiştir. Filmlerin FTIR spektrumlarında ısıl işleme bağlı bir değişim gözlenmemiştir.
TGA analizi incelemesinde ön ısıl işlem sürecinde bazı uçucu bileşenlerin uzaklaşmış olabileceği görülmüştür. Filmlerin su buharı taşınım hızının ısıl işlem ile bağlantısı incelenmiştir. 200oC’de 120 dakikaya kadar olan ısıl işlemlerin PET filmin 24,7 g/(m2.gün) olan su buhar taşınımını değiştirmediği, bu sıcaklığın üstünde ise filmlerin geçirgenliğinin arttığı saptanmıştır.
Anahtar Sözcükler: PET, polietilen tereftalat, su buharı geçirgenliği, su buhar geçirgenlik hızı, kap testi
GirişPolietilen tereftalat (PET) günümüzde yiyecek içecek kapları, pişirme torbaları gibi birçok kullanım alanı bulmaktadır. PET’i ambalaj sektörünün en çok seçilen malzemelerinden biri yapan özelliklerinin başında, geri dönüşebilir bir polimer olması ve su buharı geçirgenliğinin düşüklüğü gelmektedir. PET ürünlerin gaz ve nem geçirmezliğinin yanı sıra, kimyasal dayanımı da yüksektir. Ayrıca tamamen geri dönüşebilir olduğundan çevre dostu bir termoplastiktir. Amerikan Gıda ve İlaç Dairesi (FDA) PET’in güvenli olduğunu kabul etmiştir [1].
PET malzemelerinin geri dönüşüm sürecindeki ısıl işlemlere bağlı olarak yapısında oluşan değişimleri görmek için Fourier Dönüşüm Kızılötesi (FTIR) spektroskopisi, ısıl kararlılığını incelemek üzere ise Isıl Gravimetrik Analiz (TGA) uygulanmaktadır. PET, 1712 cm-1 (C=O bağı), 1410, 1018, 872 cm-1 (aromatik halkaların titreşimi), 1340 ve 1177 cm-1 (-CH2 grubu), 1244 ve 964 cm-1 (C-O bağı) dalga boylarında, karakteristik soğurum tepe noktaları vermektedir [2]. Favaro ve arkadaşları [3] PET filmin TGA eğrisinde 380oC’de bozunmaya başladığını ve ağırlığının yaklaşık %87’sini kaybettiğini saptamıştır.
Ambalaj filmleri için su buhar geçirgenliği önemli bir özelliktir. Küçük moleküllerin polimer içerisindeki taşınım özellikleri, o polimerin kimyasal yapısı, molekül ağırlığı, kristallenme derecesi, morfolojisi, camsı geçiş sıcaklığı gibi özelliklerine bağlı olarak değişir [4].
Bilimsel kaynaklarda PET filmlerin su buharı geçirgenliği ve su buhar taşınımı, 38 oC’de 2,82x10-15 kg.m/(m2.s.Pa) ve 0.46mm kalınlıktaki filmden 3,48 g/(m2.gün) olarak ölçülmüştür [5].
Bu çalışmada, çeşitli koşullarda ısıl bozunmaya uğrayan PET pişirme torbalarının FTIR ve TGA yöntemleriyle yapısal ve su buharı geçirgenliğinin değişimi incelenmiştir. Bu sonuçlar, PET’in geri dönüşüm sürecinde uğradığı değişimleri değerlendirmek üzere de kullanılabilir.
Kuramsal
PET filmlerin gerek sakladığı gıdanın tazeliği, gerekse pişirme sürecinde buharı koruması için gaz ve su buharı geçirgenliğinin düşük olması beklenir.
ASTM E 96 Standardı su buhar taşınımının saptanması için bir yöntem tanımlar [6]. Bu yöntemde; su buhar taşınım hızı (SBT), m ağırlık kaybı (g), t süre (saat), A geçirgenlik alanı (cm2) olmak üzere, g/cm2.saat biriminden, Denklem 1’de verildiği gibi hesaplanır.
