Технологии

 О новой технологии нанесения покрытий

По сравнению со стеклянными бутылками у всех пластмассовых бутылок есть один большой недостаток: стенки любой емкости из полимера доступны проникновению газов и жидкостей, в то время как стенки стеклянных бутылок практически непроницаемы. (Однако газы могут проникать в стеклянную бутылку и выводиться из нее через пробку, но это совсем другая история). При заполнении, например, водой это не является существенной проблемой, но для газированных напитков и всех продуктов, чувствительных к окислению и потере или проникновению влаги, это создает существенные проблемы. Разработчики пластиковых материалов постоянно работают над преодолением этих проблем, совершенствуют технологии. В последнее время изделия из пластмассы, в особенности из полиэтилентерефталата (ПЭТ), завоевывают все новые ниши на рынке и вытесняют стеклянные бутылки. Одним из способов улучшения параметров проницаемости является покрытие стенок бутылок тонким слоем высоконепроницаемого материала. Существуют и другие способы улучшения параметров проницаемости: добавление тонкого слоя высоконепроницаемого материала непосредственно в структуру ПЭТ, так называемый многослойный процесс с использованием высоконепроницаемого материала такого, как полиэтиленнафталат, или предварительно приготовленного защитного материала с исходным ПЭТ, используемого в монослойной структуре.

Для лучшего понимания стоящих перед нами задач уместнее отдельно рассмотреть проблемы, связанные с бутылками из ПЭТ. Начнем с газирования. Большинство безалкогольных напитков содержат углекислый газ в количестве примерно равном четырем объемам самого напитка. Производители определяют окончание срока хранения, ориентируясь на тот момент, когда уровень содержания углекислого газа снижается на 10% - 15%. Газирование приводит к повышению давления внутри бутылки до 4,75 атм., это давление действует на стенки бутылки тем самым, увеличивая расстояние между молекулами, поэтому газы легче проникают через такой материал. Важным показателем измерения того, насколько хорошо бутылка будет соответствовать своему назначению, является соотношение площади поверхности и объема. Чем выше значение этого соотношения, т. е. чем большая поверхность может подвергаться проникновению для данного объема, тем быстрее происходит утечка углекислого газа. По мере того, как бутылки становятся меньше, соотношение возрастает, и, в результате, при одних и тех же условиях температуры и влажности двухлитровая бутылка выдержит шестимесячный срок хранения, в то время как бутылочка на 0,5 л продержится около шести недель. Производители приняли меры к тому, чтобы приспособить свои системы распределения продукции к более коротким срокам хранения, но у них возникли проблемы с упаковками еще меньшего размера такими, как бутылочки на 0,25 л, заменяющими банки. Срок хранения составит всего две недели, а этого недостаточно.
Другой тип упаковки предназначен для соков и напитков, готовых к употреблению. Некоторые из них можно разливать в несколько более тяжелые бутылки с толстыми стенками для защиты ингредиентов в течение трех - шести месяцев. Другие более чувствительны, в стандартной бутылке ПЭТ могут изменить окраску, потерять витамины и прочие ингредиенты. Это зависит от конкретного состава продукта, а также от других параметров, например, содержания мякоти, что, в конечном счете, и определяет срок хранения. Производители тратят немалые средства на исследование поведения новых напитков по истечении срока хранения.
Все проблемы с проницаемостью возникают из-за крошечных промежутков между молекулами ПЭТ. Эти расстояния составляют немногим менее 1 нм, в то время как расстояния между молекулами газа колеблются от 0.3 до 0.4 нм, и поэтому молекулы газа могут проникать сквозь полимерный материал. Независимо от того, куда нанесено покрытие (на внешнюю или на внутреннюю сторону), оно, в основном, блокирует эти промежутки и эффективно уменьшает движение газов. За последние годы было разработано несколько различных покрытий, и некоторые были внедрены в промышленное применение. Эти покрытия удобно классифицировать с помощью коэффициента повышения непроницаемости (КПН), который учитывает две наиболее распространенные причины снижения срока годности – утечку углекислого газа и проникновение кислорода. Если КПН составляет 3, это означает, что покрытие продлевает срок хранения в три раза по сравнению со сроком хранения бутылки с той же толщиной стенок, но без покрытия, в таблице 1 приводится общий обзор покрытий.

