Технологии

По примерным оценкам в мировом масштабе рынок упаковочных материалов, являющийся наиболее значительным сектором потребления пластмасс:
- составляет примерно треть мирового потребления пластмасс;
- постоянно растет;
- имеет объем примерно 50 млн. т.

Рынок упаковочных материалов является крупнейшим рынком для пластмасс и термопластов.
Мотивация здесь самая различная:
- техническая: пластмассы позволяют получать исключительный баланс массы, эксплуатационных характеристик, простоты обработки, эстетических достоинств и затрат;
- экономическая: пластмассы являются экономическим откликом на необходимость массовости производства, а также низкую производительность, присущую сектору специальной упаковки;
- эстетическая: пластмасса дает значительно большую свободу дизайна, чем керамика, стекло, дерево, металл и прочие традиционные материалы;
- экологическая: уменьшение массы, и наличие хороших защитных свойств по сравнению с бумагой и картоном, делают пластмассы материалами, не причиняющими вреда окружающей среде.

Промышленная и экономическая действительность
Потребление пластмасс для изготовления упаковки составляет:
- более 38% от всего объема потребления пластмасс в Европе, и примерно 29% от объема потребления термопластов в США;
- около 50 млн. т от всего объема производства полимеров;
- млрд. долл., только в США.
В таблице 1 показана в порядке убывания структура европейского потребления полимеров по отдельным рынкам. Данные обрабатывались по регионам и по времени. Для рынка США учитывались только термопласты.

Таблица 1. Предполагаемый удельный вес товаров в обороте рынка для основных применений полимеров.

Упаковочные материалы являются крупнейшей областью использования полимеров, опережающей строительство и гражданское строительство, автомобильную промышленность, а также электрическую и электронную промышленность. В Европе эта большая четверка поглощает 70% от всего объема производства полимеров.

Функциональность упаковки
Согласно отчету Университета Клемсона, упаковка необходима по четырем основным причинам:
1) защита: упаковка должна защищать:
- содержимое от окружающей среды: расхищение, поломки, заражение, загрязнение или протечки, защита пищевых продуктов от бактерий…;
- окружающей среды от содержимого: утечка загрязняющих веществ, отравляющих и токсичных веществ, а также агрессивных продуктов;
- от воздействия осколков: использование пластмасс позволяет избежать порезов от осколков стекла.
- внутреннюю атмосферу: кислородонепроницаемость для сохранения свежести органических продуктов…
- от ненадлежащего использования: защитные колпачки, пробки, которые не могут снять дети
2) создание герметичности, что является важнейшей причиной использования упаковки для транспортировки пищевых продуктов и воды; промышленных, сельскохозяйственных и бытовых химикатов…
3) предоставление информации и эстетическое воздействие: пластмассы могут быть прозрачными или непрозрачными, окрашенными, с нанесенным текстом или рисунком, украшенными, имитирующими дерево или металл…, для информирования предполагаемого клиента или пользователя, для привлечения клиентов.
4) простота использования: использование пластмассы позволяет изобретать самые оригинальные применения, и постоянно вводить инновации для наиболее широко известных повторно герметизируемых упаковок: эластичных, легко сворачивающихся, не рвущихся и обладающих барьерными свойствами пленок; неразрушаемых упаковок…

Семейства полимеров
Производство упаковочных материалов является, в первую очередь, сферой применения термопластов и, в особенности, товарных термопластов (см. таблицу 2):
- термопласты: упаковочные материалы являются для них первым по значению рынком и 95% упаковочных материалов производят из термопластов;
- термоотверждающиеся пластмассы: только 1% упаковочных материалов производится из термоотверждающихся пластиков;
- полимерные композиты: применяются в особых случаях для транспортировки хрупких и дорогих товаров;
- каучуки: применяются для герметизации контейнеров, бутылок…;
- термопластичные эластомеры (ТПЭ): применяются в особых случаях для создания стойких к разрыву пленок и средств герметизации.

Таблица 2. Потребление полимеров для производства упаковочных материалов: доля потребления по каждому семейству полимеров.

