Мир упаковки > Технология многослойного впрыска для улучшения барьерных свойств ПЭТ-упаковки

Технология многослойного впрыска для улучшения барьерных свойств ПЭТ-упаковки

29/12/2017

С первых дней применения ПЭТ в упаковочной промышленности этот материал был высоко оценен за его выдающиеся свойства, позволяющие ему заменять стекло и алюминий для упаковки многих пищевых продуктов, напитков, средств бытовой химии и личной гигиены. Помимо функций хранения и дозирования продукта, а также передачи маркетингового обращения потребителю, упаковка должна обеспечивать необходимую защиту для ее содержимого, по крайней мере, на протяжении всего планируемого срока хранения

Примеры роли упаковки в защите продукта включают в себя необходимость сохранить содержание углекислого газа в газированном напитке, предотвратить окисление натуральных соков и соусов, и ограничить воздействие света на молочные продукты, включая видимую, ультрафиолетовую и инфракрасную области спектра. Несмотря на то, что ПЭТ обладает более высокими барьерными свойствами для газа, чем многие другие полимеры, применяемые для упаковки, ПЭТ все же остается проницаемым, и между содержимым упаковки и окружающей средой происходит некоторый газообмен, что часто становится основным фактором, ограничивающим срок хранения продукта.

Размер упаковки имеет значение

Задача обеспечения необходимой защиты продукта усложняется по мере уменьшения размеров упаковки. Степень проницания (или потери) газа пропорциональна площади поверхности упаковки, в то время как общий допустимый объем газа, который может проникнуть в упаковку или выйти из нее, определяется объемом продукта. Соотношение площади поверхности к объему неизбежно повышается по мере уменьшения объемов упаковки. Поэтому упаковка меньшего размера часто требует улучшения барьерных свойств для обеспечения необходимого срока хранения продукта. Тенденции развития рынка, обусловленные потребительским предпочтением упаковки меньших размеров (контроль за размером порций, потребление продуктов на ходу), и все возрастающая необходимость для владельцев брендов визуально выделять свои продукты на полках магазинов, указывают на то, что типы упаковки меньшего объема будут становиться все более распространенными. Небольшой объем упаковки также позволяет владельцам брендов предлагать свою продукцию на развивающихся рынках по цене, доступной для более широкой группы потенциальных потребителей, не уменьшая ее стоимостную ценность.

Увеличение барьерных характеристик ПЭТ-упаковки

Существует множество подходов к увеличению барьерных характеристик ПЭТ-упаковки, и окончательный выбор конкретной технологии будет определяться несколькими факторами. Среди этих факторов – уровень требуемого улучшения барьерных свойств, необходимость обеспечения гибкости производства, ограничения, связанные с логистической цепочкой, и, конечно же, общая стоимость производства.

Самым простым решением по улучшению барьерных свойств традиционной ПЭТ-упаковки является смешивание ПЭТ в экструдере системы впрыска с одним из многих барьерных материалов, имеющихся на рынке. Полученная смесь будет иметь повышенную стойкость к газопроницаемости (пассивный барьер) или может даже активно удерживать молекулы кислорода (активный поглотитель кислорода) в полимерной матрице. Не требуя каких-либо изменений в оборудовании, за исключением вспомогательных устройств дозирования и смешивания полимеров, такой вариант может быть подходящим решением в некоторых ситуациях. В то же время самое простое решение, как это часто бывает, имеет серьезные ограничения или даже отрицательные стороны. Коэффициент улучшения барьерных характеристик прямо пропорционален количеству барьерного материала, добавленного в смесь. Обычно по мере увеличения уровня содержания добавок ухудшается бесцветность и прозрачность ПЭТ-бутылки, ограничивая предел потенциально достижимого улучшения при одновременном сохранении желательного внешнего вида упаковки. Еще более значительным фактором является экономический проигрыш, связанный с ростом затрат на барьерный материал в случае использования смеси, и потенциальное негативное влияние барьерного материала на возможности повторной переработки упаковки по сравнению с многослойной упаковкой.

