Свяжитесь с нами

+7 (495) 989-43-69
(многоканальный)

e-mail: arz-p@arzpuck.ru

8-926-917-76-62
8-926-917-76-69

+7 (499) 123-54-44,
+7 (499) 124-56-63,
+7 (499) 797-49-76,
+7 (499) 127-67-40,
+7 (499) 127-18-78,
+7 (499) 755-71-13.

Адгезивные материалы

При выборе адгезивов не следует забывать пословицу: «Где тонко — там и рвется», поскольку качество упаковки всегда зависит от клея, с помощью которого она собрана или запечатана.

Адгезивы используются почти во всех технологиях производства и сборки продукции в сфере упаковки. Важной тенденцией, наблюдаемой в последние годы в этой области, стало стремление свести к минимуму применение адгезивов, содержащих растворители, заменяя их клеем на водной основе, использование которого менее вредно для окружающей среды. В сфере упаковочных технологий это привело не только к еще большему росту применения адгезивов на водной основе, но и к большей популярности термоклея с содержанием сухих веществ 100%. В настоящее время необходимо решить задачу создания адгезива, не препятствующего вторичной переработке использованной тары.

Принципы адгезии

Перед тем как перейти к обсуждению специальных видов адгезивов, применяющихся в сфере упаковки, необходимо рассмотреть некоторые сведения о принципах и теории склеивания. При склеивании материалов с помощью клеящего вещества не ставится задача зафиксировать их поверхности как можно плотнее друг к другу. Требуется, чтобы образовался бутерброд: материал-адгезив-материал. Хотя иногда желательно, чтобы применяемое количество адгезива было минимальным, добиваться тонкого слоя за счет дополнительного давления или разбавления клеящего вещества не следует.

Шероховатые или пористые поверхности могут склеиваться при помощи тех адгезивов, которые отвердевают или кристаллизуются. Очень гладкая поверхность, которая бывает у емкостей из стекла или пластмассы, вызывает совершенно особые проблемы. В этом случае предпочтительно применение адгезива, который не теряет пластичности и остается достаточно липким (создается так называемое сцепление за счет присасывания). Для некоторых пластиковых поверхностей (особенно это касается олефинов) может потребоваться обработка пламенем или коронным разрядом, необходимая для окисления поверхности. Чтобы улучшить параметры сцепления некоторых видов пленки или фольги, необходимо использовать грунтовочный слой (особенно это важно для экономически оправданных пластичных многослойных материалов, изготовленных методом экструзии). Необходимо также учитывать наличие в составе пленки пластификаторов или других добавок, которые могут оказать негативное влияние на процесс склеивания.

Теоретические основы адгезии

Сущность процесса склеивания остается еще до конца не ясной, но считается, что его определяет сочетание физических и химических воздействий. Чтобы помочь читателю лучше понять феномен склеивания (адгезии), опишем наиболее важные аспекты этого чрезвычайно сложного процесса.

Механическое сцепление образуется в тех случаях, когда адгезив проникает внутрь пористого материала. Когда герметизирующий состав впитывается в волокнистую массу и отвердевает, сцепление образует соединение, сила которого определяется силой сцепления адгезива или субстрата (в зависимости от того, какая из них больше). Естественно, вязкость адгезива и пористость материала определяют степень проникновения.

Если склеиваемые поверхности не являются пористыми, сцепление образуется не за счет механической взаимосвязи, а под воздействием молекулярных сил. В этом случае необходимо учитывать гладкость или шероховатость материала, поскольку это важно для сцепления. Если мы представим неровность поверхности в виде холмов и долин, то существует определенный идеальный угол между склоном холма и горизонтальной поверхностью, обеспечивающий максимальную удерживающую силу свободной энергии для применяемых материалов. Например, для бумаги и других целлюлозных материалов было рассчитано, что этот угол составляет 43°. Максимальная работа сцепления в таком случае составляет от 0,4 до 0,5 г/см, и, следовательно, поверхностное натяжение адгезивов должно находиться в этих пределах. Усадка ад-гезива при схватывании приводит к снижению действия этих сил, но этого можно почти полностью избежать путем применения адгезива при более высокой температуре и очень быстрого его охлаждения сразу после нанесения.

