فیلم های مانع گرما شکل پذیر: مواد، ساختار و کاربردهای بسته بندی

A فیلم مانع گرما شکل پذیر یک سازه پلاستیکی چند لایه است که مهندسی شده تا گرم شود و به یک حفره سه بعدی تبدیل شود و در عین حال خواص مانع گاز و رطوبت خود را پس از کشش حفظ کند. چالش فنی اصلی این است که لایه مانع - معمولا EVOH (اتیلن وینیل الکل) یا PVDC (پلی وینیلیدین کلرید) - ذاتا شکننده است و در هنگام کشش مستعد ترک خوردن یا نازک شدن است. یک فیلم مانع گرما شکل‌پذیر با طراحی موفقیت‌آمیز این مشکل را با قرار دادن پلیمر مانع بین لایه‌های ساختاری پلی‌پروپیلن، پلی اتیلن یا نایلون که بار مکانیکی را در طول شکل‌دهی حمل می‌کنند، حل می‌کند و به مانع اجازه می‌دهد تا به طور یکنواخت بدون پارگی کشیده شود. نتیجه یک سینی، فنجان یا تاول است که از محصولات حساس به اکسیژن مانند گوشت تازه، پنیر، قرص‌های دارویی و غذاهای آماده محافظت می‌کند و عمر ماندگاری را از روزها به هفته‌ها یا حتی ماه‌ها افزایش می‌دهد.

معماری چند لایه: چرا فیلم های مانع هرگز یکپارچه نیستند؟

هیچ پلیمری به تنهایی فرمول پذیری حرارتی عالی، مانع اکسیژن بالا، مانع رطوبت، آب بندی و مقرون به صرفه بودن را در یک ماده ترکیب نمی کند. پلی پروپیلن به زیبایی ترموفرم می شود و رطوبت را مسدود می کند اما یک مانع اکسیژن ضعیف است. EVOH تقریباً در رطوبت کم اکسیژن را کاملاً مسدود می کند، اما وقتی در معرض رطوبت قرار می گیرد خاصیت بازدارندگی خود را به طور چشمگیری از دست می دهد و آنقدر سفت است که به تنهایی تشکیل نمی شود. راه حل هم اکستروژن یا ورقه ورقه شدن چندین لایه پلیمری در یک فیلم است که هر لایه عملکرد خاصی را انجام می دهد. یک ساختار فیلم مانع گرماشکل پذیر هفت تا نه لایه معمولی از بیرون به داخل به شکل زیر است:

1. لایه سوء استفاده خارجی (PP یا HDPE): سختی سطح، قابلیت چاپ و مقاومت در برابر حرارت را برای فرآیند شکل دهی فراهم می کند.
2. لایه کراواتی (پلیمر پیوندی انیدرید مالئیک): پلی اولفین غیر قطبی را به پلیمر سد قطبی پیوند می دهد. بدون این لایه، سازه تحت تنش های شکل گیری لایه لایه می شود.
3. لایه مانع اکسیژن (EVOH یا PVDC): قلب عملکردی فیلم، معمولاً فقط ضخامت 3 تا 10 میکرون در یک فیلم که ممکن است در مجموع 300 تا 500 میکرون باشد. این لایه مانع نازک چیزی است که به فیلم توانایی حذف اکسیژن را می دهد.
4. لایه کراوات (چسب دوم).
5. مانع رطوبت و لایه حجیم (PP یا PE): از EVOH در برابر رطوبت محافظت می کند که در غیر این صورت آن را پلاستیک کرده و مانع اکسیژن آن را از بین می برد.
6. لایه کراوات (چسب سوم).
7. لایه درزگیر (LLDPE، EVA یا آینومر): درونی ترین لایه ای که در دماهای معمولاً بین 120 تا 180 درجه سانتیگراد به فیلم درپوش حرارت می بندد و درب هرمتیک را تشکیل می دهد.

ضخامت کل فیلم و نسبت ضخامت بین لایه ها بر اساس نسبت کشش حفره ترموفرم شده تنظیم می شود. یک کاربرد عمیق، مانند سینی غذای آماده با نسبت عمق به عرض بیش از 1:3، نیاز به لایه مانع ضخیم‌تری دارد تا نازک شدن گوشه‌ها را که نقاط حداکثر کشش و حداقل مانع باقی‌مانده است، جبران کند.

