Полимеры в упаковке (часть 1)

Согласно многочисленным исследованиям во всем мире рынок упаковки является наиболее важным сектором в сфере потребления пластика:

• Этот сектор составляет треть от общего количества используемого пластика
• Рынок упаковки во всем мире постоянно растет и потребляет на сегодня примерно 50 млн тонн пластика

Упаковочные материалы – это основной рынок для пластика и термопластика.

Причины этого весьма разнообразны:

• Технические: пластик предоставляет исключительный баланс удачного веса и формы, простоты обработки и адекватной цены.
• Экономические: пластик – это вариант массового производства по сравнительно низким ценам.
• Эстетические: пластик позволяет большую свободу для дизайна, чем картон, бумага, дерево, стекло или металл.
• Экологические: уменьшение веса упаковки, высокие защитные свойства по сравнению с бумагой и картоном.

Какова же экономическая реальность сегодня?

Простой ответ на простой вопрос:

• Более 38% общего потребления пластика приходится на Европу, около 29% - на США
• Мировой рынок пластика составляет около 50 тонн полимеров. Только для США -это миллиардный бизнес.

Таблица 1 демонстрирует очередность тех отраслей, которые наиболее заинтересованы в потреблении пластика. Для рынка США в расчет принимался только термопластик.

Таблица 1. Установившееся разделение рынка потребления основных полимеров

«Упаковка», таким образом, - это главный сектор полимерных решений, за ним следует «Строительство», автомобильное производство и электроника. В Европе эта «большая четверка» потребляет 70% всей производимой полимерной продукции.

Какова функциональность упаковочной отрасли?

По данным Университета Клемсон, необходимость упаковки обусловлена четырьмя основными причинами:

• Защитная функция упаковки:
  1. Упаковка должна защищать содержимое от воздействий окружающей среды: повреждений, загрязнения или утечки, обеспечивать бактерицидную защиту для продуктов питания.
  2. Упаковка должна защищать экологию от утечки опасного содержимого –ядов, токсичных веществ.
  3. Упаковка из пластика более безопасна, чем стекло, так как не бьется при перевозках.
  4. Пластик лучше сохраняет продукт, так как обеспечивает кислородный барьер
• Пластиковая упаковка наиболее вместительна – это одна из первых причин, по которой товары (как продукты питания, так и химические вещества) упаковывают при перевозках.
• Вопросы эстетики: пластик предоставляет больше возможностей для того, чтобы разнообразить дизайн упаковки: такая упаковка может быть прозрачной или непроницаемой, раскрашенной, с металлическими или деревянными вставками… Пластик позволяет лучше информировать о представленном продукте и привлекать покупателя, кроме того он достаточно прост в использовании.

Какие виды полимеров существуют?

Упаковочная отрасль в основном базируется на термопластике и их производных (см. табл. 2)

• Термопластик: упаковка – основной рынок его использования, 95% упаковки сделано из термопластика.
• Реактопласты применяются лишь в 1% случаев изготовления упаковки
• Полимерные композиты: по статистике упаковка из них не делается, если только не считать эксклюзивных вариантов.
• Каучук: в потреблении каучука по статистике не значится упаковочная отрасль, однако упоминаются обработки для бутылок и контейнеров…
• Термоэластомеры (ТРЕ): используются только для специальной обработки пленки и герметизации.

Таблица 2. Доля использования различных видов полимеров для производства упаковки.

Какой пластик выбрать?

Возможности широко известны:

• Полиолефины наиболее важны и составляют 65% пластика
• Используются и другие варианты: РЕТ, PVC, полистирол.
• Термореактивные полимеры – такие как полиуретан, используются лишь в 1% случаев.
• РММА (полиакрил), полиамиды и поликарбонаты используются только в специальных случаях
• Композитные материалы – полиэстер из стекловолокна и RRIM – наиболее редки в применении.

Рисунок 1: Долевое соотношение используемых пластиков при производстве упаковки

Только потребление ПВХ уменьшается из-за ужесточения требований по экологии. Пластики составляют 17 % всех материалов, используемых в упаковочной отрасли, в него пакуют 50% производимых товаров.

