Многослойные пленки: классификация и способы применения, производства

Технологи DuPont делят соэкструзионный процесс на два типа по готовому продукту экструзии — барьерный и небарьерный. При небарьерном способе соэкструзия позволяет производителю максимально усилить необходимые свойства структуры — свариваемость, окрашивание, светонепроницаемость, физмех. При барьерном способе соэкструзия позволяет применять внешний или внутренний слой, способный управлять проникновением кислорода, диоксида углерода, водяного пара т.д.

Старший инженер компании ExxonMobil Chemical Co., отмечает, что самый большой недостаток соэкструзии заключается «вероятно, в том, что дополнительная сложность оборудования означает дополнительную стоимость его обслуживания».

Способы применения многослойных пленок

Простые трехслойные пленки, их также называют COEX. В России основным производителем пленок и пакетов из COEX является компания Элит Пак, подробнее можно ознакомиться на их сайте: Global Sourcebook of Address Data Management: A Guide to Address Formats and Data in 194 Countries .

Основные направления использования трехслойных полиэтиленовых пленок:

• Сельскохозяйственные пленки
• Молочные пленки
• Пленки для упаковки замороженных продуктов
• Пленка для упаковки стиральных порошков, сухих кормов, удобрений и т.п.
• Термоусадочные пленки
• Пароводоизоляционные пленки

Наиболее распространенные виды сельскохозяйственных пленок:

• парниковые — для укрытия парников и теплиц, для туннельных парников;
• для мульчирования;
• силосные;
• геомембранные для укрытия дна водных резервуаров;
• соляризационные для стерилизации почвы солнечной радиацией;
• фумигационные для стерилизации почвы химикалиями
• специальные для укрытия и упаковки фуража и собранного урожая.

ПАРНИКОВЫЕ ПЛЕНКИ

Назначение — создание барьера, защищающего урожай от неблагоприятных условий погоды. За счет препятствия отвода инфракрасного излучения от почвы и растений, они позволяют создавать искусственную окружающую среду так называемый «парниковый эффект». Наибольшее распространение получили парниковые пленки, изготовленные из ПЭВД. Стандартные толщины отечественных парниковых пленок (ГОСТ 10354-82): 60, 80, 100, 120, 150 и 200 мкм. Стандартные толщины импортных парниковых пленок: 100, 125, 150, 175 и 200 мкм.

Для обычных однослойных пленок характерна неоднородность прочностных характеристик в продольном и поперечном направлении. Менее прочное направление (как правило, поперечное) является слабым местом пленки. Трехслойные парниковые пленки такой недостаток отсутствует. У них практически одинаковая прочность в продольном и поперечном направлениях. При одинаковой толщине с однослойной, прочность на трехслойной пленки на 20-25 % выше, что оказывается решающим фактором в экстремальных условиях эксплуатации пленки (порывы ветра, сильные снегопады, град).

ДОБАВКИ

Срок службы пленки из чистого полиэтилена — не более одного-двух сезонов. Если же при производстве пленки были допущены даже незначительные нарушения технологии, то этот срок может быть еще меньше. С целью продления срока службы пленок и придания им специальных свойств в их состав вводят различные добавки:

• светостабилизаторы (УФ-стабилизаторы) — для защиты парниковых пленок от разрушения, вызываемого ультрафиолетовым излучением;
• антифоги — для предотвращения образования конденсата на внутренней поверхности парниковых пленок;
• абсорберы инфракрасного излучения — предотвращают остывание воздуха внутри парника, усиливая тем самым парниковый эффект (позволяет поддерживать температуру в теплице на 3-5°С выше, чем при обычной пленке);
• полисветановые добавки — для перевода ультрафиолета в видимую часть спектра (полисветановый эффект);
• антистатики — для предотвращения образования на пленке статического электричества, притягивающего пыль к поверхности пленки и уменьшающего ее прозрачность для солнечного света;
• добавки, предотвращающие потемнение пленки под действием УФ-излучения
• добавки, препятствующие деятельности вредных насекомых внутри парника.

