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食品技术专家可能不知道的关于乳化剂的10件事

食品技术专家可能不知道的关于聚合物中乳化剂的10件事

随着塑料的增加,生产商和加工商越来越有必要选择可用于敏感应用的添加剂,例如食品包装,而不必考虑食品安全或环境。作为食品科学家,你可能会怀疑乳化剂在塑料应用中能做什么。当听到乳化剂作为塑料添加剂时,以下十个问题可能会出现在你的脑中:

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1. 这是一个新的应用吗?

GMS(单硬脂酸甘油酯)这样的乳化剂已在聚合物行业使用了三十多年,主要用作抗静电添加剂,但随着食品行业对乳化剂理解的增加,越来越多的乳化剂被用于塑料的各种应用中。


2. 它们和食品中的乳化剂一样吗?

许多与食品中使用的完全相同的乳化剂已被证明可作为有效的聚合物添加剂。举个例子,我们可以从人造黄油配方中取一种乳化剂,并将其加入塑料中以实现抗静电效果。然而,多样化的乳化剂化学也可以用来制造全新的、量身定制的分子,这些分子针对塑料中的每种特定应用进行了优化。


3. 用作聚合物添加剂的乳化剂是食品级的吗?

使用乳化剂作为聚合物添加剂的一大优势是其固有的食品级地位。在一个对塑料包装中添加剂的关注日益增加,导致对与食品直接接触的物质进行更多监管和控制的世界里,它们代表了一组安全无害的添加剂。因此,乳化剂是当前受关注添加剂的有效替代品。然而,也可以制造非食品级的乳化剂衍生物,然后用于食品包装应用之外。

4. 乳化剂如何能成为聚合物添加剂? 它如何运作?

大多数乳化剂被混入聚合物中,就像面团中的人造黄油一样,之后聚合物被塑造成长片或物体,而不是饼干或玛芬,通过挤压或注射成型。生产后,根据乳化剂的不同,它会立即或在几天内迁移到表面,在那里它会定位在塑料和空气的界面。在这里,它会使塑料表面更亲水,从而吸引微量的水分,这有助于消散静电,使表面具有抗静电性;或者它可以将雾状表面上的水滴铺展成一层透明的水膜,产生防雾效果。


5. 它们好用吗/它们比现有的添加剂替代品更好吗?

在某些情况下,使用特别设计的乳化剂或混合物可以实现卓越的性能,但在其他情况下,它们只是达到了行业现有标准。除了性能之外,乳化剂最大的优势之一是其食品级和生物基性质的结合,这使它们摆脱了目前围绕聚合物行业今天使用的聚合物添加剂的大部分担忧。随着客户对安全包装需求的增加,未来几年随着法规的不断收紧,这一趋势只会变得更强。

6. 是什么使乳化剂成为一种好的聚合物添加剂?

关键是其两亲性,即既亲水又亲脂,这也同样被用于食品应用中。然而,它们不是在油/水界面起作用,而是迁移到聚合物表面,到达聚合物/空气界面。这种迁移很大程度上受聚合物类型及其结晶度的控制,但乳化剂的化学构成也起着重要作用。短链甘油酯在加工过程中几乎立即迁移到表面,这使它们非常适合用于注射成型中的脱模或在后续加工中需要即时抗静电效果时。中长链甘油酯可能需要数天才能到达表面,从而产生延迟效应,而这种效应通常持续更长时间。同样类型的脂肪酸的聚甘油酯在温室薄膜防雾等挑战性应用中也表现出非常好的性能,因为需要长效性能。

 

在加工成薄膜或注射成型件后,最终产品的抗静电性能通过静电衰减时间或表面电阻率进行评估。

 

7. 使用乳化剂作为塑料添加剂是否有任何缺点?