Виды пластмасс
Ситуация представляется очень наглядно:
- полиолефины имеют наибольшее значение при более чем 65% от общей массы пластмасс;
- некоторые другие пластмассы достаточно распространены, такие как полиэтилентерефталат (ПЭТФ), поливинилхлорид (ПВХ), полистирол (ПС);
- полиуретаны (ПУ) и прочие термоотверждающиеся пластики потребляются только на 1%;
- прочие, такие как: полиакрилаты (полиметилметакрилат ПММА), полиамиды, поликарбонаты используются только там, где нужны специальные свойства;
- композитные материалы, в основном, армированные стекловолокном полиэфиры, используются только в особых случаях.
На рисунке 1 показан предполагаемый удельный вес использования полимеров по семи видам пластмасс. Из других источников могут быть получены существенно отличающиеся цифры в зависимости от оценок, стран, типов упаковки…

Рис. 1. Доли использования пластмасс на рынке упаковочных материалов.

Сокращается только потребление ПВХ из-за ограничений, накладываемых экологическими постановлениями.
Доля используемых пластмасс в общем объеме потребления упаковочных материалов составляет 17%, а в области упаковочных материалов для потребительских товаров более 50%. Будущее сулит хорошие перспективы.

Виды ТПЭ
Упаковочные материалы не заявлены в статистических данных по потреблению этих полимеров, но констатируется наличие некоторых применений:
- пленки, изготовленные из сополимеров ТПЭ и блок сополимеры эфиров и амидов;
- герметизирующие материалы, изготовленные из ТПЭ на основе олефинов и термопласичных вулканизатов.

Каучуки
Каучуки используются для герметизации при упаковке:
- тройной сополимер этилена, пропилена и диена для герметической упаковки обычных химических веществ.
- каучук из нитрил-бутадиена и его производные, акрилаты, фторкаучуки и силиконы для герметизации упаковок масел, топлива и т. д.

Выбора между устойчивыми и биоразлагаемыми полимерами
Из-за озабоченности, возникающей в связи с утилизацией, использование пластмассовых пакетов ограничено или обложено налогом в Ирландии, Германии, Южной Африке, на Тайване и в ряде других мест. Соответственно появляется и новый интерес к биоразлагаемым полимерам.
К числу природных и биоразлагаемых термопластов относятся, например:
- крахмал и прочие природные производные переменной рецептуры…;
- полиоксипропионовая кислота или полимолочная кислота;
- полигликолиевая кислота;
- поликапролактон;
- полиоксиалканат;
- полигидроксибутират.
Эти материалы представляют интерес для производства упаковочных материалов, что может быть проиллюстрировано некоторыми примерами:
- сети супермаркетов в Великобритании Co-op, Kwik Save и Somerfield используют поддающиеся разложению пластмассовые пакеты. В Италии крупная сеть супермаркетов IPER использует в 21 магазине смолу марки NatureWorks от Cargill Dow в виде пленки для заворачивания свежих пищевых продуктов и пасты;
- крупный супермаркет Tesco в Великобритании будет использовать пластмассовые сумки из полиэтилена, содержащего разлагаемые добавки, которые будут поставляться канадской компанией EPI после проведения шестимесячных испытаний;
- гидрат целлюлозы используется для упаковки конфет и в качестве искусственных покрытий для сосисок;
- ацетат целлюлозы используется для упаковки сушеных обезжиренных пищевых продуктов;
- во время Зимних Олимпийских Игр в Лиллехаммере для упаковки продуктов и напитков широко использовались биологически разлагаемые полимеры;
- сейчас идут исследования по изготовлению биоразлагаемых стаканчиков для йогуртов;
- уже используются пакеты из фольги для сбора биологических отходов, а также биологически разлагаемых упаковочных сыпучих амортизационных материалов типа стружки;
- у продукции компании Cargill Dow имеются некоторые коммерческие применения в Европе и в Азии. Основным сегментом рынка здесь является блистерная упаковка, которая используется для упаковки таких продуктов, как радио Walkman компании Sony, а также цифровых дисков различного назначения;
- в настоящее время на европейском рынке представлены молочные бутылки;
- скоро на рынок поступят прозрачные емкости для оливкового масла и прочих кулинарных масел;
- компания Cadbury при производстве упаковки шоколадных конфет Milk Tray собирается использовать полимер из кукурузного крахмала для формованных вкладышей.

