Многослойные и комбинированные материалы

Тонкий картон с плотностью от 141 до 400 г/м2 - часто используемый упаковочный материал как самостоятельно, так и в сочетании с другими материалами. Наибольшее распространение тонкий картон имеет в производстве складных коробок. При производстве тонкого картона помимо основного волокнистого материала используют вторичное сырье, красящие вещества, пигменты, склеивающие вещества (каустическая сода, квасцы и т.д.), крахмал для придания более качественного внешнего вида его поверхности. Часто тонкий картон лакируют с внешней стороны.

Гофрированный картон состоит из двух и более слоев, из которых по крайней мере один сформирован в виде волн (гофра) и приклеен к плоскому листу. Гофрокартон применяют для изготовления коробок для укладки различных предметов. Прочный картон (от 401 до 1200 г/м2) предназначен для изготовления ящиков с клеевым креплением боковых стенок или с применением металлических скрепок. Процесс производства прочного картона тот же самый, что и при производстве бумаги и тонкого картона: приготовление смеси, ее склеивание, добавление взвешенных веществ (глины или каолина), окраска при помощи минеральных пигментов или органических красителей.

Если бумажные материалы используются для изготовления потребительской тары, к ним предъявляются следующие требования:

- Бумага и картон, служащие для изготовления тары на ротационных машинах, должны иметь равномерную толщину по всей ширине, что обеспечит движение полотна бумаги (картона) на машине без перекосов и образования морщин.

- Листовая бумага (картон) должна иметь строго прямоугольную форму; косина допустима в пределах до 0,2%. Это обеспечит нормальную работу машин по заготовке закроя и выпуск изделий хорошего качества;

- Влажность бумаги должна быть в пределах 6-8%, а картона 6-12%.

- Бумага и картон, предназначенные для нанесения печати, должны иметь гладкую поверхность и зольность не менее 8%. Нормы гладкости и зольности устанавливаются стандартами, в зависимости от видов бумаги и способов печати.

- Механическая прочность бумажных материалов, применяемых для изготовления тары, должна соответствовать требованиям, предъявляемым к прочности изделий в зависимости от веса и свойств затариваемой в них продукции, способов ее транспортировки и условий хранения.

- Бумажные материалы, используемые для завертывания и изготовления тары, должны обладать водо-, паро-, аромато-, жиро- и газонепроницаемостью. Эти свойства бумажные материалы приобретают либо в технологическом процессе их производства за счет соответствующего размола волокнистых материалов, проклейки и добавки в массу синтетических смол, либо за счет специальной обработки уже готовых бумажных материалов, в результате чего получаются новые комбинированные материалы.

Тароупаковочные материалы на основе синтетических полимеров

Полиолефины

Наиболее известные их представители: полиэтилен низкой плотности (ПЭНП), полиэтилен высокой плотности (ПЭВП), линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП), полипропилен (ПП), сополимеры этилена с другими мономерами (ПП, винилацетатом), полибутен, поли-4-метилпентен и т.п. Основными областями переработки полиолефинов являются:

Полиэтилен низкой плотности (ПЭНП) по объему производства и применения занимает ведущее место во всех странах мира.

Свойства ПЭНП в значительной степени определяются степенью разветвленности, которая характеризуется количеством ответвлений на 100 углеродных атомов.

Разветвленность цепи препятствует плотной упаковке макромолекул ПЭНП и уменьшает степень кристалличности, которая колеблется в интервале 55-70%. Другим важным показателем, на который влияет разветвленность цепи, является температура размягчения. Температура размягчения ПЭНП намного ниже температуры кипения воды, поэтому этот материал не может быть использован для контакта с кипящей водой или паром при стерилизации.

Полиэтилен низкой плотности - пластичный, слегка матовый, воскообразный на ощупь материал. Плотность его может изменяться в пределах 0,916 - 0,935 г/см3. Пленки из ПЭНП легко свариваются тепловой сваркой и образуют прочные швы, склеивание пленок затруднено, но возможно при использовании клеев - расплавов, особенно на основе смесей полиэтилена и полиизобутилена. Нанесение печати на пленки из ПЭНП может осуществляться разными методами, но только при условии предварительной обработки поверхности в силу ее инертной неполярной природы химическими или физическими методами. Пленки из ПЭНП обладают такими свойствами, как прочность при растяжении и сжатии, стойкость к удару и раздиру. Очень важно, что сохраняется прочность при очень низких температурах (-60 - -70°С). Пленки водо- и паронепроницаемы, однако проницаемы для газов, поэтому непригодны для упаковки продуктов, чувствительных к окислению. Пленки из ПЭНП имеют высокую химическую стойкость, однако имеют низкую жиро- и маслостойкость. При наполнении ПЭНП крахмалом может быть получен материал, представляющий интерес в качестве биоразрушаемого материала.

Полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) синтезируется с использованием катализатора Циглера-Натта (комбинация триэтилалюминия и производ-ных титана).

