Перспективы развития полимерных упаковочных материалов

Современная упаковочная промышленность испытывает потребность в экономичных, эффективных и инновационных решениях в области упаковки и предъявляет такие требования, как стабильность упаковки и сохранность продукта. По этой причине упаковщики как пищевых, так и непищевых продуктов постоянно делают инвестиции в высокоскоростные упаковочные линии (Form-FillSeal). Современные упаковочные линии требуют от используемого упаковочного материала хорошей технологичности, а также высоких показателей свариваемости . Кроме того, одним из основных требований к материалу упаковки являются его прочностные (физикомеханические) показатели, а также стоимость и внешний вид (дизайн).

Современное производство упаков очных материалов и изделий в Российской Федерации состоит из четырех основных сегментов: металл, стекло, полимеры, бумага и картон (табл. 1) [1].

Из представленных в табл. 1 материалов – металл, стекло, бумага и картон относятся к традиционно используемым в индустрии упаковки.

Таблица 1

Основные упаковочные материалы

Наименование	Россия, %	Весь мир, %
Металл	8	13
Стекло	17	7
Полимеры	36	35
Бумага, картон	39	45

Использование полимерных материалов началось сравнительно недавно. Первый полимерный материал – целлофан, начал применяться для упаковки в 30-х годах XX века. А более широкое внедрение полимерных материалов в упаковочное производство, началось только в 40 – 60-х годах прошлого века.

Полимерные упаковочные материалы на современном этапе представляют наиболее перспективное и динамично развивающееся направление упаковочной индустрии.

Структура потребления полимерных упаковочных материалов в России представлена на рис. 1 [2].

Полипропиленовые

10,00 %

18,60 %

19,80 %

Многослойные

Полиэтиленовые

Поливинилхлоридные

Полиэтилентерефталатные

Полистироль-ные

Прочие

Рис. 1. Распределение потребления полимерных плёнок

Наиболее распространёнными и доступными из полимерных упаковочных материалов являются плёнки из полиэтилена (рис. 2) [3, 4].

37,50 %

ПЭВД

ПЭНД

ЛПВД 52,50 %

Севилен

Вторичный

ПЭ

Рис. 2. Структура потребления полиэтиленовых

плёнок в России

Таблица2

Свойства базовых марок полиэтилена высокого давления

Показатели	Марки
	10204 -003	10803020	15803 -020	15313003	17703 -010
Плотность, г/см3	0,923 0 ±0,00 1	0,9185 ±0,001 5	0,919 0 ±0,00 2	0,9205 ±0,001 5	0,919 0 ±0,00 2
Показатель текучести расплава, г/10 мин	0,3 ±15%	2,0 ±15%	2,0 ±25%	0,3 ±30%	1,0 ±20%
Предел текучести при растяжении, МПа, не менее	11,3	9,3	9,3	9,8	9,8
Прочность при разрыве, МПа, не менее	14,7	12,2	11,3	13,7	12,2
Относительное удлинение при разрыве, %, не менее	600	550	600	600	600
Отношение по пределу текучести	1,22	1,00	1,00	1,05	1,05
Отношение по пределу прочности	1,20	1,00	0,93	1,12	1,00
Толщина, эквивалентная 100 мкм ПЭВД 10803020	82,99	100,00	107,9 6	89,05	100,0 0

Очевидно, что наиболее распространённым материалом для изготовления гибкой упаковки является полиэтилен высокого давления (ПЭВД).

Требования к отечественным полиэтиленовым плёнкам определяются ГОСТ 10354-82 «Плёнка полиэтиленовая» и ГОСТ 25951-83 «Плёнка полиэтиленовая термоусадочная».

Требования к полиэтилену, применяемому для производства плёнок (табл.2) [5] определяются ГОСТ 16337-77 «Полиэтилен высокого давления» и ГОСТ 16338-85 «Полиэтилен низкого давления».

Наиболее востребованным на российском рынке является ПЭВД марки 10803-020, поэтому в последних трёх строках табл . 2 проведено сравнение его основных физикомеханических свойств со свойствами других марок полиэтиленов. Очевидно, что наилучшими физико-механическими показателями обладает п олиэтилен марок 10204-003 и 15313003, использование которых вместо ПЭВД 10803-020 позволяет уменьшить толщину плёнки на 10-20 % без потери прочности.

В табл. 3. приведено сравнение свойств лучшей отечественной марки ПЭВД 15313-003 с аналогичными марками ведущих мировых производителей: LD 100BW и LD 170BA фирмы ExxonMobil, FA 6220 и FA 3220 фирмы Borealis, и LDPE 2501TH00 фирмы SABIC.

Таблица 3

Свойства различных полиэтиленовых пленок

Показатели	Марки
	о о m in	m о о Q	< m О Q	о < fc	о <	о о H о in
Плотность, г/см3	0,921	0,922	0,928	0,922	0,922	0,925
Показатель текучести расплава, г/10 мин	0,3	2,0	0,75	2,1	0,3	0,75
Прочность при разрыве, МПа, (продольное направление MD)	13,7	27	28	26	25	25
Прочность при разрыве, МПа, (поперечное направление TD)		22	25	20	23	20
Относительное удлинение при разрыве, %, (MD/TD)	600	350/ 580	440/ 600	350/ 600	400/ 600	200/ 500
Отношение по пределу прочности (MD)	1	1,97	2,04	1,90	1,82	1,82
Отношение по пределу прочности (TD)	1	1,61	1,82	1,46	1,68	1,46
Толщина эквивалентная 100 мкм ПЭВД 15313-003 (MD)	100	50,74	48,93	52,69	54,80	54,80
Толщина эквивалентная 100 мкм ПЭВД 15313-003 (TD)	100	62,27	54,80	68,50	59,57	68,50

Анализ табл. 3 показывает, что примен е-ние импортных марок полиэтиленов, может позволить до 40 % уменьшить толщину упаковочной плёнки без потери прочности.