Табл. 1. Коэффициенты повышения непроницаемости некоторых материалов.

  Bairocade был одной из первых коммерческих систем. Эпоксидное непроницаемое покрытие напыляется на бутылки, которые закреплены на стержнях горлышками вниз. Затем бутылки перемещаются в сушильную установку, где они сушатся в течение тридцати минут. Они должны затем постоять еще восемь часов прежде, чем их можно будет заполнять. Часть эпоксидной смолы протекает, и ее необходимо удалить как опасные отходы. Это явилось одной из причин, помешавших распространению процесса Bairocade. Другой причиной стала потребность производственной линии с выработкой 20000 бутылок/час (что обычно для линии по производству соков) в оборудовании примерно таким же количеством стержней, на которых закрепляются бутылки во время напыления и затвердевания покрытия. Это влечет за собой значительные затраты труда по очистке и материально-техническому обслуживанию. Вызывает также беспокойство возможность нарушения целостности покрытия во время транспортировки.
Вместо нанесения непроницаемого слоя на бутылки другие системы действуют путем доведения или углерода или оксида кремния до состояния плазмы с последующей обработкой внутренней поверхности бутылки, когда образуется очень тонкий слой непропускающий газ.
Другой поступившей в продажу системой была разработка Krones на основе оксида кремния, но она не имела успеха и более не используется. Затем появилась технология Actis, разработанная французской фирмой Sidel. В качестве защитного материала используется углерод. Существует два варианта стандартный и облегченный. Actis достигла очень впечатляющих результатов в области повышения непроницаемости, но она, как любая система нанесения покрытия, имеет технологию, отличную от литья под давлением или выдувного формования, и, как таковая, с трудом прокладывает себе дорогу. Она также придает бутылке желтоватый оттенок, а это не очень нравится потребителям. Также имеет место некоторое накопление углерода на вакуумных шлангах, которые надо время от времени чистить вручную, а это требует или наличия второго комплекта шлангов, или значительного простоя линии. В США имеются две такие системы на одном перерабатывающем предприятии. В мире эксплуатируются примерно 14 работающих систем Actis.
Новейшей технологией в этой области является Plasmax, разработанная компаниями Schott AG и SIG Corpoplast. Процесс аналогичен используемому в Actis, но в качестве материала используется SiO₂. В результате на внутренней поверхности бутылки остается стеклообразная пленка с КПН также аналогичным коэффициенту Actis. Тем не менее, здесь не происходит изменение цвета и SiO₂ не дает осадка на оборудовании. Компания SIG продала на мировом рынке 5 таких систем, одна из которых работает в США.
Японская пивоваренная компания Kirin совместно с Mitsubishi Heavy Machinery разработали процесс и установку, сходные с Actis. Эта система позволяет добиться несколько более высокого КПН за счет управления процессом затвердевания углерода на стенках бутылок ПЭТ. В продаже имеются установки двух размеров.
Существует еще более новая система, но она представляет несколько меньший интерес на рынке упаковки безалкогольных напитков, поскольку разработавшие ее компании продали эксклюзивные права одному производителю. Но такая система может использоваться на общем рынке упаковки алкогольных напитков. В этом методе использует принципиально иной подход: заготовки погружают в покрывающее вещество до дутья. По заявлениям разработчиков такое покрытие нетоксично и способно выдерживать бесконечное количество циклов нагрева и охлаждения. Показатели КПН у этой системы не так хороши, как у систем с нанесением внутреннего покрытия, но, полагают, что их цена даже с учетом лицензионных платежей меньше 10 долл. США на 1000 бутылок.

В каком же положении находятся производители тары и напитков, которым сегодня необходимо принять решение относительно способа продления срока годности?
На самом деле, если они не рассматривают многослойные или монослойные защитные материалы, то могут выбирать между Actis и Plasmax. По указанным выше причинам Bairocade не имел успеха, а DLC не зарекомендовал себя нигде за пределами Японии. Обе системы обеспечивают одинаковое повышение непроницаемости, но отсутствие желтого оттенка при использовании технологии Plasmax является преимуществом в тех областях использования, где это может иметь значение. Для того чтобы принять наилучшее решение при выборе той или иной установки, необходимо тщательно рассмотреть вопросы цены, предоставляемых услуг и наличия запасных частей.