Для идеально гладкой поверхности может быть верно обратное, то есть при низких температурах и медленном охлаждении возникновение напряжения внутри адгезива, приводящего к нарушению контакта в области соприкосновения поверхностей, менее вероятно. Предварительно выявить возможность возникновения таких проблем можно следующим образом: на одну из сторон этикетки наносят клеящий состав, после чего ее подвергают испытаниям в условиях различных температур и влажности, выдерживают в течение некоторого времени, а затем проверяют состояние адгезива. Поскольку поверхность становится более гладкой, большее значение приобретают силы притяжения между молекулами адгезива и склеиваемого материала.

В бесконечно малых промежутках между атомами и молекулами действуют несколько сил, и их влияние в большой степени зависит от расстояния. Для обеспечения надежной связи между материалами важное значение имеет смачивающая способность адгезива. Молекулы некоторых адгезивов содержат компоненты, которые могут образовывать первичные связи с материалом поверхности. Например, такие вещества, как эпоксидные полимеры, изоцианат и цианистые соединения действуют эффективнее при более низкой молекулярной массе, лучше распределяясь по поверхности и обеспечивая перед отверждением хорошую смачиваемость. Присутствие силиконов, используемых для легкого извлечения изделия из формы, может помешать образованию химической связи из-за преимущественной ориентации индуцированных электронами полей по направлению к атому кислорода, следующему за группой диметилсилана и способному присоединять дополнительные электроны. Молекулярная диффузия частиц двух материалов, по силе значительно уступающая вышеупомянутому проникновению вещества, не прямо пропорциональна молекулярной массе в степени 2/3 и увеличивается прямо пропорционально температуре и прошедшему периоду времени. Этот тип диффузии более определенно проявляется в полярных соединениях при условии, что полярные группы не начинают активным образом препятствовать подвижности молекулярных цепей. Ветвистость молекулярных цепей также способствует диффузии — она пропорциональна числу эффективных цепочек в степени 2/3.

Силы дисперсии (они еще слабее, чем явление диффузии) появляются в результате изменения положения или рассеивания электронов, окружающих расположенные в тесной близости друг от друга атомы. Действие этих сил уменьшается при увеличении расстояния и обратно пропорционально расстоянию в степени 1/7; силы дисперсии оказываются несущественными, когда расстояние превышает 4,5 А (0,00045 мкм). Для сравнения скажем, что атомы углерода в молекулярной цепи находятся на расстоянии 1,5 А друг от друга.

В дополнение к силам дисперсии действует электростатическая сила полярных групп, превосходящая их в 3-4 раза. Количество такой энергии можно оценить при наблюдении за тем, какой потенциал образуется при отделении с поверхности стекла поливинилхлорида или пластика на основе целлюлозы. Потенциал разряда достигает нескольких тысяч вольт.

Следует упомянуть еще один фактор, хотя и менее значимый, чем описанные нами ранее, а именно силы Ван-дер-Ваальса, которые возникают благодаря притяжению, существующему в полярных молекулах из-за присутствия диполей. Эти силы более чем в 10 раз слабее силы ковалентной связи, существующей между атомами, например хлора).

Типы адгезивов

В широком смысле слово «адгезив» используется для обозначения всех существующих клеящих веществ, а в узком — только для эмульсий из синтетических смол. Под термином «клей» обычно подразумевают материалы животного, реже — животного и растительного происхождения. Название «клейстер» почти всегда подразумевают растительное происхождение вещества; эти виды клеящих веществ используются только для изделий из бумаги. Словосочетанием «цементирующий состав» или словом «цемент» {cement) обозначается адгезив с содержанием растворителя, предназначенный для склеивания таких материалов, как кожа, резина, стекло и т. п.

Большую часть применяемых в сфере упаковки адгезивов составляют составы природного происхождения на водной основе, которые до конца второй мировой войны были почти единственным видом клеящих веществ. В их число входят крахмальный клей (в США используется кукурузный крахмал), казеин из коровьего молока, животный клей, а также резиновый латексный клей, однако все большее распространение получают синтетические водоэмульсионные адгезивы и термоклей.

Крахмалы

Крахмальную пасту делают из кукурузной, пшеничной или ржаной муки, тапиоки, картофеля или саго. В натуральном виде крахмал используют только для этикетировки бумажных и картонных упаковок (особенно когда требуется наклеить бумагу на гофрокартон), и в этом случае клейстер из кукурузного крахмала позволяет очень быстро зафиксировать две бумажные поверхности. Кроме того, такой клейстер применяется для изготовления пакетов и наклеивания этикеток. Чаще всего крахмал преобразуется с помощью сухого тепла, кислоты или ферментов в декстриновый клей белого или желтого цвета, обеспечивающий более быстрое приклеивание и имеющий большее содержание сухого вещества. Стоимость крахмального и декстринового клеев невысока.

