Возможности экономии ресурсов при экструзии полимерных пленок и термоформовании упаковки из них

С помощью целенаправленно разработанной упаковки пищевые продукты могут быть надежно защищены без значительного увеличения экологического следа [1]. В этом отношении полимерные материалы, предназначенные для производства гибкой и жесткой упаковки, во многих аспектах превосходят другие материалы, такие как стекло и картон. В то время как с помощью всего лишь 1 кг пластика можно упаковать около 56 кг продуктов, при использовании той же массы картона — только половину, а в случае стекла — всего 1/30 этого количества продуктов [2]. Другой аспект связан с изменениями в логистике перемещения упакованных грузов. Например, за последние 20 лет только в Германии количество бытовых товаров в упаковке, перевозимых грузовиками, увеличилось примерно наполовину при одновременном увеличении протяженности перевозок [3]. Это делает дополнительное сокращение массы упаковки стимулом для экономии ресурсов, который нельзя недооценивать.

Состояние вопроса

Одним из наиболее распространенных представителей пластмасс в области упаковочных материалов является полипропилен (ПП), что отражается в высокой доле его потребления среди других полимерных материалов на европейском рынке, составляющей около 19 % [4]. А что касается только сектора гибкой упаковки, то этот показатель достигает даже 30 % [5]. Это связано прежде всего с такими свойствами материала, как очень хорошая химическая стойкость, низкая паропроницаемость, а также более высокая механическая прочность по сравнению, например, с полиэтиленом [6]. Недостатком ПП является сравнительно узкое технологическое окно его переработки, что характерно для частично кристаллических термопластов [7]. Именно по этой причине часто более предпочтительными, особенно при термоформовании, становятся аморфные термопласты, такие как полистирол.

Целью совместного исследовательского проекта Института технологии пластмасс (IKT) Университета г. Штутгарта (Германия) и фирмы Constab Polyolefin Additives GmbH (г. Рютен, Германия) является улучшение профиля свойств ПП для производства термоформуемых пленочных полуфабрикатов за счет использования «партнеров» ПП, способных к полному смешиванию с ним. При этом, с одной стороны, планировалось уменьшить тепловую энергию, затрачиваемую на экструзию пленки, и одновременно расширить температурное окно экструзионной переработки. С другой стороны, была поставлена задача улучшить механические характеристики готового термоформованного изделия таким образом, чтобы уменьшить толщину стенки и, соответственно, массу упаковки и, таким образом, сократить расход материала.

Производство пленочных заготовок

Модификацию ПП в целях улучшения его способности к ресурсосбережению при экструзии пленок и последующем термоформовании жесткой упаковки было решено проводить с помощью целенаправленно подобранных добавок. В этих целях фирма Constab предварительно изготовила в своем технологическом центре опытные партии мастербатчей или, иначе, суперконцентратов добавок на основе ПП, а также на основе совместимых с ПП «партнеров». Затем из полученных смесей были выбраны наиболее перспективные составы, рецептура которых представлена в таблице.

Массовое содержание компонентов в исследованных составах смесей пленочных полимерных материалов

В дальнейшем эти смеси перерабатывались методом экструзии в пленку шириной 300 мм и толщиной 1, 0,8 и 0,7 мм. Мастербатчи добавляли вместе с базовым материалом (гомополимер пропилена с ПТР, равным 3 г/10 мин, 230 °C/2,16 кгс) через основную загрузочную воронку одношнекового лабораторного экструдера с диаметром шнека 30 мм и соотношением L/D = 25 (производитель — Collin Lab & Pilot Solutions GmbH, г. Майтенбет, Германия). Температурный профиль экструзионной переработки был выбран постоянным для всех смесей, при этом значения температуры от зоны загрузки и до экструзионной головки изменялись в пределах от 190 до 230 °C. Плоскощелевая головка шириной 300 мм имела распределитель расплава типа «вешалки», температура которого на уровне 230 °C поддерживалась четырьмя отдельными контурами нагрева. Экструдируемая пленка доводилась до нужной толщины с помощью узла каландрования типа 136/350 (производитель — Collin), который состоял из приемного, охлаждающего и выглаживающего валов диаметром 144, 72 и 72 мм соответственно (рис. 1). Во время переработки, помимо температуры,регистрировались основные машинные параметры, такие как ток двигателя, давление перед плоскощелевой фильерой и расход, на основании которых затем автоматически рассчитывалось удельное потребление энергии при переработке различных пленочных смесей.