Gaz ya da buhar geçirgenliği birim alandan, birim basınçta filmden geçen miktar ile ifade edilmektedir [7]. Su buhar geçirimi (SBG), P ortamda su buharı geçirimi sonucunda oluşan basıncı (Pa), Po su buharının o sıcaklıktaki doygunluk basıncını (Pa) ve BN bağıl nem oranını vermek üzere, Denklem 2’de verildiği gibi hesaplanır.
Deneysel
Bu çalışmada piyasada fırın torbası olarak satılmakta olan PET filmlerin yapıları Perkin Emler Spectrum BX model FTIR cihazı ile incelenmiştir. Filmlerin ısıl davranışı Shimadzu-DTG 60H model TGA ile 700 oC’ye kadar 20 oC/dak ısıtma hızı ile ve 100 ml/dakika azot akışı altında çalışılmıştır. Filmlerin su buhar geçirgenliklerinin incelenmesi için ASTM E 96 uygulanmıştır. PET pişirme torbasından kesilip farklı süre ve sıcaklıklarda ısıl işlem görmüş filmlerle 50 mL saf su içeren kapların ağzı kapatılmış ve bu kapların 25oC’deki inkübatörde (NUVE EN 400 model; çalışmada su/ortam hacmi 5,68x10-3) yaklaşık iki hafta süreyle ağırlık azalması izlenmiştir.
Sonuçlar ve Tartışma
Fırın torbası olarak kullanılan PET filmler, kullanım sürecinde gördüğü ısıl işlem ile benzeşim kurularak 180, 200, 220, 240 ve 260 oC’de 120 dakika tutulmuştur. Pişirme sürecinde yapısında oluşabilecek farklılıklar FTIR ile incelenmiş ve ısıl dayanıklılığı TGA ile incelenmiştir. İşlem görmemiş PET filmin ve 180, 200, 220, 240 ve 260 oC’de 120 dakika tutulmuş filmlerin FTIR spektrumları Şekil 1’de verilmiştir. Bu filmlerin tepe noktalarının görüldüğü dalga sayıları ±1 oC doğruluk ile aynı olmak ile birlikte, tepe yüksekliklerinde bir miktar değişim görülmektedir. Bu sonuç, ısıl işlem sonrası filmlerin yapısında dikkate değer bir değişimin olmadığını göstermektedir. Tepe noktalarının bulunduğu dalga sayıları ve ilgili kimyasal yapılar Tablo 1’de verilmiştir. Pişirme sürecinde su buhar geçirgenliğinin değişimini gözlemek için geçirgenlik testleri yapılmıştır. (Şekil 1) (Tablo 1)
FTIR analizinde 1339cm-1 dalga sayısındaki band bazı kaynaklarda verilen, PET’in yapısındaki metilen grubu veya karboksil grubu olabileceği gibi, PET’in yapısında bulunmayan, PET film üretim sürecinde kullanılmış bir kaydırıcıya ilişkin N-H veya N-O bağı olabileceği düşünülmüştür.
PET filmlerin ısıl işlem öncesi ve sonrası ısıl gravimetrik analiz eğrileri Şekil 2’de, bu analizde gözlenen bozunma başlangıç sıcaklığı, bozunma tepe sıcaklığı ve ağırlık kaybı Tablo 2’de verilmiştir. Bozunma başlangıç sıcaklığı 350oC olarak saptanan, 260 oC’de 120 dakika ısıl işlem görmüş filmin ağırlık kaybının %78,7 olması, önceki ısıl işlem sürecinde %2,6 oranında kayıp olduğunu ortaya koymaktadır. Bu kaybın, FTIR analizinde sözü geçen PET film üretim sürecinde kullanılmış bir kaydırıcıdan kaynaklanabileceği düşünülmüştür. Isıl işlem sıcaklığı arttıkça filmin bozunmasının daha erken başladığı ve daha erken tepe sıcaklığına ulaştığı anlaşılmıştır. (Şekil 2) (Tablo 2)PET filmlerin su buhar geçirgenlikleri incelendiğinde ısıl işlem görmemiş PET filminin 24,7 g/(m2.gün) olarak saptanan su buharı taşınım hızının 120 dakika boyunca 180oC ve 200oC’de ısıl işlem gördükten sonra değişmediği, 220oC ve 240oC’de ise sırasıyla 29,4 ve 47,0 g/(m2.gün) değerine ulaştığı anlaşılmıştır.