Декстриновые клеи

Для нанесения этикеток используется, как правило, декстриновый клей бурого цвета относительно жидкой консистенции, обычно проявляющий кислотные свойства. Такой клей хорошо наносится на поверхность и достаточно быстро высыхает, но при этом не является водостойким. Чтобы клей быстрее схватывался и лучше держался, иногда применяется бура (тетраборнокислый натрий Borax). Следует отметить, что борированные декстрины склонны тянуться нитями и менее подходят для машинной обработки продукции. Чтобы отличить крахмал от декстрина, можно провести идентифицирующий тест при помощи слабого раствора йода. Крахмал окрашивает контрольный раствор в синий цвет, тогда как декстриновый клей дает красную или коричневую окраску.

Декстриновый клей предпочтительнее всего использовать в течение нескольких месяцев со дня выпуска, хотя при хранении в благоприятных условиях его качество может сохраняться в течение года и более. Среди всех видов адгезивов простой декстриновый клей является наименее дорогим и самым подходящими для машинной обработки (при очистке оборудования он легко смывается теплой водой).

В случае применения высокоскоростных технологий предпочтительнее использовать декстриновый клей из тапиоки. Декстрин на основе кукурузной муки стоит дешевле, но не так быстро схватывается. Эфиры крахмала представляют собой группу соединений, использующихся для выпуска мешков (пакетов), а также в качестве увлажняющего адгезива. Чтобы материал при склеивании оберток ложился ровнее, без волнистости, определенные виды декстрина могут смешиваться с эмульсией ПВА.

Желеобразные адгезивы

Желеобразный клей, применяемый для этикеток, представляет собой коллоидный раствор модифицированного крахмала. Он имеет достаточную стойкость к воздействию высокой влажности и сырости и обычно считается частично стойким к замерзанию. Этот клей резиноподобен и имеет хорошие когезионные свойства; его цвет — от белого до красновато-коричневого. Обычно желеобразный клей характеризуется щелочными свойствами и позволяет хорошо наклеивать этикетки на различные поверхности: горячие или холодные, влажные или сухие, жирные или маслянистые. Такой клей пригоден для наклеивания на бутылки из бесцветного, опалового или боросиликатного стекла, а также тех, на поверхность которых нанесено защитное покрытие от царапин (за исключением силиконовых покрытий). Широко используется желеобразный клей в фармацевтической, косметической и пищевой промышленности. Благодаря своему составу животный желеобразный клей при комнатной температуре находится в жидком состоянии, а в холодной воде клейстеризуется. Такой стойкий к замерзанию клей используется для наклеивания этикеток на бутылки с напитками; он плохо выдерживает погружение в воду, но при этом вполне пригоден для использования в условиях повышенной влажности.

Казеиновые клеи

Казеиновый клей выпускается из высушенного створоженного молока; иногда в него добавляются известь и другие ингредиенты. Перед применением клей разводят в холодной воде. В сфере упаковки он применяется в двух основных сферах. Одна из них — этикетирование стеклянных бутылок, где казеиновый клей имеет наибольшее распространение благодаря водостойкости и стойкости к замерзанию; для вторичного использования стеклянной тары приклеенные этикетки удаляются в щелочном растворе. Второй сферой применения казеинового клея является его добавление в состав адгезива для изготовления ламинатов бумаги и фольги. Неокрашенный казеиновый клей может иметь цвет от янтарного до темно-коричневого; казеин обладает слабовыраженными щелочными свойствами и достаточно жидкой консистенцией. Для обеспечения быстрого схватывания клея его необходимо наносить очень тонким слоем. Чтобы клей хорошо разводился в воде, в качестве разбавителя добавляют аммиак, а иногда (для повышения водостойкости) — спирт. Для изготовления складных картонных коробок с каолиновым покрытием в казеиновый клей добавляют глину. Казеиновый клей характеризуется низкой липкостью, но при высыхании обеспечивает очень хорошее сцепление.