Энтальпию плавления полученных пленочных материалов, характеризовавшую необходимое для этого процесса количество тепловой энергии, определяли из результатов дифференциальной сканирующей калориметрии, осуществляемой с помощью прибора DSC 2 (производитель — Mettler Toledo, г. Гриффензее, Швейцария). Для этого из пленок вырезали круглые образцы диаметром 4 мм, которые затем подвергали автоматизированному нагреву в алюминиевых тиглях по заданному температурно-временному режиму. Измерительный цикл начинался с температуры −80 °C, которая поддерживалась в термокамере в течение 5 мин. Затем происходил подъем температуры до 240 °C со скоростью 10 °C/мин, и после двухминутной изотермической паузы следовало охлаждение до −80 °C со скоростью 10 °C/мин. Далее повторялся цикл нагрева, результаты которого использовались для оценки изменений энтальпии плавления.

Производство термоформованных образцов

На следующем этапе работ объектом исследования служили опытые термоформованные стаканы, изготавливаемые в негативной форме на лабораторной термоформовочной установке модели LDFG32b (производитель — фирма Illig Maschinenbau GmbH & Co. KG, г. Хайльбронн, Германия) [8]. Как видно из технологической схемы процесса термоформования, представленной на рис. 2, сначала следует нагрев пленочной заготовки, осуществляемый при перемещении зажимной рамы с пленкой между радиационными излучателями, нагревающими пленку до температуры термоформования. Собственно термоформование проводили с помощью сжатого воздуха и вакуума с предварительной механической вытяжкой пленочной заготовки. Пуансон, приводимый в действие серводвигателем, протягивал материал в оформляющую полость формы со скоростью 500 мм/с, а вскоре после начала этой механической вытяжки происходили подача сжатого воздуха внутрь формуемого стакана и вакуумирование с его обратной стороны. Затем следовали стадии выдержки под давлением, раскрытия формы и извлечения готового стакана. Некоторые параметры процесса термоформования были фиксированными для всех пленочных заготовок. Так, время перемещения пуансона, создания давления сжатого воздуха и выдержки под давлением составляло соответственно 0,5, 1,0 и 10 с, температура формы была равна 70 °С, излучателей — 450 °С.

Вместе с тем для каждой исследуемой смеси эмпирическим итеративным путем подбирали оптимальное сочетание времени нагрева пленочных заготовок, давление сжатого воздуха и ход пуансона. Критериями качества термоформованных стаканов на этом этапе исследований служили геометрическая четкость угловых зон в местах перехода стенки стакана в его донышко, отсутствие разрывов стенки, качество поверхности и равномерность распределения толщины стенки по ее окружности. Толщину стенки измеряли с помощью толщиномера марки Panametrics Magna Mik 8500 (производитель — фирма Olympus, г. Майнц, Германия). Благодаря накопленному опыту, процесс поиска оптимального режима термоформования той или иной смеси проходил сравнительно недолго. Начинали с регулировки времени нагрева, а затем подбирали оптимальное сочетание хода пуансонов и давления сжатого воздуха. В завершение изготавливали пять стаканов, визуальный контроль которых и результаты толщинометрии подтверждали правильность выбранного режима термоформования для каждой пленочной смеси.

Для более полной оценки качества термоформованных стаканов они были испытаны на смятие при сжатии в соответствии со стандартом DIN 55440-1 (см. фото у заголовка статьи). Испытания проводили в нормальных климатических условиях с помощью универсальной машины для испытаний на растяжение, сжатие и изгиб модели Zwick 1474 (производитель — фирма Zwick/Roell, г. Ульм, Германия). При этом стакан, размещенный между двумя параллельными плитами, нагружался за счет подъема нижней плиты в осевом направлении со скоростью 10±3 мм/мин (предварительная нагрузка до начала испытания составляла 1 Н). Значения нагрузки и перемещения нижней плиты записывались с помощью датчиков силы и пути до тех пор, пока не достигался максимальный путь, равный 50 мм, или не наступало резкое падение нагрузки более чем на 20 % в результате потери устойчивости стенки стакана. Для каждой пленочной смеси было испытано не менее пяти опытных стаканов в целях последующего расчета среднего арифметического максимальной нагрузки и стандартного отклонения.

Обсуждение полученных результатов

Какое влияние мастербатчи модифицирующих добавок оказывают на ресурсосбережение при производстве термоформованной полимерной упаковки, наиболее полно можно оценить только на основе комплексного учета всех значимых факторов на стадиях производства пленочных смесей, экструзии пленки и термоформования пленочных заготовок, использования термоформованной упаковки и ее утилизации. В данной работе потенциал эффективности ресурсосбережения оценивался на примерах достигнутой экономии энергии при переработке и экономии материала.