Какие ТРЕ выбрать?

Хотя упаковка и не относится к области потребления этих материалов, существуют процессы, требующие их использования:

• Пленки сделанные на основе TPS, COPE, PEBA
• Пломбы (для герметизации) сделанные из TPO и TPV
• Материалы для запайки и укупорки

Какой каучук?

• Каучук EPDM используется для герметизации химикатов
• NBR и его разновидности, акрилаты и силикон применяются для герметизации масел и горючих веществ.

УПАКОВКА: рынок возможностей в области биоразлагаемых полимеров

Из-за проблем с утилизацией отходов пластиковые пакеты запрещены и облагаются большими налогами в Ирландии, Германии, Южной Африке, в Тайване. Соответственно, растет спрос на биоразлагаемые полимеры (биополимеры).

Таковыми являются, например:

• Крахмал и его производные
• PLA (полимолочная кислота)
• PGA (полигликолевая кислота)
• PCL (поликапролактон)
• PHA (полигидроксиалканоат)
• PHB (полигидрокибутират)

Эти материалы вызывают интерес у производителей упаковки, что подтверждается следующими примерами:

• Сеть супермаркетов Великобритании Co- op, Kwik Save и Somerfield используют биоразлагаемые пакеты для продуктов. В Италии самая крупная торговая сеть IREP использует только биополимерные материалы марки Cargill Dow’ s Nature Work для обертывания и хранения свежих продуктов во всех своих 20 магазинах.
• Британский супермаркет Tesco в течение ближайших шести месяцев перейдет к использованию пакетов из РЕ, содержащих биоразлагаемые элементы.
• Гидрат целлюлозы используется для кондитерских товаров и для упаковки сосисок.
• Ацетат целлюлозы применялся для упаковки сухих продуктов без жиров.
• Во время Зимних Олимпийских игр в Лилехаммере в кафе использовались только биоразлагаемые упаковочные материалы
• Исследования по поводу безопасности стаканчиков для йогуртов продолжаются
• Биоразлагаемые пакеты для отходов уже применяются
• Cargill Dow имеет несколько коммерческих приложений в Европе и Азии. Основной рынок – это блистерная упаковка для телефонной продукции Sony Walkman и цифровых дисков
• Пластиковые бутылки для молока доступны в Европе
• Прозрачные пластиковые контейнеры для оливкового масла и других пищевых масел скоро поступят в продажу
• Компания Cadbury будет использовать полимеры, полученные из зернового крахмала для упаковки молочного шоколада Milk Tray

Почему надо использовать полимеры?

Существует несколько причин:

• Некоторые свойства полимеров незаменимы для таких традиционных материалов, как бумага, картон или стекло:
• Гибкость и устойчивость термопластичных пленок по сравнению с картоном и бумагой
• Устойчивость при ударах по сравнению со стеклом
• Химическая инертность в сравнении с металлами
• Защитные качества пенистых материалов из полистиролов, полиуретана, полиэтилена, ПВХ и полипропилена…
• Обеспечение хорошей эластичности и герметичности
• Низкая модульность и мягкость на ощупь каучука, термоэластомеров и некоторых других термопластиков
• Наиболее перспективной является возможность замены пластиком традиционных материалов.

Пластик дает:

• Легкость в процессе переработки
• Высокую адаптацию: как к массовому, так и к небольшому производству
• Небольшой вес:
  • За период 10 лет исследований доказано, что пластиковая упаковка стала меньше весить на 28% благодаря новым технологиям
  • Без пластиковой упаковки, вес упаковки увеличился бы в 4 раза.
• Разнообразие дизайна и многообразие форм.
• Герметичность и многоразовые крышки
• Снижение затрат и цен:
  1. Без пластиковых упаковок затраты и цены на продукцию возросли бы вдвое
  2. Без пластиковых упаковок количество отходов превысило бы 150%
• Сопротивляемость ударам:
  1. Пластик позволяет сократить повреждения при перевозках и на складах
  2. Сокращает количество повреждений товаров битым упаковочным стеклом
• Защитные свойства при опрокидывании.
• Возможность сомещать несколько полимеров с целью интегрирования их свойств, например, барьерная многослойная пленка из ПЭ и PVAL
• Эстетика: прозрачность, колорирование, возможность окрашивания, нанесения печатных элементов…
• Нескользящая поверхность.
• Сопротивляемость химическим воздействиям. Невосприимчивость к кислотам, органическим химикатам, инертность продуктам питания.
• Возможность стерилизации

Есть также некоторые общие недостатки:

• Вопрос экологической безопасности и негативное общественное мнение
• Цены на сырье достаточно высоки (см. график 2).