Клеи животного происхождения

Животный клей изготовляется из мездры и костей животных (в основном кастрированных бычков). Он выпускается в форме хлопьев или гранул и перед использованием растворяется в воде при температуре около 60 °С. Обычно стандартный животный клей изготовляется из смеси костного и мездрового. Клей обычно имеет коричневый цвет средней насыщенности, проявляет слегка кислотные свойства и достаточно жидок по консистенции. Он хорошо прилипает, достаточно быстро схватывается и высыхает. Животный клей прочно соединяет деревянные и бумажные детали, однако недостаточно влагостоек, подвержен воздействию плесени, грибка и некоторых насекомых. Новые разработки в области синтетических материалов привели к сокращению применения животного клея в сфере упаковки, но именно он является наиболее предпочтительным в качестве увлажняющего адгезива для армированной ленты, использующейся при запечатывания коробок. При использовании животрюго клея на поверхности редко образуются вздутия, складки или морщины, и благодаря этому он может использоваться для изготовления жестких коробок и прилегающей мягкой упаковки; в этих случаях клей нагревают до температуры 60 °С, а количество воды для его разведения должно быть минимальным. Животный клей является не очень стойким к замерзанию и используется для этикеток на напитках.

Клеи на основе синтетических смол

Из всех разновидностей синтетического клея в области упаковки обычно применяются поливинилацетатные (ПВА) эмульсии. Они быстро сохнут и образуют крепкое соединение с бумагой и различными видами пленок, покрытий, а также других подобных непористых поверхностей. Некоторые составы клеев на основе синтетических смол обходятся в 2-3 раза дороже декстринового, но удобны тем, что могут повторно активироваться при нагревании, выполняя функции термопокрытия. Существуют и другие виды синтетических клеев, позволяющие легко отсоединить склеенные поверхности. Чаще всего они используются для фиксации прозрачной пленки в окошках на складных коробках или на конвертах, но иногда их применяют для запечатывания подклеиваемых крышек на коробках из гофрокартона.

Адгезионные материалы, склеивающие при надавливании

Эта разновидность адгезивов, постоянно сохраняющая клейкость, стоит относительно дорого и пользуется спросом у изготовителей этикеток, так как позволяет наклеить этикетку почти на любую поверхность. Кроме того, применение таких материалов сокращает время переналадки оборудования и почти полностью устраняет необходимость его очистки, на которую при использовании жидкого клея уходят значительные средства.

Самоклеющиеся этикетки поставляются на бумажной подложке с силиконовым разделительным слоем. Существуют два основных типа таких этикеток: на основе акрилового состава и на основе смеси смол и каучука. При этом для повышения клейкости и для наклеивания этикеток на разные виды поверхностей оба типа адгезивов значительно модифицируются с помощью других мономеров и веществ.

Существуют различные способы нанесения самоклеющихся этикеток, но во всех случаях первой операцией является резкое разрывание ленты-подложки с помощью заточенной пластины, и при этом этикетка автоматически отклеивается от подложки. Затем она может захватываться вакуумным позиционирующим устройством или барабаном и сразу же приклеиваться на поверхность; этикетка также может размещаться на поверхности при помощи сильной струи воздуха. Раньше точность наклеивания этикетки несколько колебалась, но в настоящее время гарантируется, что отклонение составляет не более 0,8 мм.

Термоплавкие адгезивы

Термоплавкими адгезивами называют особый вид клеев на основе синтетических смол, наносимые на бумагу или картон и затем активируемые при нагревании в необходимый момент. Это позволяет обеспечить более высокую скорость этикетирования, обертывания и блистерного упаковывания. При помощи печати изображения определенным образом можно не только свести к минимуму, но и обеспечить потребителю возможность легкого распечатывания упаковки.

Для этикетирования применяются два типа адгезивов. Один из них активируется нагретой пластиной прямо перед нанесением этикетки и мгновенно схватывается. Более практичным является другой тип, так называемый адгезив замедленного действия, обладающий более долгим периодом открытости (то есть этикетка остается липкой в течение некоторого времени после того, как прекратилось воздействие источника тепла). Увеличение времени разогрева и возможность вынести эту операцию за пределы этикетировочного участка позволяет значительно повысить скорость работы оборудования. В качестве типичного примера такой технологии можно привести использование устройства предварительного нагревания с температурой до 204 °С и пластины с температурой 107 °С на участке, где осуществляется этикетирование. При этом на практике необходимая температура будет зависеть от свойств адгезива и скорости выполнения операций. Такие этикетки наклеиваются на пластмассовые банки или бутылки, не требуя обработки поверхности пламенем, но при их наклеивании на стекло с силиконовым покрытием могут возникать проблемы. При использовании таких этикеток практически не требуется тратить время на очистку оборудования.