Нанесение покрытия на бутылку является еще одним доступным вариантом для повышения стойкости однослойной ПЭТ-упаковки к газопроницаемости. Тонкое стекловидное покрытие на внутренней поверхности бутылки может представлять собой высокоэффективный пассивный барьер от проникновения газа. Покрытие наносится посредством плазменной обработки после процесса выдувного формования. Покрытие из диоксида кремния является бесцветным и прозрачным, а аморфное углеродное покрытие придает светло-желтый оттенок прозрачной упаковке. Эффективность таких покрытий может быть ограничена из-за деформации и ползучести при длительной нагрузке на бутылку, что может нарушить целостность покрытия и снизить общий результат улучшения барьерных свойств. В отличие от стекловидного покрытия, многослойная упаковка изготовленная методом одновременного впрыска нескольких материалов обеспечивает более широкую свободу дизайна упаковки, поскольку уровни ползучести и деформации упаковки менее критичны или даже несущественны для барьерных характеристик. Технология одновременного впрыска также позволяет вводить в расплав активные вещества, поглощающие кислород, что препятствует проникновению кислорода и снижает содержание кислорода в пространстве над продуктом. Многослойная структура, обеспечивающая барьерные свойства от воздействия света, также может быть создана при наличии таких требований для конкретного варианта применения.

На практике

На эксплуатационном уровне стекловидные покрытия привлекательны благодаря низкой стоимости расходных материалов. В то же время система плазменного нанесения покрытия является дополнительным технологическим этапом между выдувом бутылки и розливом, что может представлять проблему для изготовителей преформ, поставляющих преформы для нескольких потребителей. Выбор поставщика системы определяется, среди прочих факторов, типом выбранного покрытия. Контроль качества барьерного покрытия осуществляется путем мониторинга параметров технологического процесса.

Покрытие из диоксида кремния может быть обнаружено только с использованием лабораторных приборов, таких как сканирующий электронный микроскоп. Качество распределения барьерного слоя в многослойной преформе может быть подтверждено средствами как неразрушающего, так и разрушающего контроля. Многослойная преформа изготавливается при последовательном или одновременном впрыске нескольких материалов.

В обоих случаях полученная преформа содержит четко выраженный слой барьерного материала, находящегося между внутренним и внешним слоями ПЭТ. Несмотря на то, что барьерные материалы обычно одобрены для применения в упаковке пищевых продуктов и напитков, дополнительное преимущество такого решения связано с тем, что только ПЭТ непосредственно контактирует с указанными продуктами. Этапы выдува бутылок из преформ и розлива в бутылки, выполняемые после литьевого формования преформ, не требуют изменений в имеющихся производственных линиях.

Это означает, что, когда это целесообразно, производитель может поддерживать гибкость производства на центральном предприятии литьевого формования преформ, снабжающем несколько мест выдува бутылок и розлива.

Многослойная технология компании Husky – это комплексное интегрированное системное решение, основанное на лучших в своем классе характеристиках однослойных преформ и на надежности машин серии HyPET HPP, выпускаемых компанией Husky. Одновременный совместный впрыск позволяет сократить время цикла и обеспечивает возможность получения тонкостенных преформ, поскольку и ПЭТ, и барьерные материалы одновременно поступают в гнезда пресс-формы через литниковый клапан.

Многослойный поток расплава формируется в сопле горячеканальной системы одновременного впрыска, в то время как стандартную стержневую полуформу пресс-формы можно заменять при переходе от системы изготовления однослойных преформ к системе многослойных преформ, и обратно при условии, что сохраняется такой же шаг горячеканальной системы и такое же сопряжение сопла. И хотя система одновременного впрыска должна быть оборудована двумя блоками впрыска и горячеканальной системой одновременного впрыска, а также с необходимыми вспомогательными устройствами и системой управления, многослойные системы компании Husky обеспечивают полную гибкость эксплуатации оснастки для однослойных преформ (пресс-форма и горячеканальная система в комплекте) или для производства однослойных преформ без переключения оснастки, если такая необходимость возникает вследствие изменений спроса, сезонных изменений или изменений целевых рынков.

Эффективность многослойной упаковки

Как пассивные, так и активные барьерные материалы более эффективны при их применении в высокой концентрации в среднем слое многослойной упаковки по сравнению с однослойной смесью барьерных материалов с ПЭТ. Эквивалентный коэффициент улучшения барьерных свойств (и получаемый в результате срок годности продукта при хранении) может быть достигнут в многослойной барьерной упаковке при использовании примерно 50% или даже меньшего количества барьерного материала по сравнению с однослойной смесью. Такой эффект был отмечен при эксплуатации систем одновременного впрыска, а результат подтвержден в лабораторных исследованиях. Этот эффект действует как для вариантов с поглотителями кислорода, где кислород не должен доходить до продукта, так и для вариантов с пассивным барьером, призванным сохранить концентрацию углекислого газа в напитке, хотя схема процесса при таком решении отличается. В случае пассивного барьерного слоя скорость проницания газа уменьшается за счет создания более плотной «ограды» для молекул газа. В случае активного поглотителя кислорода реакционная способность материала антиоксиданта увеличивается за счет того, что только те молекулы кислорода, которые достигают барьерного слоя, реагируют с поглотителем и улавливаются им.

