Комбинированные материалы: области применения и способы изготовления

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Современные требования к гибким упаковочным материалам заставляют производителей искать пути и способы удовлетворения возрастающего спроса. Развитие новых технологий в области производства полимерных материалов на базе достижений физики и химии позволило создавать многослойные и комбинированные материалы с новыми характеристиками (в том числе с барьерными свойствами), одним словом, упаковку, способную длительно сохранять продукты и товары массового спроса.

Многослойные и комбинированные материалы являются одним из видов композиционных материалов. Поэтому деление упаковочных материалов на многослойные и комбинированные достаточно условно. Термин "многослойные материалы" относится к группе материалов, состоящих только из слоев синтетических полимеров, в то время как в состав комбинированных материалов входят слои материалов различного типа (бумага, фольга, ткань). Комбинированные и многослойные материалы находят широкое применение в качестве упаковки.

1. КОМБИНИРОВАННЫЕ И МНОГОСЛОЙНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

К комбинированным материалам относятся композиции, состоящие из слоев различной природы – полимерные пленки, бумага, алюминиевая фольга (ПЭТФ/AL/ПЭ, ОПП/металл/бумага, алюминиевая фольга/бумага, бумага/ПЭТ, бумага/алюминиевая фольга/ПЭ, бумага/алюминиевая фольга/ПП). Широкое применение такие пленки нашли в кондитерской промышленности. На смену однослойным пленкам с твист-эффектом пришел комбинированный материал, в состав которого входят бумага, обеспечивающая твист-эффект, и металлизированная ориентированная пленка с хорошими печатными свойствами. Полученный материал имеет более высокие показатели по проницаемости кислорода, что весьма важно для жиросодержащих продуктов. В процессе изготовления используются межслойная печать, металлизация, покрытие термолаком и другие виды покрытий.

К многослойным полимерам обычно относятся материалы, состоящие из полимерных слоев. Это, как правило, ориентированные и неориентированные пленки – ПП, ПЭ, полиамидные, лавсановые. Практически неисчерпаемы возможности сочетаний самых различных по своим характеристикам отдельных слоев таких пленок. При этом свойства упаковки можно серьезно изменить, варьируя общую толщину материала, толщину отдельных слоев и изменяя их порядок в структуре комбинированного материала. Кроме того, отдельные слои в многослойных пленках можно модифицировать специальными добавками. Комбинируя несколько слоев разных полимеров, производитель может воспользоваться возможностью механических свойств одного полимера и барьерных свойств другого для создания более совершенной упаковки. Так, например, не свариваемая ПЭТ-пленка, но обладающая высокими барьерными свойствами (низкая газопроницаемость) в сочетании с ПЭ, имеющим высокую прочность сварного шва, дает упаковочный материал, характеризующийся отличными барьерными свойствами и качеством сварного шва.

Многослойные и комбинированные материалы являются одним из видов композиционных материалов. Поэтому деление упаковочных материалов на многослойные и комбинированные достаточно условно. Термин "многослойные материалы" относится к группе материалов, состоящих только из слоев синтетических полимеров, в то время как в состав комбинированных материалов входят слои материалов различного типа (бумага, фольга, ткань). Комбинированные и многослойные материалы находят широкое применение в качестве упаковки. Это объясняется практически неограниченными возможностями варьирования их свойств за счет:

• выбора состава композиционного материала;
• установления порядка чередования слоев;
• обеспечения необходимого уровня адгезионного взаимодействия между слоями;
• выбора оптимальной технологии и оборудования для получения конкретного материала.

Порядок чередования слоев, т.е. структура композиционного упаковочного материала, определяется его функциональным назначением. Внешний слой (субстрат) осуществляет защиту от внешнего воздействия, а также служит основой для нанесения красочной печати. Обычно это двухосноориентированные полиэфирные, полипропиленовые или полиамидные пленки, бумага, картон.

Внутренний слой обеспечивает герметизацию упаковки. Средний или внешний слой обеспечивают барьерные свойства.

Монолитность композиционного упаковочного материала достигается за счет адгезии. Адгезией называется сложный комплекс явлений, приводящих к соединению разнородных тел, приведенных в контакт, в единое целое. На способности полимеров к адгезии основано их использование в качестве пленкообразующих материалов (клеи, герметики, покрытия), а также при получении наполненных и армированных полимерных материалов. Для создания адгезионного соединения один из материалов должен быть пластичным, текучим (адгезив) а другой может быть твердым (субстрат). Иногда при соединении одинаковых по химической природе материалов возникает самослипаемость (аутогезия). Количественно адгезия оценивается работой разрушения соединения, отнесенной к единице поверхности, этот показатель называется адгезионной прочностью.