В России в качестве парниковой обычно используется однослойная пленка. При этом добавки могут мигрировать к обеим сторонам пленки. Это существенно снижало период гидрофильной эффективности пленки. Единственным способом увеличения продолжительности антифогового эффекта было увеличение толщины пленки, а, следовательно, увеличение объема добавок для миграции к поверхности, однако при этом снижалась светопроницаемость пленки и повышалась стоимость пленочного материала. Преодолеть эти и другие проблемы позволяет использование трехслойных пленок.

Наружный слой пленки не содержит антифоговых добавок и действует как барьерный слой. Его толщина — около 25% от общей толщины пленки.

Средний слой составляет около половины толщины пленки и содержит высокий уровень антифоговых добавок (4-5%). Это слой работает как долговременный резервуар для антифоговой добавки. Когда во внутреннем слое, обращенном к растениям, количество антифоговой добавки снижается, средний слой медленно выпускает добавку для замещения во внутреннем слое.

Внутренний слой составляет около 25% от общей толщины пленки и содержит приблизительно 1% для непосредственного обеспечения антифогового эффекта.

Естественно, что преимущества сельскохозяйственных трехслойных пленок не ограничиваются лишь рассмотренным выше примером, трехслойная структура позволяет модифицировать свойства пленки для получения комплекса требуемых свойств.

ПЛЕНКИ ДЛЯ МУЛЬЧИРОВАНИЯ

Пленки для мульчирования используются для покрытия почвы и обеспечивают предотвращение роста сорняков, за счет предотвращения поступления к ним солнечного света, а также способствуют увеличению температуры почвы, что повышает эффективность применения минеральных удобрений и полива.

Толщины пленок для мульчирования: 20-75 микрон, ширина: 800-1300 мм. К основным свойствам можно отнести хорошую однородность по толщине, высокое сопротивление раздиру и продавливанию.

Наиболее эффективными являются черно-белые пленки для мульчирования, которые одновременно снижают светопроницаемость и увеличивают отражение света вверх, к листьям растения. Черный внутренний слой также препятствует росту на субстрате загрязняющих культур, которые затрудняют аэрацию корневой системы овощных культур, а белый наружный слой из-за светоотражающего эффекта не позволяет субстрату нагреваться до критических температур, от которых может пострадать корневая система.

ПЛЕНКИ ДЛЯ СТЕРИЛИЗАЦИИ И ФУМИГАЦИИ

Используются с целью избежание утечки из почвы в атмосферу метил бромида и других химикатов. Метил бромид применяют для стерилизации почвы против болезней и вредных вирусов или бактерий, которые могут снизить плодородие почвы. Химикаты используются для предотвращения повреждения растений болезнями и насекомыми, когда урожай уже собран и хранится на складах.

ПЛЕНКИ ДЛЯ УКРЫТИЯ СИЛОСНЫХ ЯМ

Характеризуются повышенной прочностью, растяжением и сопротивлением на разрыв, уменьшенной газопроницаемостью. Их применение улучшает качество корма за счет уменьшения температуры и улучшения качества брожения

МОЛОЧНАЯ ПЛЕНКА

По причине низкой платежеспособности населения очень распространенной упаковкой для молока и других молочных продуктов остается полиэтиленовая пленка. Она значительно дешевле других видов упаковки молочной продукции. Молоко в полиэтиленовых пакетов стоит на 30-50% дешевле, чем в упаковках Тетра-пак. Перед производителями молока стоит одна глобальная задача — сделать срок хранения его как можно более длительным и упаковать продукт в прочную упаковку.

Для упаковки молочных продуктов применяют трехслойные со-экструзионные пленки с наличием в структуре материала черного слоя. Толщина таких пленок — 70-90 мкм. Каждый из слоев имеет свое назначение и содержит специальные добавки. Черный слой создает барьер на пути проникновения света и значительно продлевает сроки хранения молочной продукции. В зависимости от выбранной технологии этот слой может быть внутренним или прилегающим к молоку.

Белый внешний слой предназначен для яркой, полноцветной печати при использовании самых современных полиграфических технологий. В этот же слой вводится специальная добавка, которая повышает «скользкость» пленки, что важно для работы на современном упаковочном оборудовании.

Если внутренний слой черный, то слой, контактирующий с молоком — прозрачный, выполняется из чистого, химически нейтрального полиэтилена. В ряде случаев этот слой подкрашивают в серый цвет, что придает упаковки более эстетичный вид, исключая внешний контраст между белым наружным и черным барьерным слоями.