انتخاب پلیمر مانع: EVOH در مقابل PVDC در مقابل جایگزین

انتخاب پلیمر مانع مهمترین تصمیم ماده در طراحی فیلم است زیرا نرخ انتقال اکسیژن (OTR) و حساسیت آن OTR را به شرایط محیطی تعریف می کند. دو پلیمر مانع غالب دارای مشخصات عملکردی متفاوتی هستند.

EVOH به دلیل مانع اکسیژن استثنایی حالت خشک و سازگاری آن با سیستم های لایه لایه پلی اولفین، مانع انتخابی برای اکثر کاربردهای بسته بندی مواد غذایی است. با این حال، پاشنه آشیل آن به رطوبت حساس است. محتوای کومونومر اتیلن - معمولاً 27 تا 44 مول درصد - یک پارامتر تنظیم است: محتوای اتیلن بالاتر مقاومت در برابر رطوبت و شکل‌پذیری حرارتی را بهبود می‌بخشد اما مانع اکسیژن مطلق را کاهش می‌دهد. یک EVOH با 38 مول درصد اتیلن یک مصالحه متداول برای فیلم‌های ترموشکل‌پذیر است، زیرا نرخ انتقال اکسیژن زیر 0.5 سی‌سی بر متر مربع در روز را در رطوبت نسبی 65 درصد ارائه می‌دهد که برای اهداف ماندگاری 10 تا 21 روز برای محصولات گوشتی فرآوری‌شده کافی است.

فرآیند ترموفرمینگ و تأثیر آن بر یکپارچگی مانع

ترموفرم کردن یک فیلم مانع شامل گرم کردن فیلم تا نقطه نرم شدن آن است - معمولاً 130 درجه سانتی گراد تا 170 درجه سانتی گراد برای فیلم های مبتنی بر پلی پروپیلن - و سپس با استفاده از خلاء، هوای فشرده یا دوشاخه مکانیکی، آن را در مقابل قالب خنک شده قرار دهید. این فیلم به صورت دو محوره کشیده می شود، با درجه کشش به طور چشمگیری در سراسر حفره تشکیل شده متفاوت است. ناحیه فلنج صاف بدون کشش باقی می ماند و ضخامت مانع اصلی خود را حفظ می کند. دیوارهای جانبی کشش متوسطی را تجربه می کنند و گوشه های پایین حداکثر کشش را تجربه می کنند، اغلب با نسبت کشش مساحت بیش از 3:1.

معیار کیفیت بحرانی است حداقل ضخامت مانع باقیمانده در نازک ترین نقطه حفره تشکیل شده. این معمولاً در شعاع گوشه پایینی یافت می شود، جایی که فیلم به طور همزمان در هر دو جهت دستگاه و عرضی کشیده می شود. اگر لایه اولیه EVOH 8 میکرون ضخامت داشته باشد و گوشه دارای نسبت کشش مساحت 3.5:1 باشد، ضخامت EVOH در آن گوشه تقریباً 2.3 میکرون خواهد بود. زیر تقریبا 1.5 تا 2 میکرون ، لایه EVOH شروع به از دست دادن تداوم خود می کند. حفره‌های کوچک و سوراخ‌ها تشکیل می‌شوند و سرعت انتقال اکسیژن در آن ناحیه محلی می‌تواند یک یا دو مرتبه بزرگی افزایش یابد. این حالت شکست غالب سینی‌های مانع است: نه تخریب یکنواخت مانع، بلکه یک شکست موضعی در گوشه‌هایی که محصول با بسته‌بندی تماس می‌گیرد و جایی که ورود اکسیژن باعث تغییر رنگ و فساد می‌شود.

Plug-Assist Forming and Distribution Control

برای دستیابی به توزیع یکنواخت مواد و حفظ یکپارچگی مانع، لایه‌های مانع گرما شکل‌پذیر تقریباً همیشه با استفاده از شکل‌دهی به کمک پلاگین پردازش می‌شوند. یک پلاگین از پیش گرم شده - معمولاً از فوم نحوی، آلومینیوم با روکش PTFE یا یک کامپوزیت عایق حرارتی ساخته شده است - فیلم نرم شده را قبل از اعمال خلاء یا فشار به داخل حفره قالب فشار می دهد. پلاگین با فیلم تماس پیدا می کند و مواد را به پایین حفره وارد می کند و با تمایل طبیعی لایه به نازک شدن ترجیحاً در دیواره های جانبی و تجمع مواد اضافی در فلنج مقابله می کند. یک هندسه پلاگین با طراحی خوب، همراه با سرعت پریز و کنترل دما دقیق، می‌تواند تغییرات ضخامت را در قسمت شکل‌گرفته کاهش دهد. ± 30٪ بدون کمک پلاگین تا ± 10٪ یا بهتر با مشخصات پلاگین بهینه شده