Среди двухслойных пленок наибольшее распространение при упаковывании пищевых продуктов получил материал целлофан-полиэтилен. Это один из старейших материалов этой группы. Материал широко известен под фир-менными названиями: "вискотен", "метатен", "целотен", "целлоглас-РЕ", "ламитен" и др., а в отечественной практике ПЦ-2, ПЦ-4. Он сочетает в себе прочность и газонепроницаемость целлофана с паронепроницаемостью, водостойкостью и способностью к термической сварке ПЭ.

Двухслойный материал полиэфир (лавсан) - полиэтилен выпускается отечественной промышленностью под названиями ЛП-1, ПНЛ, СП-2. В зарубежной практике он известен под фирменными названиями: "майлар-РЕ", "хостафан-РЕ", "терфан-РЕ", "майлотен", "скотчпак", "экструэстер" и др. Пленки этого типа имеют ряд преимуществ перед целлофан-полиэтиленом. Они прочнее, адгезионная прочность их выше, они влагоустойчивы, пригодны для эксплуатации в широком температурном интервале (от -70° до 100 С), а при использовании ПЭНД в качестве внутреннего слоя даже до 120 °С.

Двухслойный материал полиамид-полиэтилен ("алкорон", "комбитен", "экструамид"). В отечественной практике используется для изготовления пленок, пригодных для упаковывания пищевых продуктов в вакууме.

Другие пленки на основе полиамида, например, полиамид-полипропилен выдерживают нагревание до 135°С, трехслойные пленки ПЭ-ПА-ПЭ могут подвергаться глубокой вытяжке до 180 мм при толщине исходного материала до 300 мкм, использование ПВДХ в качестве промежуточного (барьерного) слоя в трехслойном материале ПА-ВДВХ-ПЭ позволяет получать упаковочную пленку с повышенными защитными свойствами.

В случаях, когда необходимо получить упаковочный материал с мини-мальной гаэо-, ароматопроницаемостью, но прозрачный, в состав упаковочного материала вводят ПЭТФ, сочетая 4-5 и даже болей компонентов, например, ПЭЛАК-4 (ПЭНП-ПЭТФ-ПЭТФ-ПЭНП), ПОЛАК-4 (ПП-ПЭТФ-ПЭТФ-ПП).

К группе материалов на основе бумаги или картона относятся бумага и картон (плотностью от 40 до 500 г/м2) с полимерными покрытиями. Из полимеров чаще других используют ПЭ, сополимеры этилена с винилацетатом (типа ЭВА), сополимер ВХВД, полипропилен. Так, например, комбинированный материал для упаковки молока и молочных продуктов в пакеты тетраэдральной формы состоит из бумаги с полиэтиленовым покрытием и красочной печатью, покрытой парафином (ОСТ 49-112-76). Комбинированный материал для упаковки молока и молочных продуктов на автоматах "Тетра-Брик" - бумага с нанесенной с одной стороны красочной печатью и покрытая с двух сторон ПЭ (ТУ 49-312-75). Во всех случаях при изготовлении материалов бумага-ПЭ-картон-ПЭ или бумага-ЭВА и другие покрытия наносят экструзионным способом, сополимеры ПВДХ (из дисперсий) - валковым способом.

Материалы на основе алюминиевой фольги представляют собой пленки с высокими барьерными свойствами, успешно конкурирующие с традиционными видами стеклянной и металлической тары. В большинстве случаев на базе этих материалов изготавливают различные виды эластичной упаковки (пакеты), используя тонкую алюминиевую фольгу - 7-14 мкм.

Сегодня разработаны оригинальные комбинированные материалы на основе алюминиевой фольги:

• буфлен (бумага-фольга-ПЭ) для упаковки сухих пищевых продуктов;
• лафолен (лавсан-фольга-полиолефины) в виде пакетов для упаковки пи-щевых продуктов, соков с последующей их стерилизацией;
• цефлен (целлофан-ПЭ-фольга-ПЭ) для упаковки продуктов сублимационной сушки на скоростных упаковочных автоматах;
• ламистер (лак-фольга-ПП) для изготовления тары холодным штампованием при упаковке продуктов, подвергающихся стерилизации и пастеризации.