ПЛЕНКИ ДЛЯ УПАКОВКИ ЗАМОРОЖЕННЫХ ПРОДУКТОВ

Используются, прежде всего для упаковки замороженных овощей. В целом, эти пленки аналогичны молочным. Кроме того, в них обычно вводятся добавки, обеспечивающие прочность пленки при низких температурах.

ПАРОВОДОИЗОЛЯЦИОННАЯ ПЛЕНКА

Используется в строительстве для образования водопаронепроницаемых барьеров теплоизоляции внешних стен и подкровельных пространств. Трехслойная термоусадочная пленка

В наружные слои такой пленки вводятся линейный полиэтилен и добавки, которые обеспечивают улучшение термосвариваемости пленки и повышают ее прочность, особенно на острых углах, колпачках и других выступающих частях. Для придания жесткости во внутренний слой пленки могут вводятся полипропилен и специальные добавки.

Формирование каждого слоя трехслойной термоусадочной пленки происходит отдельно. Поэтому возможные дефекты каждого слоя не совпадают, и пленка оказывается на 15-20% прочнее, чем у аналогичная по толщине однослойная. Таким образом, становится реальным уменьшение толщины (а значит и себестоимости) трехслойной «термоусадки» без ухудшения ее эксплутационных характеристик. Кроме того, уменьшение толщины пленки дает возможность снизить температуру в термотуннеле, что позволяет потребителю пленки экономить электроэнергию.

Пленка для упаковки стиральных порошков, сухих кормов, удобрений и т.п. Входящие в состав стиральных порошков химикаты сильно осложняют свариваемость пленки. Для решения этой проблемы слой пленки, контактирующий с порошком, изготавливается из специального бимодального полиэтилена. Для придания пленке жесткости внутренний слой состоит из смеси полипропилена и ПЭНД. Наружный слой, обращенный к покупателю, должен иметь привлекательный вид. Поэтому в него вводятся добавки, придающие пленке блеск.

ТРЕХСЛОЙНЫЕ СТРЕЧ-ПЛЕНКИ

Стретч (stretch) — растягивающаяся пленка, материал обладающий способностью обратимо растягиваться с удлинением 200-300% и обладающий, в сравнении с обычными полиэтиленовыми (ПЭ) пленками повышенной стойкостью к проколу и раздиру, а также способность разных пленки прилипать к самой себе и не прилипать к упакованным грузам. Ее появление стало возможно благодаря разработке в начале 70-х новых технологий и материалов, в частности линейного полиэтилена низкой плотности — ЛПЭНП (LLDPE). Уникальные свойства стретч пленки позволили ей занять ведущие позиции в области транспортной и пищевой упаковки, потеснив при этом в некоторых областях термоусадочную пленку.

Наиболее широкое применение ПЭ стретч пленки нашли в области транспортной и технической упаковки, так называемые Паллетные пленки. Они служат для упаковки различных, в том числе разноразмерных и длинномерных грузов на поддонах (паллетах) методом ротационного обертывания с целью обеспечения сохранности грузов при транспортировке, складировании, хранении от воздействия внешней среды, расхищения и с целью ускорения и облегчения погрузочно-разгрузочных работ.

Стретч пленки подразделяются на паллетные и пищевые (на западе они обычно называются cling пленки, маленькие рулончики, продающиеся в коробках с ножом household т.е. пленка для домашнего применения). В свою очередь паллетные пленки в зависимости от способа применения делятся на ручные (обмотка идет в ручную) и машинные обмотка идет с использованием специальных машин — паллетайзеров.

Машинные пленки делятся на:

• Стандартные — коэффициент предварительного растяжения до 150-200%.
• Power, Super, Super Power — в зависимости от поставщика это пленка с коэффициентом предварительного растяжения — от 200 до 300 и выше %.