Так, результаты измерения энтальпии плавления контрольного материала и модифицированных составов показывают, что модификация ПП в большинстве случаев позволяет снизить теплоту плавления и, следовательно, потребляемое для этого процесса количество тепловой энергии, которое в лучшем случае (у смеси N^o 5) составило 15,8% (рис.3). Кроме того, экструзия модифицированных смесей потребовала меньшего давления на фильере и, следовательно, меньшей механической энергии примерно на 10-20 %. Результаты реологических исследований (в данной статье не приводятся) позволили связать это с улучшением текучести смесей, что само по себе полезно и для стадии термоформования, поскольку изготовленные пленки могут перерабатываться уже при более низких температурах. Это, в свою очередь, расширяет температурное окно переработки и снижает на 20 % время нагрева пленочных заготовок и, следовательно, потребление тепловой энергии.

О потенциале экономии материала свидетельствуют результаты испытаний термоформованных стаканов на смятие (рис. 4). Так, максимальная нагрузка смятия контрольного стакана с толщиной стенки 1 мм составила 53,6 Н, тогда как, например, у стакана с толщиной стенки 0,7 мм, изготовленного из модифицированной смеси ПП, — 66,5 Н (смесь N^o 4), что эквивалентно увеличению максимальной нагрузки на 24 % при одновременном уменьшении толщины стенки на 30 %. Этот эффект объясняется некоторым повышением модуля упругости модифицированных смесей ПП.

Следует заметить, что добавление к ПП мастербатчей не только повышает сопротивление термоформованных стаканов смятию, но и улучшает термоформуемость материала, обеспечивая более равномерное распределение толщины стенки по ее площади.

Заключение

Результаты исследований показывают, что благодаря соответствующей модификации ПП возможно снизить расход материала более чем на 30 % при сохранении потребительских свойств стаканов, взятых в качестве примера термоформованной упаковки. Это достигается за счет улучшения термоформуемости смесей, что отражается на более равномерном распределении толщины стенки. Кроме того, удалось также уменьшить энтальпию плавления, что сокращает потребление энергии на 15 % в процессе экструзии пленки. Таким образом, разработанные материалы явно превосходят классический ПП с точки зрения ресурсосбережения.

В течение оставшегося времени, отведенного на выполнение данного исследовательского проекта, планируется проверить, как выбранные составы смесей ПП могут быть переработаны в серийном масштабе в условиях промышленных процессов экструзии и термоформования, а также в какой степени полученные положительные результаты могут быть перенесены на биопластики, такие как, например, полилактид.

Благодарность

Авторы выражают благодарность Федеральному фонду защиты окружающей среды (Германия) за материальную поддержку выполняемого ими исследовательского проекта N^o AZ33771.

Литература

1. Bonten C. Kunststofftechnik — Einführung und Grundlagen. 2. Aufl. — München: Carl Hanser Verlag, 2016.
2. Berndt+Partner Consultants, 2018.
3. Verkehr auf einen Blick. — Wiesbaden: Statistisches Bundesamt, 2013.
4. Plastics — the Facts 2019. — Plastics Europe Market Research Group, 2019.
5. High Barrier Flexible films for Food Packaging. — AMI Consulting, 2016.
6. Domininghaus H. Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften. 6. Aufl. — Heidelberg: Springer-Verlag, 2007.
7. Throne J. Technology of Thermoforming. 1. Aufl. — München: Carl Hanser Verlag, 1996.
8. Gutbrod F. Untersuchung von energieeffizienten Materialien für das Thermoformen (unveröffentlichte Studienarbeit). — Stuttgart: Universität Stuttgart, Institut für Kunststofftechnik, 2019.
9. Knappich F., Hartl F., Schlummer M., Mäurer A. Complete recycling of composite material comprising polybutylene terephthalate andcopper//Recycling.—2017.—N^o.2.—P.9.

Resource Saving Opportunities for Polymer Films Extrusion and Thermoforming of Packaging Products from Them

F. Baumgärtner, Ch. Bonten, S. Erlwein, A. Strunk-Westermann, O. Allekotte

The research results presented in this article show that due to the appropriate modification of polypropylene, it is possible to reduce material consumption by more than 30 % while maintaining the consumer properties of thermoformed packaging. It was also possible to reduce the melting enthalpy, which reduces energy consumption by 15 % during the film extrusion process. Thus, the developed materials are clearly superior to classic polypropylene in terms of resource savings.