Использование полимеров для упаковки
Существует несколько причин, почему надо использовать именно полимеры при создании упаковки:
- некоторые сочетания свойств, присущие полимерам, невозможно достигнуть при использовании традиционных материалов;
- эластичность и устойчивость к воздействиям отличает термопластические пленки от бумаги и картона;
- реакция на ударное воздействие по сравнению со стеклом;
- химическая инертность по сравнению с металлами;
- амортизирующие свойства вспененных: полистирола, полиуретана, полиэтилена, ПВХ, полипропилена…;
- эластичность и герметизирующие свойства вулканизированных каучуков и ТПЭ, в меньшей степени;
- низкий модуль упругости, мягкость на ощупь ТПЭ, каучуков и некоторых мягких термопластов;
Упаковка – это самая широкая сфера применения полимеров, а также самая многообещающая. При условии правильного выбора нужной пластмассы для решения рассматриваемой проблемы, могут быть извлечены следующие выгоды:
- простота обработки;
- возможность приспосабливания к серийному и мелкосерийному производству;
- небольшая масса (по имеющимся оценкам, на протяжении десятилетнего периода за счет развития технологий объем пластмассовой упаковки расходуемый на единицу продукта уменьшился почти на 28%, а без использования пластиков масса упаковки увеличилась бы в четыре раза);
- возможность гибкого проектирования, позволяющая получать самые разнообразные формы, которые невозможно получить при использовании традиционных материалов;
- возможность герметичной упаковки и создания колпачков для повторной герметизации;
- снижение затрат (без пластмассовой упаковки производственные затраты и потребление энергии увеличились бы вдвое, а объем отходов увеличился бы на 150%);
- устойчивость к разбиванию (уменьшение числа случаев нарушения упаковки в ходе хранения, погрузки/разгрузки, а также транспортировки, и уменьшение последствий повреждений за счет уничтожения острых осколков стеклянной упаковки);
- амортизирующие свойства, эластичность, снижающая количество повреждений продуктов в ходе хранения, погрузки/разгрузки, а также транспортировки;
- возможность соединения нескольких полимеров для интеграции нескольких функций, благодаря исключительному сочетанию свойств, например, многослойный полиэтилен (водный барьер) и поливиниловый спирт (PVAL) (масляный барьер);
- эстетические свойства: прозрачность, окраска всего материала, нанесение текста или рисунка, окрашиваемость, возможность декорирования в процессе формования, создание имитации металла, дерева и т.д.;
- нескользкая поверхность и возможность удобного захвата;
- устойчивость к воздействию химических веществ: отсутствие ржавчины, устойчивость к воздействию кислот, оснований и органических соединений; инертность по отношению к содержимому, особенно, пищевым продуктам.
У полимеров имеются также некоторые общие недостатки:
- экологические ограничения и плохая репутация в глазах общественности;
- затраты на сырье (см. рисунок 2) в расчете на массу (евро/кг), на объем (евро/литр) и на механический кпд (евро/10 МПа). Товарные пластмассы никогда не могут конкурировать с металлами и, тем более, с прочими традиционными материалами;
- низкие значения модуля упругости и прочности.

Рис. 2. Материальные затраты в соответствии с рассматриваемыми параметрами.

Пластмассы: материалы-хамелеоны, инновационная задача
В тех случаях, когда полимеры не могут точно соответствовать традиционным материалам, пластмассы проявляют способность вступать с ними в сотрудничество. Тому есть многочисленные примеры:
- многослойные пленки с бумагой;
- картон с нанесенным полимерным покрытием;
- многослойные пленки с металлической фольгой;
- защитные покрытия для металлов;
- древесно-полимерные композиты.
Универсальность пластмасс позволяет запускать в промышленное производство инновационные решения, позволяющие сочетать выполнение нескольких функций таких как:
- упаковка и устройство отображения;
- упаковка и опора арматуры;
- эстетически привлекательный и изолирующий корпус для хранения бутылок с шампанским…