Отдельно стоит так называемая сенажная или сельскохозяйственная стретч пленка, используемая с целью упаковки и обеспечения сохранности упаковываемого сена. К ней предъявляются повышенные требования по прочностным характеристикам и также требования к свето-погодоустойчивости, так как упакованное весной-летом сено лежит на полях под воздействием прямого солнечного света вплоть до зимы. Показателем, по которому чаще всего потребитель сравнивает стретч пленку, является так называемый коэффициент престретча (pre-stretch) — в чистом виде этот показатель может быть применен только к пленкам класса POWER, работающим на паллетайзерах снабженным специальным механизмом предварительного растяжения — престретча. Однако так сложилось, что показатель максимального достижимого рабочего растяжения стретч пленки стали называть коэффициентом престретча и применять даже для ручных пленок, для которых этот показатель в принципе и не нужен.

Ключевые свойства (требования) по типам пленок

• Ручная пленка
• Уровень растяжения (stretch level) не более 100%
• Толщина 15-20мкм
• Хорошая липкость
• Невысокие, удовлетворительные механические свойства
• Требуется перемотка с резкой (дополнительная составляющая себестоимости).
• Машинная пленка
• Средний уровень растяжимости (до 200%)
• Толщина 17-23мкм
• Прекрасные липкие свойства
• Хорошая стойкость к проколу, раздиру
• Хорошее удерживающее усилие.
• POWER машинные пленки
• Высокий уровень растяжимости (более 250%)
• Толщина 20-23мкм
• Отличная липкость
• Отличная стойкость к проколу
• Низкое распространение разрыва в поперечном направлении
• Отличное удерживающее усилие
• Низкое содержание геликов.
• Предварительно растянутые стретч пленки
• Высокий уровень предварительной ориентации (более 200%)
• Толщина 6-10мкм
• Прекрасный уровень липкости
• Прекрасная стойкость на прокол
• Низкое распространение разрыва в поперечном направлении
• Отличное удерживающее усилие
• Низкое содержание геликов.
• Сенажная пленка
• Уровень растяжимости до 75%
• Толщина 25мкм
• Отличная липкость
• Отличная стойкость к проколу
• Отличная стойкость к УФ излучению (не менее 1года под открытым небом)
• Отличное удерживающее усилие
• Относительно низкая проницаемость для кислорода.

БАРЬЕРНЫЕ ТРЕХСЛОЙНЫЕ И ПЯТИСЛОЙНЫЕ ПЛЕНКИ

Вопреки мнению о том, что барьерные пленки квалифицируются как таковые только при экструзии 5-ти и более слоев, многие европейские эксперты отмечают, что при умелой комбинации химических полимерных добавок, экструдер АВС может позволять производить пленку с барьерными слоями.

Нужды продовольственного сектора, в частности, требуют все более целенаправленного исполнения упаковки, чтобы гарантировать лучшее из возможного сохранение продовольствия, а также завоевание внимания потребителя привлекательным видом изделия. Это, в свою очередь, ведет к ужесточению требований к гигиеническому, сенсорному и комфортабельному аспектам упакованного продовольствия. Недавно был проведен обзор рынка «вечных» упаковок — систем, которые позволяют упаковать продовольственные продукты, устраняя большую часть консервантов, путем использования материалов со специальными физико-химическими и механическими свойствами. Мониторинг проводился путем покупки некоторых упакованных продуктов и оценки газо- и паро-удерживающих характеристик материала с учетом обработки, которой было подвергнуто изделие (сварка, печать и т.д.). Отметим, что результаты не были только положительными. Очевидно: работы в этой области должны продолжаться.

Основными факторами, влияющими на качество продовольствия при хранении, являются:

• светопроницаемость — некоторые типы излучения катализируют нежелательные реакции в продуктах, особенно в светочувствительных веществах;
• газопроницаемость, особенно кислорода, позволяет аэробным микробам дышать, обуславливает окисление и, как следствие, потерю аромата, окисление витаминов и двуокиси углерода;
• влагопроницаемость — создает условия, которые могут способствовать развитию микробов, ухудшает эксплуатационные характеристики упаковки, делая ее более проницаемой для кислорода;
• теплопроницаемость — ускоряет все реакции; механические воздействия — динамические (толчки и вибрация)и статические (сжатия).

Главной характеристикой этих пленок является, конечно, то, что они легкоформующиеся и стойкие, и поэтому могут очень легко принимать форму объекта, который они содержат, ограничивая количество остаточного воздуха. В дополнение к вышеупомянутому, материал должен гарантировать воздушную и водную непроницаемость как в исходном состоянии, так и при герметизации упаковки независимо от ее формы и характера.