مواد پلاگین و سطح آن به طور مستقیم بر لایه مانع فیلم تأثیر می گذارد. دوشاخه ای که خیلی داغ است به لایه درزگیر می چسبد و علائم کششی ایجاد می کند که لایه را به صورت موضعی نازک می کند. دوشاخه ای که خیلی سرد است فیلم را خنک می کند و از کشش یکنواخت آن جلوگیری می کند. دمای دوشاخه معمولاً در حفظ می شود 60 درجه سانتیگراد تا 100 درجه سانتیگراد برای فیلمهای مانع مبتنی بر PP ، به طور قابل توجهی کمتر از دمای تشکیل فیلم، برای ایجاد یک گرادیان دمای کنترل شده که روند کشش را تثبیت می کند. سطح پلاگین باید با ضریب اصطکاک کم - زیر 0.2 در برابر لایه درزگیر داغ - صیقلی یا پوشش داده شود تا فیلم به راحتی بدون اتصال بلغزد.

عملکرد مانع پس از تشکیل و شوک واکنش

عملکرد مانع یک سینی ترموفرم شده یک ویژگی ساکن نیست. در طول چرخه عمر محصول تغییر می کند. سینی تشکیل‌شده باید از پر کردن، آب‌بندی و در برخی موارد پردازش حرارتی مانند پاستوریزه کردن، پر کردن داغ یا استریل‌سازی مجدد بدون از دست دادن یکپارچگی مانع زنده بماند. پردازش پاسخ در 121 درجه سانتیگراد به مدت 30 دقیقه یک شوک حرارتی و مکانیکی شدید بر روی فیلم مانع وارد می کند. لایه‌های پلیمری رطوبت را جذب می‌کنند، EVOH متورم می‌شود و سد اکسیژن آن به‌طور موقت تخریب می‌شود، و انبساط حرارتی متفاوت لایه‌ها می‌تواند باعث لایه‌برداری بین لایه‌ای در رابط‌های لایه‌ای شود.

برای کاربردهای قابل برگشت، طراحی فیلم باید ارتقا یابد. EVOH با یک مانع مقاوم در برابر مقاومت جایگزین یا تکمیل می شود نایلون MXD6 یا یک لایه PET با پوشش SiOx که توسط لایه های اضافی پلی پروپیلن محافظت می شود . لایه های اتصال باید برای حفظ چسبندگی در دمای بالا فرموله شوند. ضخامت کلی فیلم معمولاً بین 20 تا 30 درصد در مقایسه با نسخه بدون رتور افزایش می یابد تا حداقل ضخامت مانع پس از کشش اضافی و چرخه حرارتی حفظ شود. یک فیلم سد قابل برگشت باید از طریق آزمایش یکپارچگی بسته بر اساس ASTM F2095 یا معادل آن، نشان دهد که نرخ انتقال اکسیژن پس از رتورت در مقایسه با مقدار پیش از رتورت، بیش از دو ضریب افزایش نیافته است.

سد بخار آب و نقش لایه های بیرونی

در حالی که مانع اکسیژن بیشترین توجه را به خود جلب می کند، نرخ انتقال بخار آب (WVTR) به همان اندازه برای کیفیت محصول مهم است. از دست دادن رطوبت از محصولات تازه باعث پژمردگی و کاهش وزن می شود. افزایش رطوبت در محصولات خشک مانند کراکر یا پودرهای دارویی باعث ایجاد کیک و فساد می شود. لایه های بیرونی پلی پروپیلن یک فیلم مانع، مانع رطوبت عالی را فراهم می کند. PP دارای WVTR تقریباً است 0.5 تا 1.0 گرم در متر مربع در روز در دمای 38 درجه سانتی گراد و 90 درصد RH برای یک فیلم 500 میکرونی، که یک مرتبه قدر بهتر از EVOH به تنهایی است. لایه آب بندی همچنین باید به مانع رطوبت کمک کند، به خصوص در ناحیه فلنج که سینی تشکیل شده به فیلم درپوش مهر و موم شده است. هر گونه رطوبتی که از ناحیه مهر و موم وارد شود در فضای بالای بسته بندی محبوس می شود و رطوبت نسبی محلی را افزایش می دهد و به تدریج مانع اکسیژن EVOH را از لبه به داخل تخریب می کند.

