Полимерные упаковочные материалы и технологии: проблемы и пути их решения

Титульное фото: mavink.com

Введение.

1. Пути снижения отходов.

2. Пути снижения себестоимости упаковки.

Заключение.

Введение

Эксперты, опирающиеся на итоги европейских отраслевых выставок и конференций, выделяют следующие общие тенденции развития упаковочной индустрии пластмасс:

• реализация принципов экономики замкнутого цикла, основной целью которой является повторное использование упаковочных материалов по истечении срока их службы. При этом важным фактором, способствующим увеличению объемов переработки пластиковой упаковки и, как следствие, сокращению неперерабатываемых отходов, становится заранее спроектированный для этих целей ее дизайн;
• снижение себестоимости полимерной упаковки за счет повышения производительности и внедрения цифровых технологий при одновременном сокращении затрат на сырье и другие ресурсы. В последнем случае речь в первую очередь идет о сокращении производственных отходов, а также толщины стенки при сохранении потребительских свойств упаковки;
• обеспечение безопасности полимерной упаковки, что является главным приоритетом для пищевой, медицинской и фармацевтической промышленности и требует абсолютно чистых условий производства и использования безвредных для здоровья человека материалов.

Особенно велика доля полимерных материалов в производстве потребительской упаковки, составляющая в настоящее время, по данным британской консалтинговой компании Euromonitor International, 64 % от всего объема упаковочных материалов. Из них на гибкую полимерную упаковку приходится 37 %, на жесткую – 27 % (рис. 1). За ними с большим отрывом следуют бумажно-картонная, металлическая и стеклянная – 16, 11 и 8 % соответственно.

Рассмотрим далее на ряде примеров способы решения основных задач, стоящих перед производителями полимерной упаковки, – сокращения отходов и снижения себестоимости продукции, обратив особое внимание на потребительскую упаковку, в первую очередь пищевую, как наиболее требовательную к ее свойствам.

1. Пути снижения отходов

Анализ путей решения задачи сокращения отходов полимерной упаковки силами ее производителей, если не принимать во внимание законодательные инициативы со стороны регуляторных органов (типа запрета некоторых видов упаковочной продукции по принципу «раз нет полимерной упаковки, значит нет отходов и, соответственно, проблем с ее утилизацией»), показывает, что в настоящее время наиболее актуальными решениями, которые у всех на слуху, являются прежде всего производство мономатериальной упаковки, пригодной к переработке, а также использование биоразлагаемых пластиков для ее изготовления.

1.1. Мономатериальная упаковка

В ЕС установлена квота на переработку отходов полимерной упаковки в размере 55 % к 2030 г. Решение этой задачи заключается в том, чтобы спроектировать ее таким образом, чтобы после ее использования она могла быть отнесена при сортировке к определенному классу материалов и, таким образом, переработана в высококачественный регранулят.

В современной многофункциональной полимерной упаковке, предназначенной, в частности, для хранения пищевых продуктов, это возможно лишь в ограниченной степени. В большинстве случаев она состоит из двух, трех или более полимерных слоев, обладающих оптимальными свойствами для конкретного случая использования. Примером может служить упаковка, состоящая из трех слоев:

• герметизирующий слой из ПЭ;
• барьерный слой из ПА, обладающий одновременно высокой прочностью к проколам;
• термостабильный упрочняющий слой из ПП или ПЭТ.

Кроме того, также часто используется классическая алюминиевая фольга в качестве барьера для кислорода и водяного пара. Разделение различных слоев в таких многослойных пленках или невозможно, или, если это возможно, экономически нецелесообразно. Поэтому подобные пленки в процессах сортировки не могут быть отнесены к к конкретному классу материала и обычно направляются на полигон или, в лучшем случае, на термическую переработку.

Общепринятой точкой зрения на ключевое решение этой проблемы стало то, что упаковка должна быть мономатериальной, т.е. изготовленной только из одного полимера, но вместе с тем многофункциональной, т.е. сохраняющей все необходимые функции, присущие многослойной упаковке – в частности, герметичность, термомеханическую стабильность и требуемые барьерные свойства.

