Упаковочные материалы. Картон

В упаковке для жидких продуктов картон обеспечивает прочность, жесткость, гигиеничный внешний вид и качество поверхности для печати. В типичной конструкции основной материал пакета — это многослойный картон из древесной целлюлозы, позволяющий обеспечить высокий уровень требований к нейтральности относительно запаха и вкуса. Наружный слой картона всегда изготавливают из беленой целлюлозы, получаемой химическим способом в процессе сульфатной варки. Для обеспечения необходимого качества печати на этот наружный слой может быть нанесено меловальное покрытие. Близлежащие к наружному слои картона могут изготавливаться как из беленой, так и небеленой целлюлозы.

Используют также химико-термомеханическую древесную массу (ХТММ, СТМР), которая светлее обычной термомеханической древесной массы (ТММ) или древесной массы из щепы, но не настолько белая, как беленая целлюлоза, получаемая химическим способом. При применении ХТММ в картоне она располагается между слоями беленой целлюлозы. ХТММ обеспечивает большую пухлость и, следовательно, большую жесткость, чем целлюлозы той же массы, будучи при этом дешевле. Толщина и масса картона зависят от вида картона упаковки и от использования в его композиции ХТММ.

Основное различие между картоном для упаковки жидких продуктов и коробочным картоном для складных коробок заключается в проклейке, используемой на этапе приготовления бумажной массы. Хотя конструкция упаковки исключает непосредственный контакт с жидким продуктом как кромок, так и плоских поверхностей картона, из-за того, что на молокоперерабатывающих предприятиях рабочая

среда в основном влажная, необходимо, чтобы необработанные кромки картона при контакте с окружающей средой не могли быстро впитывать влагу, Картон, используемый для производства упаковки жидких продуктов, является хорошо освоенным изделием и выпускается в больших объемах относительно не большим количеством производителей.

Барьерные и термосвариваемые слои

Типовая конструкция упаковки требует наличия на лицевой, верхней стороне (стороне печати) и на оборотной стороне картона совместимых термосвариваемых полимерных материалов. Полимерные покрытия обычно наносятся методом экструзии полиэтилена низкой плотности (ПЭНП). В некоторых конструкциях, как мы покажем ниже, с помощью полиэтилена выполняется термосваривание наружной и внутренней поверхностей, поэтому ПЭ на этих двух поверхностях должен быть термосваривамым, в других же конструкциях выполняется лишь термосваривание внутренних поверхностей между собой, и термосвариваемым должен быть лишь ПЭ внутреннего слоя. В большинстве конструкций требуется термосваривание наружных сторон. Картон с двухсторонним ПЭ-покрытием представлен на рис. 13.4.

Картон с двухсторонним ПЭ-покрытием обеспечивает непроницаемость для жидкости и защиту от влаги. Используют его в основном для фасования свежих изделий с относительно коротким сроком годности и реализуемых в охлажденном виде.

Толщина ПЭ-слоя зависит от массы картона — масса наружного слоя ПЭ может быть 14 или 26 г/м², а внутреннего — 26, 41 или 56 г/м², причем для достижения необходимой общей толщины слоя полиэтилена его последовательно наносят в виде двух или трех слоев.

Не следует думать, что ПЭ, как и большинство других полимерных материалов, — это один определенный материал (как это имеет место для неорганических соединений). Существует большое количество видов ПЭ с различной плотностью и молекулярной структурой, которые определяются условиями полимеризации этилена (давлением, температурой и типом применяемого катализатора). Недавнее внедрение металлоценовых катализаторов существенно повлияло на свойства ПЭ и других полимерных материалов, и производители полиэтилена активно работают в этой области. Линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП) превосходит ПЭНП по многим свойствам, в частности по сопротивлению растяжению, удару и проколу.

Рис. 13.4. Картон с облицовочным слоем из ПЭ с двух сторон

Для улучшения или изменения свойств совместимых полимерных материалов их можно смешивать. В связи с этим следует упомянуть этиленвинилацетат (ЭВА, EVA), покрытие из которого, нанесенное методом экструзии, улучшает способность к термосварке. У пленок, используемых, например, для ламинирования конструкций типа «пакет-в-коробке», ЭВА повышает прочность, гибкость и способность к термосвариванию.