Лаки

Лаки сходны с клеями на основе синтетической смолы, но отличаются тем, что приготовляются с использованием разбавителя, а не на водной основе; их стоимость выше, а применение затрудняется парами, возникающими из-за наличия в лаках летучих органических соединений. Лаки выпускаются из таких материалов, как целлюлоза, винил, декстрин и смолы; они растворимы в спирте, нафте, бензоле, метил-этилкетоне или других органических растворителях. Они особенно подходят в тех случаях, когда необходимо, чтобы растворитель разъел гладкую поверхность, например, при нанесении покрытия на пластиковую пленку. Лаки, как и другие применяющиеся в сфере упаковки материалы с содержанием растворителей, постепенно заменяются аналогичной продукцией на водной основе, поскольку природоохранные организации накладывают жесткие ограничения на выброс в атмосферу паров разбавителей.

Когезионные вещества

Самоклеющиеся адгезивы, известные под названием «адгезивы холодной активации», представляют собой смесь парафинов и латексов, которая склеивается только с таким же составом (и ни с какими другими материалами). Преимуществом этих материалов являются легкость наклеивания и то, что не требуется нагревания, благодаря этому можно значительно ускорить работу технологической линии. Когезионные вещества обычно наносятся на оберточную бумагу или пленку местами. Основной сферой их применения является запечатывание пакетов конфет и печенья, а также оберток шоколадных плиток, которые тают при более низкой температуре, чем требуется для активации термовещества. Материалы необходимо беречь от пыли, которая может помешать склеиванию.

Латексные клеи

Латексный клей выпускается как на основе растворителя, так и в виде водной эмульсии. Каучуковый латекс — дорогой материал, и поэтому стоимость таких адгезивов высока. Резина из натурального каучука, растворенная в нафте или бензоле, используется в качестве адгезива, применяемого для временного или постоянного наклеивания бумаги, резины или ткани. Любые частицы меди, попадающие в резиновый клей с деталей оборудования, ускоряют старение клея.

Термореактивные клеи

Термореактивный клей, выпускаемый из термопластичных смол (таких, как полиэтилен), используется обычно не в качестве основного средства для приклеивания, а только для быстрой фиксации деталей в нужном месте (из-за высокой стоимости этого материала и трудностей, связанных с тем, что его необходимо наносить на поверхность достаточно быстро, не давая ему преждевременно остыть и отвердеть). Один из способов наклеивания состоит в том, что адгезиву придается форма пластичной нити, которая подается в разогретый насос, после чего немедленно наносится на поверхность упаковки. Другой способ заключается в нагревании адгезива в отдельном резервуаре и подаче его по термоизолированным трубам к участку, где осуществляется склеивание. В машинах для наклеивания этикеток на консервные банки термоклей обеспечивает мгновенное прилипание этикетки. При обработке швов и запечатывании пакетов и коробок, особенно в случае непористых поверхностей, термоклей позволяет выполнять операции быстрее, поскольку схватывается значительно быстрее клея, наносимого холодным. Кроме того, для холодного клея оборудование должно снабжаться длинными секциями для фиксации изделия под прессом.

Термоклей имеет свойства, находящиеся в диапазоне между свойствами низкотемпературных пластичных восков и высокопластичных смол, тогда как сами эти вещества термоклеем не являются. Большинство материалов, называемых упаковочным термореактивным клеем, применяются при температуре от 149 до 204 "С и имеют вязкость от 500 до 15 000 спз. Термореактивный клей имеет свойство легко схватываться почти с любой поверхностью, в связи с чем он может применяться там, где нанесение этикеток представляет определенные сложности. Например, ПЭТ-бутылки для напитков после заполнения при температуре 1,7 °С и внутреннем давлении 621 Па усаживаются приблизительно на 1% и затем ополаскиваются при температуре 54 °С до достижения комнатной температуры.

Чтобы материал выдержал такую обработку, для изготовления этикеток применяется специальный ламинат из бумаги и полипропиленовой пленки, на котором с помощью формного цилиндра глубокой печати наносится изображение. В настоящее время скорость этикетирования может составлять от 200 до 300 штук в мин для одно- и двухлитровых бутылок и от 400 до 800 штук в мин — для бутылок меньших размеров. Утверждается, что технологически возможно обеспечить наклеивание 1000 этикеток в мин, а на некоторых технологических линиях пивоваренных заводов этикетки наносятся со скоростью 1500 шт./мин.