Комбинированные материалы: области применения и способы изготовления

4. УПАКОВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Целлюлоза - основной продукт для производства целлофана, бумаги, картона. Она образуется в растениях в результате биохимических превращений, началом которых служит фотосинтез простейших углеводородов. Целлюлоза составляет основную часть растительных материалов (хлопка, древесины, соломы, стеблей растений и т.д.) Наряду с целлюлозой, в растениях содержатся такие вещества, как лигнин, гемицеллюлоза, пентазаны, пектиновые вещества, жиры и смолы.

   Большое количество гидроксильных групп в молекуле целлюлозы придает ей характер спирта, а сильные внутри- и межмолекулярные взаимодействия обуславливают высокую степень упорядоченности молекул в надмолекулярных образованиях. Вследствие того, что целлюлоза является труднорастворимым полимером, у которого температуры фазовых переходов превышают температуру разложения, она непригодна для непосредственного получения из нее пленочных материалов.

Целлофан

Целлофан является наиболее дешевым и распространенным упаковочным пленочным материалом. Формование целлофановой пленки происходит путем коагуляции и последующего химического разложения ксантогената целлюлозы, представляющим собой сложный эфир целлюлозы и дитиоугольной кислоты. В процессе этих операций регенерированной целлюлозе придают форму длинного тонкого полотна. Полученную после двусторонней коагуляции пленку, тщательно промывают, освобождают от серы, образовавшейся при разложении ксантогената, и в случае необходимости отбеливают. Затем снова многократно промывают, пластифицируют и высушивают. Промышленные сорта целлофана содержат 10-13 % глицерина, 7-10 % воды и 74-78 % целлюлозы. Целлофановая пленка устойчива к жирам, имеет низкую газопроницаемость. Недостатком ее является повышенная гигроскопичность и набухаемость в воде. Поэтому с целью повышения влагостойкости и улучшения эксплуатационных свойств, (например, термосвариваемости) целлофановые пленки покрывают лаком. В качестве лаков для этих целей используют эфиры целлюлозы, винилацетат, поливинилхлорид. Большое практическое значение имеет сочетание обычного и лакированного целлофана между собой или с другими синтетическими пленочными материалами.

Эфиры целлюлозы

Сложные эфиры целлюлозы - диацетат и триацетат, ацетопропионат, пропионат и другие, являются перспективными экологически безопасными тароупаковочными материалами.

Свойства эфиров целлюлозы зависят от типа и степени замещения гидроксильных групп, а также типа и количества пластификатора. Диацетат целлюлозы (ДАЦ) используется в виде пластифицированных материалов, потребительской тары, пленочных материалов и других изделий. Пленки на основе ДДЦ обладают уникальным комплексом свойств: они прочны, жиростойки, устойчивы к действию высоких и низких температур, высокопрозрачны, имеют блеск, воспринимают печать и легко окрашиваются. Однако чувствительны к действию влаги, но обладают высокими барьерными свойствами по отношению к газам и парам. Триацетат целлюлозы обладает большей устойчивостью к действию влаги. Герметизацию материалов на основе эфиров целлюлозы осуществляют либо сваркой токами высокой частоты либо путем склеивания. Обязательное применение пластификатора требует осторожности при выборе марок полимера и пластификатора при эксплуатации материала в контакте с продуктами питания.

Материалы на основе эфиров целлюлозы используют в виде наружного слоя многослойных материалов (ламинатов) в качестве износостойкого покрытия. Из рулонных материалов на основе ДАЦ методами термоформования получают тару различных типоразмеров, пригодную для упаковки широкого ассортимента пищевых продуктов (высокожирные, сухие, плодоовощные, замороженные, кондитерские изделия, мед, джемы и т.п.).

Бумажные материалы

Ассортимент бумаги и картона, применяемый в производстве картонно- бумажной потребительской тары, очень велик.

Химической основой бумаги и картона является целлюлоза с различными добавками. Целлюлозу производят из древесины различных пород путем механического и химического воздействия на нее. При механическом воздействии получают короткие волокна низкого качества; химическое воздействие позволяет получать высококачественную длинноволокнистую целлюлозу. Полученный продукт называется бумажной массой, из которой после сушки вырабатывают различные типы бумаги. Основным полуфабрикатом для получения картона является сульфатная и сульфитная целлюлоза, древесная масса и макулатура. Качество бумаги и картона характеризуется физическими, химическими и механическими показателями. К физическим свойствам относятся: масса 1 кв.м., толщина, объемная масса, просвет, прозрачность, воздухопроницаемость (пористость), лоск и гладкость, цвет, оттенок, влажность и влагопрочность; к химическим - зольность, род и степень проклейки, кислотность и щелочность; к механическим - упругость, сопротивление разрыву при растяжении, излому при перегибе, раздиру и скручиванию, удлинение в момент разрыва.

В зависимости от назначения, к бумаге и картону предъявляются различные требования. Так, бумаги писчая №1 и литографская, отличаются белизной и чистотой, а большинство оберточных материалов этими свойствами не обладают. Одни виды бумаги должны быть непрозрачными (для печати), а другие, наоборот, прозрачными; некоторые виды бумаги должны иметь среднюю и даже высокую степень проклейки (литографская, писчая), а другие, наоборот, должны быть неклеенными (основа для парафинирования), чтобы бумажная продукция соответствовала определенным потребительским требованиям. Комитетом стандартов России утверждаются ГОСТы на тот или иной вид бумаги или картона.

Бумага и картон являются самыми распространенными материалами в упаковочной отрасли. Основной характеристикой бумажных материалов является вес одного квадратного метра в граммах. По этому показателю различают бумагу от 5 до 150 г/м2, тонкий картон от 151 до 400 г/м2 и картон от 401 до 1200 г/м2 . По содержанию волокнистой смеси, бумагу подразделяют на следующие виды: тончайшую из макулатуры или специальной целлюлозы, тонкую из целлюлозы, полутонкую из целлюлозы и некоторого количества древесной массы, обычную из целлюлозы и некоторого количества древесной массы и макулатуры. Бумагу с повышенной плотностью (крафтбумага) используют для упаковки и транспортировки цемента, гашеной извести, удобрений, кормов, зерновой продукции.

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. [1]

5. 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.