聚合物行业对这些产品的挑战之一是它们的物理形态。有些是颗粒状的,许多生产商可以处理,但有些是膏状或液态的。这意味着生产商必须将它们加热并以液体形式计量,如果他们没有合适的设备,这在挤压生产线上可能很难处理。这也是为什么用作聚合物添加剂的乳化剂最大的客户群体之一是母粒生产商。他们可以在他们的挤压线上将添加剂与聚合物混合,创造出一种浓缩混合物,即母粒,呈颗粒状,便于将塑料塑造成椅子或桶等可用部件的加工商处理。

另一个缺点是需要达到正确的浓度。这通常不是问题,但不幸的是,并非你放得越多效果就越好,就像过多的乳化剂会在蛋糕中产生不希望的糕体或使巧克力过于粘稠一样。在聚合物添加剂的情况下,过多的乳化剂会导致过度迁移到表面,在塑料表面形成一层可见的油腻层——很像巧克力中的脂肪起霜。例如,在一台黑色闪亮的咖啡机上,你不会希望表面有这样一层乳白色的膜,而且到那时,当产品开始起霜时,它就不再提供抗静电或防雾效果了。因此,在使用乳化剂作为聚合物添加剂时,不要过量使用是很重要的。


8. 哪些申请?

乳化剂在塑料的若干应用中表现出优异的性能。

  • 抗静电:在这里,它能防止在塑料产品的生产、处理和使用过程中产生静电。静电积聚在生产过程中可能是一种危险,因为它可能导致突然的静电放电,击中人员或使机器短路。在处理和使用过程中,静电会使塑料产品几乎无法分离,或引起灰尘吸附,这使得包装难以正确密封,或导致产品看起来脏乱且不吸引人。

     

  • 防雾:它们通过将水铺展成一层薄而透明的薄膜,而不是让小水滴遮挡视线,从而改善产品的视觉呈现。因此,它不是去除水滴,而是在塑料表面上以薄膜形式保留水分,这也有助于防止例如一袋沙拉底部形成水坑。

     

  • 脱模:它能防止塑料粘附在例如注射成型中使用的金属模具/工具上,使加工更快、更高效,且瑕疵产品更少。在这里,乳化剂在薄层中润滑塑料表面,而不影响后续的密封或产品印刷。

9. 性能如何评估?

乳化剂在各种应用中的性能评估与食品行业大不相同,因为质地、乳液稳定性和水分含量不用于聚合物添加剂的评估。 在加工成薄膜或注射成型件后,最终产品的抗静电性能通过静电衰减时间或表面电阻率进行评估。静电衰减时间是表面从5000伏特放电到500伏特(即电荷的10%)所需时间的表示。纯聚合物甚至无法充电到开始实验所需的5000伏特,而一种好的抗静电添加剂将显示出小于2秒的静电衰减时间。

在表面电阻率中,电流通过塑料件表面上给定距离的两个电极,并测定测量区域内的表面电阻。抗静电表面的范围在1010-1011欧姆/平方,而纯聚合物是绝缘的,表面电阻率在1012欧姆/平方及以上。

塑料薄膜的防雾性能通过从A到E的等级进行视觉评估,其中A是完全起雾,有非常小的水滴,E是透明薄膜,没有水滴。薄膜固定在装有水的容器上,然后在5°C的冷藏环境中进行评估,以模拟例如沙拉和肉类的冷藏,或在60°C的水浴中进行评估,以模拟例如刚煮好的饭菜等热应用。


10. 它们可以用于生物基或可生物降解的塑料吗?

植物基乳化剂特别适用于生物基和可生物降解的塑料。在这里,区分两种类型的“生物”塑料很重要。 生物基意味着源自富含碳的生物基材料,如甘蔗。这种类型可以转化为其化石基对应物的精确复制品,如PE(聚乙烯),它们是不可生物降解的。因此,乳化剂可以像在其化石基对应物中一样,成为生物基塑料中有效且安全的添加剂。 PLA(聚乳酸)是一种既是生物基又可生物降解的聚合物的例子。

PLA的生物降解性是其固有的,由于其酯骨架,它会像乳化剂一样,在水解作用下分解成无害的化合物。这使得乳化剂成为添加剂的明显候选者,因为它是完全可生物降解的,对环境安全。 因此,乳化剂是生物基和可生物降解塑料的绝佳选择,这是塑料行业中一个不断增长的领域,因为消费者要求更环保、不含化石燃料的替代品。

最近,科学家们甚至在研究基于空气中二氧化碳的聚合物,以帮助清除大气中过量的二氧化碳,这是碳基聚合物的完美原材料。

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