Несмотря на то, что применение барьерного материала от воздействия света не связано с механизмами диффузии газа, аналогичные преимущества в отношении стоимости материала и характеристик упаковки достигаются за счет применения многослойной технологии. Срок хранения молочных продуктов (таких как ультрапастеризованное молоко), обработанных для длительного хранения при температуре окружающей среды, ограничивается, в числе прочего, расщеплением рибофлавина (витамина B2) и окислением белков и липидов вследствие воздействия света, что приводит к потере пищевой ценности и нежелательному изменению запаха и вкуса. Однослойные преформы, содержащие значительно выше 12% маточной смеси TiO2 (диоксид титана, обычно используется для получения светонепроницаемой белой окраски), сложны в использовании и на определенном этапе становятся непригодны для формования бутылок с раздувом и растяжением, что ограничивает величину потенциально реализуемого барьера от светового воздействия. В отличие от этого, многослойные преформы, содержащие слой черного ПЭТ, скрытого внутри непрозрачного белого ПЭТ, обеспечивают значительно более низкую светопроницаемость, задерживая до 99,99% света с длиной волны до 650 нм, и уменьшая при этом количество необходимой дорогостоящей непрозрачной белой добавки.

Возможность обеспечения непрерывного барьерного слоя, охватывающего дно преформы, улучшает барьерные свойства всей упаковки – это особенно важно для продуктов, чувствительных к воздействию кислорода и света. В частности, некоторые типы пищевых продуктов (например, соусы для макаронных изделий) почти не перемешиваются внутри упаковки, создавая возможность для локального окисления продукта в сегментах упаковки, не защищенных барьерным слоем, что приводит к порче продукта.

Конструкция и система управления горячеканальных систем Husky позволяют изготавливать многослойные преформы с прикрытой или с незащищенной зоной литника на дне преформы (то есть с барьерным слоем или без барьерного слоя на дне бутылки), обеспечивая в первом случае хороший контроль задней кромки барьерного слоя.

Внедрение на рынок

В 2015 году для продвижения на рынке своей многослойной технологии, компания Husky начала работать с отдельными клиентами, которые первыми применили эту новую технологию. С тех пор клиенты выбирают это технологическое решение, доверяясь ему в различных вариантах применения, в том числе для газированных безалкогольных напитков, минеральных вод, соков, соусов, а теперь рассматривают распространение такой технологии на молочные продукты, пиво и средства личной гигиены. Во всех случаях многослойная технология позволила заказчикам достичь равного по продолжительности срока хранения при меньших затратах, или увеличенного срока хранения при таких же затратах, сохраняя при этом полную гибкость применения решения по литьевому формованию без каких-либо дополнительных ограничений в отношении оборудования, расположенного далее по технологической цепочке, или в отношении логистики.

Тонкости технологии

Важным фактором снижения общих затрат на производство является способность точно дозировать и распределять нужное количество барьерного материала для конкретного варианта применения, сохраняя при этом стабильную производительность, ожидаемую при эксплуатации систем Husky HyPET HPP. Хорошо известно, что стоимость материала является основной составляющей общей стоимости упаковки. Барьерные материалы, имеющие относительно низкую (обычно от 2% до 15%) долю от массы упаковки, значительно более дорогие, чем ПЭТ. Поэтому крайне важно обеспечить точную дозировку барьерного материала в каждое гнездо пресс-формы и его распределение по всей преформе.

Многослойная технология компании Husky предлагает комплексное интегрированное решение для производства пищевых продуктов и напитков, требующих повышенных барьерных свойств упаковки. Такое решение весьма выгодно с точки зрения затрат, является гибким и эффективным, и позволяет владельцам брендов рассчитывать на ПЭТ для создания более привлекательных типов упаковки. Упаковка, которая выделяется на полках магазинов и способствует переработке меняющихся материалов – все это основные факторы, которые помогают поддерживать растущий потенциал применения ПЭТ-упаковки.

Пётр Яньков, руководитель группы разработки перспективных процессов и технологий, Husky Injection Molding Systems