В последнее время при конструировании многослойных упаковочных материалов применяют металлизацию полимерных пленок. Металлизация - процесс нанесения тончайших слоев металла (до 3 х 10-7 м) на поверхность пленочного материала в глубоком вакууме. При металлизации резко снижается газопроницаемость пленочных материалов, при незначительном расходе металла достигается непрозрачность упаковки, в том числе и для УФ-части спектра. Металлизированные пленки экономичнее алюминиевой фольги и имеют целый ряд технологических преимуществ: уменьшение массы пленочного материала, исключение повреждений металлического слоя при изгибах материала. Кроме того, металлизацию используют и в качестве приема декорирования полимерных материалов. [1], [3]

2. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Область применения многослойных материалов очень широка. Их эффективность подтверждена многолетними практическими испытаниями упаковки мяса и мясопродуктов, обработанной рыбы, сыра, жиросодержащих продуктов, соусов, паштетов, кондитерских изделий. Они практически незаменимы для упаковки продуктов в модифицированной газовой среде. Важная область применения многослойных пленок - упаковка медицинских препаратов и изделий под вакуумом и в специально подобранной газовой среде. Многослойные пленки часто применяются для упаковки парфюмерных товаров и разнообразных химикатов. Это целесообразно для изоляции химического реагента от воздействия окружающей среды или наоборот, когда упаковываемое вещество небезопасно. Обычный покупатель, приобретая продукты в супермаркете, и не подозревает, сколько специалистов, какие ресурсы, какие разработки и технологии были задействованы в процессе изготовления небольшого пакетика с тем или иным товаром. [1], [2]

3. СПОСОБЫ ПРОИЗВОДСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНОК

В настоящее время технические возможности современного оборудования для изготовления многослойных пленок позволяют охватить практически весь спектр рынка высокоэффективной барьерной упаковки. Основные способы производства многослойных пленок и материалов: ламинирование, соэкструзия, экструзионное ламинирование, каширование. Они различаются между собой типом соединительного слоя.

Ламинирование

При этом способе плоскощелевая головка располагается над протягиваемым под ней материалом, в результате чего на него наносится слой расплава полимера или клей. Для изготовления многослойных и комбинированных материалов применяются специальные промышленные ламинаторы. В зависимости от использования разных типов клеев ламинаторы разделяют на бессольвентные (solventless/solvent free) и универсальные. Бессольвентными называются ламинаторы, в которых используются клеи, не имеющие в своем составе растворителей. Универсальные ламинаторы — это машины, в которых можно использовать различные клеи и покрытия: без растворителей, с растворителями, на водной основе, УФ-отверждения, микровоски и составы Hot Melt. Современные ламинаторы способны работать с материалами толщиной менее 6 мкм и весом менее 15 г/м2, с одной стороны, а также создавать многослойные материалы общей толщиной более 800 мкм, создавая супертонкие и супертолстые (конечно же, для отрасли ламинированных материалов) комбинированные материалы с различными барьерными свойствами.

Соэкструзия

Это процесс получения многослойных материалов, представляющих комбинацию из нескольких полимерных слоев, за один цикл. Он наиболее распространен для производства барьерных пленок. С помощью этого метода можно производить огромный ассортимент пленок со свойствами, которые невозможно получить путем однослойной экструзии. Например, можно изготовить пленку, у которой липкой будет только одна из сторон, она применяется для защиты полированных алюминиевых поверхностей, стекла, мебели и др. изделий от механических повреждений. Метод соэкструзии помогает попутно решить и экономическую проблему – снизить издержки производства за счет изготовления пленки за один цикл (вместо многоступенчатого процесса), а также использования менее дорогих полимеров или даже отходов пластмассового производства во внутренних слоях пленки.

Сухое каширование и экструзионное ламинирование

Несмотря на достижения соэкструзии, существуют структуры, которые в принципе невозможно изготовить на одной экструзионной линии, например, сочетание «металлизированный полипропилен + полиэтилен» или «алюминиевая фольга + полипропилен». Для того чтобы соединить «несочетаемое», разработаны методы, получившие название «сухое каширование», «экструзионное ламинирование». Последний сочетает ламинацию и сухое каширование. Для соединения двух материалов между собой по методу сухого каширования сегодня в основном используется бессольвентный ламинатор, в котором для соединения материалов между собой применяется двухкомпонентный клей без растворителя. Используется для производства упаковки сливочного масла, мороженого, комбинации «фольга + полиэтилен», образующую колпачок, закрывающий горлышко бутылки с шампанским и др. В целом ситуация на рынке многослойных материалов оптимистична. Прослеживается рост спроса и потребления на различные материалы; растет конкуренция, что заставляет производителей создавать новый дизайн для товаров и продуктов. Главное при выборе типа упаковочного материала – иметь четкое представление, какими барьерными, прочностными, эстетическими свойствами он должен обладать. [1]