روندهای بازیافت و پایداری

ساختار چند لایه و چند لایه ای که به فیلم های مانع ترموشکل پذیر عملکرد آنها را می دهد، همچنین بزرگترین مسئولیت زیست محیطی آنها است. ترکیب پلی پروپیلن، پلی اتیلن، EVOH و چسب های لایه ای با جریان های بازیافت مکانیکی ناسازگار است. لایه ها را نمی توان از نظر اقتصادی جدا کرد، و مخلوط مجدد مواد مخلوط دارای خواص مکانیکی ضعیف است و برای کاربردهای تماس با مواد غذایی نامناسب است. این صنعت به فشارهای نظارتی - به ویژه مقررات بسته بندی و ضایعات بسته بندی اتحادیه اروپا - با چندین تغییر فناوری پاسخ می دهد.

امیدوار کننده ترین رویکرد توسعه است فیلم های مانع پلی اولفین تک ماده ای ، که در آن کل ساختار بر پایه پلی پروپیلن یا پلی اتیلن است، از جمله یک لایه مانع مبتنی بر پلی اولفین. EVOH مبتنی بر PP در حال حاضر بسیار با جریان بازیافت PP سازگار است، زمانی که محتوای EVOH کمتر از 5٪ وزنی است و لایه های اتصال PP-g-MAH هستند. لایه مانع درون ماتریس PP محصور شده است و فرآیند بازیافت مکانیکی را مختل نمی کند. رویکرد دوم جایگزینی لایه‌های مانع با پوشش‌های نازک و شفاف SiOx یا AlOx بر روی یک بستر PP یا PET است. این پوشش ها کمتر از 100 نانومتر ضخامت دارند و در بازیافت اختلالی ایجاد نمی کنند. محدودیت، حساسیت آن‌ها به ترک خوردن در حین شکل‌دهی گرمایی است، که در حال حاضر استفاده از آن‌ها را به کاربردهای کشش کم عمق با نسبت کشش زیر 1.5:1 محدود می‌کند.

تست کیفیت بسته های مانع تشکیل شده

تأیید اینکه یک سینی مانع گرما فرم شده با مشخصات ماندگاری خود مطابقت دارد، نیاز به ترکیبی از آزمایش‌های فیزیکی و شیمیایی روی قسمت شکل‌گرفته دارد، نه فقط روی لایه تخت. برگه اطلاعات سازنده فیلم، نرخ انتقال اکسیژن با لایه مسطح را ارائه می دهد، اما OTR سینی تشکیل شده بسته به نسبت کشش و یکنواختی فرآیند شکل دهی می تواند دو تا پنج برابر بیشتر باشد.

تست های حیاتی برای بسته های مانع تشکیل شده عبارتند از:

• اندازه گیری OTR کل بسته (ASTM F1307): سرعت ورود اکسیژن کل بسته مهر و موم شده را اندازه گیری می کند و اثر ترکیبی سینی تشکیل شده، فیلم درپوش و یکپارچگی مهر و موم را نشان می دهد. این واقعی ترین معیار عملکرد مانع برای محصول است.
• اندازه گیری ضخامت گوشه: سطح مقطع گوشه های سینی تشکیل شده در زیر میکروسکوپ بررسی می شود تا ضخامت لایه مانع باقیمانده در نقطه حداکثر نازک شدن اندازه گیری شود. این با OTR کل بسته مرتبط است تا حداقل مشخصات ضخامت گوشه قابل قبول را ایجاد کند.
• تست نفوذ رنگ (ASTM F3039): یک محلول رنگی رنگی در داخل حفره ایجاد شده اعمال می شود و قسمت بیرونی برای نفوذ رنگ از طریق سوراخ ها یا ترک های لایه مانع بررسی می شود. این یک تست پاس-شکست است که پارگی لایه مانع را تشخیص می دهد.
• اعتبار سنجی ماندگاری در شرایط تسریع شده: بسته های مهر و موم شده پر شده با محصول واقعی یا یک شبیه ساز در دما و رطوبت بالا ذخیره می شوند - معمولا 38 درجه سانتی گراد و 90٪ RH برای محصولات غذایی - و ویژگی های کیفیت محصول در طول زمان نظارت می شود. غلظت اکسیژن در فضای بسته، که توسط یک حسگر نوری غیر مخرب اندازه گیری می شود، مستقیم ترین نشانگر یکپارچگی مانع در طول دوره ماندگاری است.