Сказать, что мономатериальная упаковка является каким-то новым решением, означало бы погрешить против истины. Можно с уверенностью утверждать, что самые первые упаковки – бумажные, деревянные, металлические, стеклянные, а затем и полимерные – с момента их появления изготавливались из одного материала. И переход на многокомпонентную упаковку, более затратную в производстве, произошел не от «хорошей жизни», поскольку потребовалось совместить в ней несколько функций, которые не мог обеспечить один упаковочный материал. Примером может служить гибкая пищевая упаковка. Лет 10–20 назад можно было даже обратить внимание на своего рода соревнование между ведущими производителями пленочного экструзионного оборудования на предмет максимального возможного количества слоев в многослойной пленке. Рекордом в этом смысле можно, наверное, считать 17-слойную экструзионно-раздувную линию немецкой компании Windmöller & Hölscher (W&H). Прошли годы, и на наших глазах происходит возвращение к мономатериальной, но при этом многофункциональной упаковке, и тоже не от «хорошей жизни», а вынужденное из-за требований обеспечения возможности ее переработки.

Следует заметить, что универсального решения, что называется, «на все случаи жизни», здесь пока не существует, поскольку такая мономатериальная упаковка разрабатывается с учетом ее конкретного назначения. И термин «мономатериальная» при этом вовсе не означает «однослойная», поскольку в подобной упаковке может быть несколько слоев из одного полимера по химической структуре, но отличающихся друг от друга по физической, например надмолекулярной, структуре, что не препятствует возможности вторичной переработки.

Так что речь сейчас идет не просто о возвращении к мономатериальной упаковке в ее изначальном понимании, а о возвращении на новом уровне, требующем совмещения в ней ряда дополнительных функций, что, в свою очередь, требует и определенных дополнительных (и немалых) затрат на R&D-разработки – материаловедческие и конструкторско-технологические – и их реализацию. Поэтому в проектах по созданию такой мономатериальной упаковки принимают совместное участие, как обычно, несколько партнеров – производители материалов, оборудования и собственно упаковки. При этом большим потенциалом в качестве мономатериала обладают ПЭ, ПП и ПЭТ, который уже много лет демонстрирует свою пригодность для вторичной переработки в бутылочной форме и уже одобрен для использования в виде регранулята в производстве пищевой упаковки.

Примером совместной работы в этом направлении служит проект немецкой машиностроительной компании Brückner Machinerbau, выполненный совместно с компаниями Mitsui Chemicals и Applied Materials. Партнерами была разработана и на экспериментальной установке Brückner изготовлена пленка из высококристаллического биаксиально-ориентированного (БО) ПП (БОПП), которая без повреждений выдерживает процесс стерилизации и обеспечивает высокие барьерные свойства (рис. 2). В сочетании с каст-пленкой из ПП она позволяет заменить не подлежащую вторичной переработке комбинацию из ПЭТ, алюминиевой фольги и ПЭ.

Поскольку многие упаковочные компании делают ставку на гибкую упаковку на основе ПЭ, компания Brückner Maschinenbau вот уже семь лет совершенствует разработанную ею технологию производства БОПЭ-пленки. Основой являются решения на основе ЛПЭНП и ПЭВП, которые предлагают совершенно новые возможности. Примером служит пленка из БОПЭВП (в качестве усиливающего слоя и барьера) в сочетании с классической рукавной пленкой из ПЭНП (в качестве свариваемого слоя) или белая непрозрачная БОПЭВП-пленка для непрозрачной упаковки без лакокрасочного покрытия (см. рис. 2). Реализован также проект по производству упаковки из БОПЭТ, которая даже на 90 % может состоять из вторичного ПЭТ (r-PET).