Для улучшения барьерных свойств упаковки для жидких продуктов в дополнение к ПЭ следует использовать и другие материалы. Так, сополимер этилена и винилового спирта (EVOH) и полиамиды (ПА) обеспечивают хорошие барьерные свойства относительно кислорода и вкусоароматических летучих соединений, а также стойкость к воздействию жиров и масел. Вместе с тем EVOH и ПА в отличие от ПЭ, не обеспечивают хорошие барьерные свойства относительно водяного пара. Эти материалы используют в основном в упаковке продуктов со средним и длительным сроком хранения в нормальных условиях окружающей среды, а также для продуктов, реализуемых в охлажденном виде; они могут служить альтернативой материалам, где используется алюминиевая фольга (рис. 13.5).

В качестве материала с высокими барьерными свойствами относительно света, кислорода и водяного пара широко распространена алюминиевая фольга, которая обеспечивает превосходную защиту от посторонних запахов и обладает стойкостью к жирам и маслам. Картон может быть покрыт фольгой с любой стороны, причем при покрытии наружной (верхней) стороны картона обеспечивается «металлический» внешний вид упаковки. В большинстве случаев алюминий используют только из-за его барьерных свойств, а сверху дополнительно наносят слой ПЭ (рис. 13.6). Подобные ламинаты применяются в асептической упаковке и в упаковке изделий с относительно коротким сроком хранения в нормальных условиях окружающей среды и реализуемых в горячем виде, а также в упаковке свежевыжатых соков, реализуемых в охлажденном виде. Иономеры, в частности Surlyn®, обладают хорошими барьерными свойствами относительно водяного пара (как и полиэтилен), и, кроме того, стойкостью к действию жиров и масел. Surlyn® обладает очень хорошей клеящей способностью при высоких температурах и термосварными свойствами, в связи с чем его часто используют в качестве клеящего слоя (технологической добавки) для алюминиевой фольги, на который методом экструзии можно нанести ПЭ. Иономер можно наносить на алюминиевую фольгу при более низких температурах, чем ПЭ, что позволяет избежать возможного появления запаха полиэтилена, который появляется при высокой температуре, необходимой для обеспечения достаточной адгезии ПЭ к алюминиевой фольге.

Рис. 13.5. Картон с двухсторонним покрытием из ПЭ и EVOH

Рис. 13.6. Картон, покрытый с двух сторон слоями из полиэтилена и барьерным слоем из алюминиевой фольги

Альтернативой клеящему слою на основе ПЭ/ПА является один из промоутеров семейства Bynel® фирмы DuPont (см. также сайт DuPont), увеличивающий адгезию в процессе соэкструзии.

Пленка из полиэфира (иолиэтилентерефталат), покрытая в вакууме тонким слоем алюминия, служит хорошим барьером относительно кислорода и водяного пара. Используют ее для ламинирования картона. Металлизировать можно и другие пленки (например, полипропиленовые и полиамидные). Еще одна пленка, об ладающая высокими барьерными свойствами, характеризуется плазменным напы лением на полиэфирную пленку слоя оксида кремния (SiO₂). Такая пленка имеет неметаллический барьерный слой и может применяться для соединения с картоном методом ламинирования.

Существует множество возможных сочетаний экструзионного покрытия и ламинирования. Например, полипропилен (ПП), стойкий относительно эфирных масел, используют в качестве экструзионного покрытия картона, применяемого в упаковке

апельсинового сока. ПП покрывают смесью, содержащей наряду с ним 20% ПЭНП и 4% усилителя клейкости для улучшения термосваривания внутреннего слоя. По сравнению с ПЭ полипропилен характеризуется более высокой термостойкостью.

На практике на выбор материала для решения конкретной задачи упаковки жидкого продукта влияют собственно продукт, его требуемый срок годности и коммерческие соображения.

Одним из возможных подходов к выбору покрытия с барьерными свойствами, который, возможно, найдет применение в будущем, — это использование клеильного пресса на картоноделательной машине для нанесения на картон полимерных материалов в водной дисперсии. Surlyn® и Nucrel® — это термопластичные полимеры, выпускаемые фирмой DuPont в виде дисперсии и обладающие стойкостью к действию жиров и масел, а также низкой температурой начала склеивания, причем их можно использовать для нанесения покрытий из дисперсии. Снижению затрат способствует обработка, выполняемая на картоноделательной машине (см. также сайт DuPont).

Другая инновация касается производства и использования полимерных нанокомпозитов, в которых в полимере диспергированы мельчайшие частицы поверхностно-модифицированного каолина. Улучшенные барьерные свойства делают материал пригодным для использования в упаковке напитков, чувствительных к кислороду, в частности, фруктовых соков.

В состав относительно нового материала, выпускаемого фирмой Ecolean (см. www. ecolean.com), входит карбонат кальция, смешанный с ПЭ.