Инновации в мире пластика: материалы-хамелеоны

В тех случаях, когда пластик не может полностью заменить собой традиционные материалы, он способен взаимодействовать с ними и дополнять их. Примеры этого бесчисленны:

• Многослойные пленки с использованием бумаги
• Ламинированный картон
• Многослойные пленки с фольгой
• Защитное покрытие для металлов

Многообразие пластиковых материалов позволяет с помощью комбинирования решать новые индустриальные задачи, такие как:

• Упаковочные и презентационные цели
• Упаковка и поддерживание формы
• Эстетика и хорошая изоляция для бутылок шампанского…

Где применять полимеры?

Пластик, каучук и композиты становятся все более популярны в следующих сегментах упаковочной отрасли:

• Пленки: полиэтилен, полиэстер, ПВХ
• Бутылки, пакеты и другая тара из ПЭТ и ПВХ
• Вспененная упаковка из полистирола, ПЭ, полиуретана и др. обеспечивает защиту при падении и опрокидывании
• Герметичная упаковка, защищающая от газа, жидкостей, загрязнения, смесей и воздуха.
• Структурная упаковка
• Жесткие и прозрачные листы ПВХ, поликарбоната и РММА для блистер-упаковок и коробок…

Препятствие для распространения полимеров в упаковочной отрасли – экологические причины. Настолько ли всё серьезно?

Переработка полимеров имеет больше экономических и технических недостатков по сравнению с переработкой металлов или бумаги.

Упаковка – это самый важный сектор, поскольку:

• Именно этот рынок - самый крупный потребитель пластика
• Продукты быстро портятся даже в герметичной упаковке
• Полимеры долго разлагаются и могут нанести вред экологии
• Высок процент упаковочных отходов (пленка, пакеты, бутылки)
• Пластиковые «бытовые» отходы обычно смешаны с едой, маслами и бытовой химией…

Основные методы переработки пластиков:

• Механическая переработка или вторичное использование в другой обработке
• Термообработка
• Разложение на первичные химические элементы методом термического распада

Таблица 3 (по данным компании Нестле) Свойства топлива из угля и пластиковых отходов: демонстрирует великолепные теплоэнергосвойства ПЭ в сравнении с углем.

В секторе упаковки основным считается метод механической и энергетической переработки. Впрочем, выбор предпочитаемых методов варьируется в разных странах:

Таблица 4. Обращение с пластиковыми отходами в странах Европы

Чтобы облегчить переработку, существует несколько основных правил, из которых безусловно существуют исключения:

• Маркировка делает дальнейшую идентификацию отходов проще
• Нельзя перерабатывать различные полимеры вместе
• Необходимо вывести стандарт используемых полимеров
• Правильный выбор материала, который можно будет переработать для аналогичного использования…

Каково будущее полимерной продукции?

Пластик и способы его применения, безусловно, будут совершенствоваться со временем:

• Улучшенные термосвойства: повышение температуры упаковочного процесса (наполнение бутылок и контейнеров, быстрое нагревание пищевой тары)
• Расширение возможностей по заморозке (в том числе, глубокой)
• Увеличение производительности, уменьшение себестоимости производства
• Снижение конечных цен – за счет усовершенствование красящих процессов и разработки дизайна, декорирования и сборки
• Облегчение процессов переработки путем подбора соответствующих материалов и использования концепции однородных полимеров

Таким образом, пластик – лидер среди материалов, используемых в упаковочной отрасли, который пока в силу своих уникальных характеристик незаменим. Его свойства делают использование полимеров экономически наиболее выгодным.