Области использования полимеров
Пластмассы, каучуки и композиты все шире используются в различных сегментах рынка упаковочных материалов:
- пленки: полиэтилен, полиэфир, ПВХ;
- бутылки, банки и прочее: ПВХ, ПЭТФ, полиэтилен;
- пеноматериалы: амортизирующие и защитные упаковки: полистирол, полиэтилен, полиуретан и т. д.;
- герметизация от газов, жидкостей, пыли, влаги и воздуха;
- структурная упаковка;
- жесткие и прозрачные листы ПВХ, поликарбоната, полиметилметакрилата для блистерных упаковок и коробок.
Большим препятствием на пути распространения полимеров на рынке упаковочных материалов является экологическая озабоченность: субъективные и объективные доводы, а также истинные и ложные причины.
Утилизация полимеров для повторного применения связана с техническими и экономическими трудностями, и в промышленном плане, она не так далеко продвинулась, как утилизация стекла или металлов.
Сектор упаковочных материалов имеет решающее значение, поскольку:
- этот сектор является крупнейшим потребителем пластмасс;
- продукты имеют небольшой срок эксплуатации;
- полимеры очень устойчивы к разложению, их уничтожение естественным путем часто невозможно, а окружающая среда загрязняется на длительное время;
- большая часть отходов упаковочных материалов, пленок и пакетов, а также бутылок имеет малую массу при достаточно большом объеме, это приводит к «заметному» загрязнению: 1) визуальному: пленки, полиэтиленовые пакеты; бутылки из ПВХ или полиэфира…, 2) физическому: преграда водным потокам…, 3) отходы с законченным сроком эксплуатации часто являются бытовыми, и их источники очень разнообразны, 4)отходы часто загрязнены пищевыми продуктами, маслами, химическими веществами.
Основными способами рециклинга полимеров являются:
- механическая утилизация и повторное использование вместе с новыми материалами для того же или иного применений;
- восполнение энергии за счет сжигания;
- превращение в исходные химические вещества с помощью хемолиза или термолиза.
В таблице 3 (по данным Neste) представлены некоторые данные о теплообразующих свойствах отходов пластмасс, показывающие прекрасные свойства полиэтиленов по сравнению с углем.

Таблица 3. Теплообразующие свойства угля и топлива из отходов пластмасс.

В секторе упаковочных материалов, основными способами являются механическая переработка и получение топлива за счет утилизации отходов. Для разных стран ситуации складываются по-разному. В таблице 4 показаны различные точки зрения на проблему:
- при общем количестве утилизируемых отходов в диапазоне 15-85% в зависимости о страны;
- при совершенно противоположные методах переработки пластмассовой упаковки, выбранных Германией с ее 51% механической утилизации, и Данией с 9%.

Таблица 4. Переработка отходов упаковочных материалов в различных европейских странах.

Для того чтобы облегчить рециклинг, можно сформулировать несколько основных правил, из которых, разумеется, могут быть исключения:
- маркировка деталей облегчает последующую идентификацию материалов;
- следует избегать использования несовместимых полимеров в пределах одной детали или комплекта деталей;
- необходимо стандартизировать используемые полимеры;
- надо отдавать при выборе предпочтение материалам, для которых будет возможна утилизация в том же изделии…

Будущее полимеров
Для того чтобы расширить свое присутствие на рынке упаковочных материалов, пластмассы должны увеличить свои эксплуатационные характеристики, повысить простоту обработки, производительность и возможность утилизации. Например:
- улучшение теплового режима, т. к. технологии упаковки используют повышенные температуры при заполнение бутылок или контейнеров пищевыми продуктами, или при быстром разогревание контейнеров с пищевыми продуктами;
- улучшение теплового режима при низких температурах: заморозка и глубокая заморозка;
- простота обработки: способность подвергаться обработке позволяет получать более легкие и дешевые упаковки, при более коротких производственных циклах и большей производительности;
- низкие окончательные затраты: легче нанести печать, окраска всего материала, декорирование в процессе формования, сборка в процессе формования, и адаптированное проектирование позволяют сократить затраты на отделку и сборку;
- рециклинг: необходимо сделать ее легче и найти промышленные рынки сбыта за счет выбора совместимых материалов и использования идеи работы с одним материалом.

Пластмассы являются первым по значению материалом, используемым для упаковки. Они незаменимы для выполнения целого ряда функций, и их непревзойденный баланс функций в сочетании со специальными методами проектирования и обработки часто позволяет получать экономически выгодные решения, которые оправдывают их ведущие позиции на рынке упаковочных материалов.

В следующих статьях будут даны обзоры и рассмотрены примеры по:
- пленкам, бутылкам, банкам и прочим контейнерам, жестким упаковкам, пеноматериалам…;
- товарным термопластам, специальным полимерам и композитам, предназначенным для упаковки.

http://www.omnexus.com