Для ПЭВП характерно линейное строение, боковые цепи образуются, но они коротки и количество их невелико. Пленки на основе ПЭВП более жестки, менее воскообразны на ощупь, имеют большую плотность (0,96 г/см3) по сравнению с пленками на основе ПЭНП. Прочность при растяжении и сжатии выше, чем у ПЭНП, а сопротивление раздиру и удару ниже. Благодаря более плотной упаковке макромолекул проницаемость ПЭВП ниже, чем у ПЭНП примерно в 5-6 раз. По водопроницаемости ПЭВП уступает только пленкам на основе сополимеров винилхлорида и винилиденхлорида. По химической стойкости ПЭВП также превосходит ПЭНП (особенно по стойкости к маслам и жирам).

Одной из важнейших областей применения ПЭЗП является изготовление дутых экструдированных пустотелых сосудов (бочек, канистр, бутылей) для транспортирования и хранения кислот и щелочей.

Линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП) подобен по структуре ПЭВП, то есть имеет линейную структуру и в тоже время более многочисленные и длинные боковые ответвления.

Свойства ЛПЭНП являются промежуточными между свойствами ПЭНП и ПЭВП. Однако ЛПЭНП характеризуется более однородным распределением фракций полимера по молекулярной массе (полидисперсностью) по сравнению с ПЭНП. Основными преимуществами ЛПЭНП по сравнению с ПЭНП являют-ся: более высокая химическая стойкость; более высокие эксплуатационные свойства как при низких, так и при высоких температурах; большая устойчивость к растрескиванию; повышенная стойкость к проколу и раздиру.

ЛПЭНП применяется для производства непроницаемых растягивающихся и усадочных пленок с низкой проницаемостью.

Полипропилен (ПП) по свойствам приближается к ПЭВП, выгодно отличаясь от последнего меньшей плотностью, большой механической прочностью, жиро- и теплостойкостью, однако ПП значительно уступает ПЭ в морозостойкости.

Определяющим преимуществом применения ПП по сравнению с другими полиолефинами является более высокая температура плавления (170°С), что выражается в высокой теплостойкости материалов на его основе. Продукты, упакованные в ПП, кратковременно выдерживают температуру до 130°С. Последнее позволяет применять полипропилен в качестве упаковочного стерилизуемого материала.

Применяют неориентированные и ориентированные (в одном или в двух направлениях) ПП-пленки. Ориентированная пленка отличается высокой механической прочностью, особенно стойкостью к проколам, однако с трудом подвергается термической сварке, вызывая усадку материала в месте сварного шва. Ориентированную пленку из ПП используют в качестве защитного наружного слоя в многослойных материалах, а неориентированную ПП-пленку в качестве внутреннего термосвариваемого слоя. Неориентированные раздувные ПП-пленки наиболее широко применяют для упаковки текстильных товаров (трикотаж, рубашки, белье и т.д.). Их использование здесь обусловлено большей прозрачностью по сравнению с ПЭНП в сочетании с прекрасной свариваемостью на любых упаковочных машинах. Неориентированные ПП пленки применяют для упаковки медицинских изделий (особенно многоразового использования). Относительно высокая температура размягчения позволяет проводить автоклавную стерилизацию.

Крупнотоннажные сегменты рынка потребления ПП базируются на уникальных свойствах ориентированного ПП. К этим свойствам относятся более высокая прозрачность, высокие и барьерные свойства, более высокая ударная прочность (особенно при низких температурах) по сравнению с ПЭ. Для улучшения качества сварного шва ориентированный ПП покрывают другим полимером с более низкой температурой плавления. Часто для этой цели используют сополимер винилиденхлорида с винилхлоридом, как для покрытия пленок из целлофана. Покрытые и соэкструдированные ПП пленки используют для упаковывания печенья, где нужны особенно хорошие барьерные свойства к кислороду и водяным парам. Их же применяют для упаковки хрустящего картофеля и других видов сухих завтраков, предельно чувствительных к кислороду и парам воды. В такие пленки упаковывают кондитерские изделия и сигареты. Ориентированный ПП используют также для усадочных оберток, там, где нужен красивый внешний вид. Стоимость ПП-пленок выше, чем аналогичных изделий из ПЭНП; поэтому они применяют ся только там, где требуются большие прозрачность и блеск, чем может дать ПЭНП.

Виниловые полимеры

Наиболее известные представители: поливинилхлорид, поливинилиденхлорид, сополимеры винилхлорида с винилиденхлоридом, винилхлорида с винилацетатом, поливиниловый спирт, полистирол и его сополимеры.

Поливинилхлорид (ПВХ) получают методами радикально-цепной полимеризации в блоке или суспензии. ПВХ - аморфный полимер.

Одной из трудностей, связанных с его переработкой, является его термическая нестабильность, сочетающаяся с высокой вязкостью расплава. Поэтому переработка ПВХ экструзией чрезвычайно сложна и требует тщательного подбора оборудования. Широко распространенный метод переработки ПВХ в пленку или лист - каландрование (вальцевание).