В то время как большинство отечественных потребителей термоусадочных пленок ориентируются на единственный показатель – цена за 1 кг термоусадочной пленки, этот фактор может иметь немаловажное значение.

Как известно [5], для смеси двух полимеров существенное изменение физикомеханических свойств исходного полимера начинается при содержании вводимого полимера более чем 30 % от состава смеси (рис. 3).

Содер жание Borstar FB4370, % масс.

Рис. 3. Зависимость прочности композиции ПЭВД 10204-003 / Borstar FB4370 от её состава: ♦ - MD; ■ - TD

Предел прочности при разрыве для Borstar FB4370 в продольном направлении 56 MПа и 39 МПа – в поперечном. Добавление 40 % FB4370 привело к увеличению прочности в продольном направлении на 50 %, a в поперечном на 27 %.

В том случае, если бы вместо смеси была изготовлена трёхслойная композиция с соотношением толщины слоёв 20/60/20 мкм, то по правилу аддитивности прирост прочности в продольном направлении составил бы 93, а в поперечном 27 %.

Таким образом, эффективность и перспективность использования многослойных плёнок по сравнению с однослойными очевидна, и если всего несколько лет назад россий -ский рынок упаковочных материалов был ориентирован, главным образом, на выпуск традиционных однослойных пленок, то в настоящее время наиболее перспективными среди упаков очных материалов являются многослойные полимерные пленки. Они доминируют среди барьерных материалов, используемых в упаковочной промышл енности, благодаря своим уникальным качествам и низкой цене.

Многослойные пленки играют важную роль в современной упаковке [6]. Комбинируя несколько слоев разных полимеров, производитель может, например, воспользоваться возможностью механических свойств одного полимера и барьерных свойств другого для создания "совершенной" упаковки. Такие материалы называются многослойными пленками и именуются по последовательности аббревиатур составляющих их материалов, как, например, PET/PVDC/PE, включающий полиэтилен-терефталат (PET), поливинилиденхлорид (PVDC) и полиэтилен (PE). Многослойная пленка состоит из "структурных" слоев, обычно снаружи, и барьерных слоев внутри. Барьерными слоями могут быть фольга, полимеры полиоксиметилен (EVOH), PVDC, которые с обеих сторон (или с одной стороны) покрываются структурными слоями посредством клеящих средств [6].

Требования, предъявляемые к многослойным пленкам следующие: защита от водяного пара, кислорода, углекислого газа, селективная проницаемость, возможность склеивания, высокая прочность, стойкость к низким или высоким температурам, высокая деформационная прочность, высокая прозрачность, абразивная и химическая сопротивляемость, защита от посторонних запахов, способность сохранять вкусовые качества и запахи упакованного продукта, высокая адгезия, низкое скольжение, антистатичность, антифог (предотвращение запотевания), возможность термоформования и т.д.

Основные способы производства многослойных пленок и материалов: ламинирование, соэкструзия, экструзионное ламинирование, каширование. Очень часто требуются сочетания нескольких характеристик. Через ламинирование и соэкструзию структуры пленок могут быть подобраны для демонстрации широкого ряда специализированных функций упаковки. Такие материалы имеют важные преимущества перед широко распространенными в качестве упаковки обычными пленочными материалами, а именно: длительный срок хранения упаковочной продукции, высокие механические свойства, межслойная печать, защищенность от повреждений, улучшенный внешний вид упаковки. Некоторые производители, создавая уникальные по характеристикам виды пленок, не раскрывают их структуры с целью защиты своих авторских прав на производимые пленки. В зависимости от необходимых барьерных свойств производитель подбирает оптимальный состав композиционных материалов. Помимо полимерных слоев, для производства комбинированных материалов очень часто применяются алюминиевая фольга и бумага. В процессе изготовления используется межслойная печать, металлизация, покрытие термолаком и др. виды покрытий.

В основном используется три типа исходных материалов: металлическая фольга (алюминий), покрытия (как металлические (алюминий), так и минеральные (окись кремния, окись алюминия, керамика и т.д.) и, наконец, полимеры (EVOH и PVDC, PET). Эти материалы инкапсулированы в других полимерах, так называемых структурных полимерах, которые дают дополнительные необходимые качества; различные слои соединены вместе посредством клеящих веществ.

Несмотря на превосходные характеристики (непроницаемость для кислорода и света), алюминий все меньше и меньше используется в упаковке, прежде всего, из-за непрозрачности. Эта тенденция также усиливается тем фактом, что прозрачные полимеры, которые легче и более дружественны к окружающей среде, имеют аналогичные характеристики.

В настоящее время с успехом используются три прозрачных пластика с прекрасными барьерными свойствами: EVOH, PVDC и PET. Эти полимерные материалы, однако, имеют разные барьерные свойства по отношению к различным средам. В отношении кислорода более эффективны EVOH и PET, в то время как для паров воды - PVDC.