Что касается герметизирующих систем, мы только кратко упомянем, что они также развиваются: от «примитивного» клея они перешли к термосварке и достигли обратимых систем (открыто и закрыто), которые являются все более эффективными при гарантированной воздухо- и водонепроницаемости даже после нескольких использований. Но обязательное условие, которое остается в основе функциональности воздухо- и водонепроницаемой упаковки — максимальная устойчивость к прониканию сред (прежде всего кислорода) через полимерную пленку. В частности, при использовании вакуумной упаковки ускоряется проникновение газа из-за перепада давления между внутренней и внешней сторонами, поэтому газопроницаемость должна быть минимальна.

В настоящее время нет ни одного основного материала, используемого в упаковке, который соединил бы в себе качества, описанные выше. Поэтому используются комбинации двух или нескольких типов материалов, для того чтобы создать конечный продукт, который, суммируя различные дополнительные качества, в целом соответствует требуемым характеристикам. Эти материалы называются многослойными пленками и именуются по последовательности аббревиатур составляющих материалов, как, например, PET/PVDC/PE, включающий полиэтилентерефталат (PET), поливинилиденхлорид (PVDC) и полиэтилен (PE). Из различных сред, которые могут проникать через упаковку, следует отметить кислород, двуокись углерода, азот, алкоголь и воду. Кислород и пары воды — вещества, которые больше всего волнуют упаковщиков из-за сильных органолептических изменений, которые они вызывают при хранении. Следовательно, важно определить материал, который в конечной упаковке лучше всего обеспечит требование «кислородного голодания».

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.

Естественно, барьерные свойства PVDC, EVOH и PET изменяются в зависимости от характеристик структурного полимера, так что можно установить, что для того же самого количества PVDC (5g на квадратный метр) проницаемость будет равна 5, если подложка PET 7, если подложка OPA (общая толщина 25 мкм) — удвоится, при использовании PVC (общая толщина 35 мкм) и становится еще хуже при использовании полиэтилена низкой плотности.

В силу склонности к растрескиванию из-за гидролиза и PVDC, и EVOH всегда ламинируются полиолефиновыми покрытиями. Ниже приведены типовые комбинации слоев для многослойной барьерной экструзии.

Таблица 1: Типовые комбинации слоев для многослойной барьерной экструзии

В силу широкого разнообразия возможных комбинаций различных материалов, исследовать их подробно невозможно. Кроме того, в дополнение к основным свойствам, отмеченным первоначально, иногда требуются другие специальные свойства, например хладостойкость, (рекомендуются PET,PA или PS). Наоборот, для высоких температур (90 — 100 0 C) рекомендуются PP, PE, СPET.

Для придания устойчивости многослойным материалам наиболее часто используют: APET, NYL, PVC, PO и Valeron, в то время как для улучшения термосвариваемости используются PPO, PP и PE. Следует уделять внимание данным о физических свойствах, приведенным в литературе, так же как и данным, предоставленным непосредственно изготовителем. Особенно важно знать дату публикации этих сведений, чтобы иметь уверенность в том, что они действительно современны. Скорость, с которой пищевая промышленность требует материалов со все более специальными характеристиками, ведет к тому, что пленки устаревают очень быстро, и что независимо от их замечательного успеха еще сегодня они не способны конкурировать с вновь разработанными. Кроме того, должны быть приняты меры предосторожности при сравнении данных, несмотря на широкое распространение использования стандартных методов измерения и исследований, можно столкнуться с данными, которые были получены при несходных условиях измерения.

Полимерные барьерные слои изменяют проницаемость по кислороду в зависимости от влажности, в которой окажутся; пленки с алюминием ведут себя аналогичным способом при их охлаждении. Даже состав газа в упаковке становится определяющим фактором, который может уменьшить величину проницаемости в четыре раза. В таблице 3 приведены некоторые типы пленок наряду с относительными значениями, рекомендуемыми к использованию. Большинство производимых барьерных пленок на пути становления красивой и красочной упаковкой по сути являются полуфабрикатом. После экструзии следующий логический процесс- ламинирование пленки и нанесение многоцветной печати.