Из основного полимера может быть получен широкий спектр пленок с различными свойствами за счет варьирования состава и степени ориентации. Изменения в составе, главным образом, введение пластификатора, позволяет получить пленки от твердых, хрупких до мягких, клейких, растяжимых. Изменяя степень ориентации, получают пленки от полностью одноосноориентированных до равнопрочных двухосноориентированных.

Непластифиированные пленки ПВХ содержат стабилизаторы с целью предотвращения термической деструкции, сопровождающейся выделением НСL. Плотность пленки высокая (1,35-1,41 г/см3). Проницаемость водяных паров выше, а проницаемость газов ниже у ПВХ, чем у полиодефинов. Поэтому пленка из ПВХ обладает масло- и жиростойкостью. Кроме стабилизаторов пленки из ПВХ содержат антистатическую добавку для предотвращения слипания за счет накопления статического электричества.

Свойства пластифицированных поливинилхлоридных пленок зависят от природы и количества пластификатора. В целом увеличение содержания пластификатора увеличивает прозрачность и мягкость пленки, улучшая се свойства при низких температурах. Температура стеклования при этом смещается в область низких температур. Пластифицированные ПВХ-пленки могут иметь превосходный блеск и прозрачность, будучи модифицированы соответствующими стабилизаторами и пластификаторами могут приобретать превосходный блеск и прозрачность.

Пластифицированные и непластифицированные ПВХ-пленки герметизируются высокочастотной сваркой. На оба типа пленок может быть нанесена печать без предварительной обработки поверхности в отличие от ПП и ПЭ. Тонкие пленки из пластифицированного ПВХ широко используются как усадочные и растяжимые для заворачивания подносов и лотков с пищевыми продуктами, например со свежим мясом. Они должны обеспечить высокую кислородопроницаемость для сохранения пурпурного цвета свежего мяса. Толстые пленки пластифицированного поливинилхлорида используются для производства упаковки для шампуня, смазочных масел и т.д.

Благодаря прочности и легкой формуемости пленки из непластифицированного ПВХ и сополимеров используют для термоформования изделий; изделия снабжаются крышками из АL фольги с многоцветной печатью.

Отличительным свойством материалов на основе сополимеров поливннилхлорида и поливинилиденхлорида (ПВДХ) является очень низкая паро- и газопроницаемость.

ПВДХ часто используют как усадочную пленку для заворачивания птицы, ветчины, сыра. Использование для этих целей пленок из ПВДХ, обладающих низкой газопроницаемостью, диктуется необходимостью поддерживать вакуум для исключения возможности роста бактерий. Вакуумированные мешки ПВДХ используют также для созревания сыров. Применение ПВДХ при этом исключает дегидратацию и образование корки, позволяя получать более мягкие сыры. ПВДХ-пленки используют в системе общественного питания и в быту для заворачивания продуктов, чтобы сохранить их свежесть. Пленки получают экструзией с поливом на барабан и с раздувом рукава. Последний метод предпочтительнее для производства ориентированных пленок. Если ПВДХ пленку производят экструзией через плоскощелевуго головку, то ее необходимо резко охладить (экструзия в холодную воду или полив на охлаждающий барабан), чтобы предотвратить кристаллизацию. Предпочтительным методом производства двухосноориентированных пленок является экструзия с раздувом рукава, которая обеспечивает одновременную поперечную и продольную ориентацию. Ориентированная ПВДХ-пленка прозрачна, имеет хорошие прочностные свойства, особенно при продавливании, высокое сопротивление раздиру, но ее сложно использовать на упаковочном оборудовании из-за мягкости и "цепляемости". ПВДХ-пленки используются в качестве компоненты в многослойной конструкции, особенно при соэкструзии. При этом можно получить очень тонкий слой ПВДХ в многослойном пленочном материале, что не удается получить на монопленке. ПВДХ широко используется для покрытия различных подложек, таких, как бумага, целлофан, ПП.

Поливинилацетат (ПВА) получается полимеризацией винилацетата. В результате получается материал, похожий на ПВХ, используемый в основном в виде адгезива получения комбинированных материалов.

В сополимерах винилхлорида с винилацетатом ацетатная группа крупнее, чем атом хлора, что предотвращает близкий контакт между цепями. По сути, это внутренний пластификатор. Если нужна высокая гибкость, то применяют пластификаторы.

Поливиниловый спирт (ЛВС) получают гидролизом поливинилацетата.

Самой главной отличительной особенностью ПВС является его растворимость в воде. Сополимеры этилена и винилового спирта (ПЭВС) имеют превосходные барьерные свойства; низкую проницаемость, которая, однако, растет с увеличение влажности. Соэкструзия ПВС с полиолефинами (ПЭВД, ПП) позволяет увеличить барьерные свойства материала по отношению к воде и ее парам.