Тем же принципиальным путем, т.е. рассчитывая на ПЭ как упаковочный мономатериал, идет немецкая Hosokawa Alpine, которая поставила итальянскому производителю упаковки ManuliTech 7-слойную экструзионно-раздувную установку со встроенным MDO-узлом для производства кашированных и ламинированных пленок с кислородным барьером в их полностью полиэтиленовом исполнении (рис. 3). Узел MDO (Machine Direction Orientation) в подобных установках осуществляет, как известно, последующее после экструзии одноосное вытягивание сложенной рукавной полимерной пленки в продольном направлении за счет разности скоростей между термостатируемыми валами. В результате пленка утоняется и приобретает ориентированную структуру с повышенными упруго-прочностными и барьерными свойствами. До настоящего времени для достижения желаемых характеристик обычной многослойной пленки она производилась из различных материалов и не подлежала переработке после использования.

Следует заметить, что узел MDO компании Hosokawa Alpine со встроенной системой Trio имеет конструкторско-технологические особенности в отличие от аналогов. Дело в том, что при вытягивании пленки уменьшается не только ее толщина, но и ширина – за счет сужения. Этот так называемый эффект сужения пленки (Neck-In-эффект) проявляется в образовании выраженных участков ее утолщения в зоне кромок шириной вплоть до 150 мм, что требует двухсторонней обрезки кромок пленки до узла намотки и приводит не только к образованию большого количества отходов, но и к снижению производительности экструзионно-раздувной установки. По утверждению Hosokawa Alpine, разработанная ею встроенная система Trio позволяет снизить этот нежелательный Neck-In-эффект до 50 %, улучшить плоскостность пленки и обеспечить ее однородный профиль по толщине. В зависимости от области применения пленка проходит в узле MDO от 8 до 12 валов. Когда требуется усиленный кислородный барьер, в качестве такового используется внутренний слой сополимера этилена и винилового спирта (EVOH) в пределах до 5 % мас., что не влияет на возможность переработки пленки в потоке полиэтиленовых отходов.

Подобные многослойные упаковочные пленки, в которых используется до 5 % мас. другого полимера, лишь условно можно отнести к мономатериальным. Но главное не это, а то, что они поддаются переработке. Таковой является, например, новая 11-слойная пленка марки Allflex SR производства немецкой компании Allvac, состоящая из ПА и ПЭ и на 100 %, как утверждают в компании, пригодная для переработки. ПА обеспечивает кислородный барьер и ароматическую защиту, а ПЭ создает барьер от влаги и обладает хорошими герметизирующими свойствами. В целом пленка обладает хорошей стойкостью к проколам, высоким блеском и прозрачностью. Она была разработана для упаковки мяса, колбас, рыбы и сыров (рис. 4). Продвигает на рынке эту экологически чистую упаковку другая немецкая компания – Allfo, партнер Allvac.

ПЭТ-бутылки с тонкими термоусадочными оболочками, предназначенными для защиты светочувствительных молочных напитков и изготовленными из других материалов, часто теряются в процессе сортировки из-за того, что не распознаются. Компания Nestlé недавно представила на рынке США новую разработку из своего портфолио Nesquik, заключающуюся в том, что бутылка, оболочка и колпачок изготавливаются только из ПЭТ и потому могут быть переработаны совместно (рис. 5). По утверждению разработчика, переход на такое решение позволяет лучше сортировать и перерабатывать около 4500 т вторичного ПЭТ в год.

Компания CCL Label (США) идет другим путем со своей флотационной технологией EcoFloat, в основе которой лежит использование всплывающей в воде оболочки из ПЭНП, которую затем можно легко можно отделить от ПЭТ-бутылок на заводах по сортировке и переработке отходов. Другая американская компания Zotefoams сообщила, что ее линейка новой, экологически чистой барьерной упаковки ReZorce из вспененного моно-ПЭВП была названа победителем в категории «Инновационный продукт» на конкурсе Reuters Sustainability Awards 2024 (рис. 6). В настоящее время жесткие стоячие асептические пакеты для напитков, в частности для фруктовых соков, изготавливаются из многослойных разнородных материалов и не подлежат переработке в отличие от ReZorce. Zotefoams обратила внимание именно на этот вид упаковки, поскольку он тиражируется ежегодно в мире в количестве около 250 млрд шт. В связи с этим был заключен контракт с компанией Südpack на поставку вспененного экструдированного листового моно-ПЭВП, что обеспечит производство до 100 млн пакетов в год, пригодных к последующей переработке. В основе ReZorce лежит запатентованная технология, которая позволяет чередовать вспененные микроячеистые слои с твердыми слоями для оптимизации барьерных свойств и обеспечения такой же жесткости, как и у обычных пакетов для напитков. Кроме того, у ReZorce на 50 % ниже потенциал глобального потепления (GWP: global warming potential), а для производства, наполнения и транспортировки пакетов требуется в 11 раз меньше воды и в 5 раз меньше энергии.