Filmlerin ısıl işlemden önceki homojen kalınlıklarının (0.008mm) ısıl işlemden sonra değiştiği gözlenmiştir. Isıl işlem ile kalınlığının değişmesinin su buhar geçirgenliğinin artmasında başlıca etken olduğu düşünülmüştür.
Yorum
Bu çalışmada piyasada bulunan bir pişirme torbasının farklı sıcaklık ve sürelerde ısıl işlem sonucunda uğradığı yapısal, ısıl ve su buharı taşınımına ilişkin özelliklerindeki değişimler incelenmiştir. FTIR spektrumlarının genel incelemesi, filmlerin belirgin bir yapısal değişime uğramadığını göstermiştir. Ancak FTIR spektrumlarının ayrıntılı analizinin diferansiyel taramalı kalorimetre X-ışını kırınımı ve atomik kuvvet mikroskobu analizleri ile desteklenerek yapılması, başka bir çalışmaya bırakılmıştır.
Bu çalışma pişirme torbalarının fırında kullanım sürecinde geçirdiği değişimi kavramak açısından önem taşımaktadır. Bu ürünlerin kullanımında uğradığı ısıl işlem sürecinde yapısında gıdaya uygun olmayan bozunma ürünleri vermemesi olumlu bir noktadır. Bu sonuçlar PET malzemelerin geri dönüşüm incelemelerinde kaynak oluşturabilir.
Bilgilendirme ve Teşekkür: Bu çalışma, 3-6 Eylül 2012 tarihleri arasında İstanbul’da Koç Üniversitesi tarafından düzenlenen 10.Ulusal Kimya Mühendisliği Kongresinde (UKMK-10) sözlü olarak sunulmuştur.
Bu proje 11 MÜH 040 No ile Ege Üniversitesi BAP kapsamında desteklenmiştir. Katkılarından dolayı diploma projesi öğrencisi Orhun Uzdiyem’e teşekkür ederiz.
Kaynaklar
1. http://www.plasticsinfo.org/Main-Menu/MicrowaveFood/Need-to-Know/Plastic-Bev-Bottles/The-Safety-of-Polyethylene-Terephthalate-PET.html Ulaşım tarihi: 27.06.2012
2. M. Drobota, M. Aflori ve V. Barboiu, “Protein Immobilization On Poly(Ethylene Terephthalate) Films Modified By Plasma And Chemical Treatments”, Journal of Nanomaterials and Biostructures, 5(2010):1, 35 – 42.
3. S.L. Fávaro, A.F. Rubira, E.C. Muniz ve E. Radovanovic, “Surface modification of HDPE, PP, and PET films with KMnO4/HCl solutions”, Polymer Degradation and Stability, 92(2007), 1219-1226.
4. C. Sammon, J. Yarwood, ve N. Everall, “A FTIR–ATR Study of Liquid Diffusion Processes in PET Films: Comparison of Water with Simple Alcohols”, Polymer 41 (2000) 2521–2534.
5. http://www.foodpack.ca/images/Water_Vapour_Transmission_Rate.pdf Ulaşım tarihi: 12.03.2012
6. P. Mukhopadhyaya, M.K. Kumaran, ve J. Lackey, “Use of The Modified Cup Method to Determine Temperature Dependency of Water Vapor Transmission Properties of Building Materials”, Testing and Evaluation, 33(2005), 316-322.
7. J. Potreck, K. Nijmeijer, T. Kosinki, ve M. Wessling, “Mixed Water Vapor/Gas Transport Through The Rubbery Polymer PEBAX 1074”, Journal of Membrane Science, 338(2009), 11 -16.