1.2. Биоразлагаемая упаковка

Сокращению неперерабатываемых отходов полимерной упаковки, помимо мономатериального решения, способствует использование в ее производстве биоразлагаемых пластиков, составляющих часть биопластиков в целом. К второй группе биопластиков относятся, как известно, пластики, производимые на основе возобновляемого биосырья. Они позволяют несколько сократить объемы использования невозобновляемого углеводородного сырья, но не решают проблем сокращения отходов. Используются биопластики в основном для производства упаковки, в первую очередь пищевой. В относительном выражении объемы их выпуска в последние годы остаются на уровне менее 1,5 % от общего объема мирового производства пластмасс, но в абсолютном растут примерно с тем же темпом (рис. 7). Опережающий же рост пока что сдерживается их более высокой стоимостью.

Для целей данного обзора интерес представляют в первую очередь биоразлагаемые пластики. Ниже несколько примеров новых разработок в области упаковки на их основе.

Будь то в офисе или дома, кофейные капсулы уже становятся почти стандартным видом упаковки не только для кофе, но и для чая или какао. Детское питание, а также различные безалкогольные напитки все чаще предлагаются в капсулах. Но из-за мусора, который они создают, капсулы постоянно подвергаются критике. При этом форма капсульной упаковки имеет определенные преимущества, защищая продукт и позволяя избежать отходов из-за испорченного содержимого. Наконец, точное распределение порций по одной капсуле на чашку приводит к тому, что другие способы приготовления того же кофе уходят в прошлое. Вот почему компания Greiner Packaging разработала кофейную капсулу из компостируемого полимера, а использованные капсулы можно легко переработать дома в собственном компосте (рис. 8).

В рамках совместного проекта Фраунгоферского института технологии и упаковки (IVV) и Университета г. Альбштадт-Зигмарингена была разработана многослойная термоформуемая упаковочная пленка, изготавливаемая на 100 % из биосырья и предназначенная для полностью перерабатываемой упаковки скоропортящихся пищевых продуктов в атмосфере защитного газа (рис. 9).

Дело в том, что многие чувствительные продукты, такие как свежее мясо, фарш или нарезанные колбасы и сыры, часто упаковывают в атмосфере защитного газа, чтобы предотвратить размножение микробов и продлить срок годности продукта. Чтобы поддерживать модифицированную атмосферу в течение достаточного времени, упаковочные материалы должны иметь определенные газовые барьеры. Многие имеющиеся на рынке пластики на биологической основе до сих пор не отвечают этим требованиям. В связи с этим исследователи разработали четырехслойную пленку, в которой тонкий слой концентрата соевого белка в качестве кислородного барьера был помещен между двумя слоями полилактида (PLA), а тонкий слой горячего расплава воска был использован в качестве барьера для водяного пара. Для этого слоя был выбран воск из семян подсолнечника – побочный продукт производства растительного масла.

(Продолжение следует)

Редакция журнала

Polymer Packaging Materials and Technologies: Problems and their Solutions

One of the largest applications of polymer materials in the world in general and in Russia in particular is plastic packaging, the volume of consumption of which continues to grow steadily, despite attempts to contain and limit this process by international and national regulatory authorities. Accordingly, the volume of polymer packaging waste is also growing, the reduction of which due to well-known and new design and materials science solutions is becoming a key task for manufacturers of packaging materials, equipment and packaging itself. Of course, an equally important task remains to reduce its cost while maintaining consumer characteristics. The article provides examples of design, technological and materials science solutions to these and other problems in the plastics industry by a number of leading European companies.

(To be continued)

Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 5 (312) 2025 г., с. 10-16.