Полимеры в упаковке продуктов (пункт 7 книги)

 

7.1. Введение

7.1.1. Определение и общие сведения

7.1.2.        Использование полимеров в упаковке пищевых продуктов

7.1.3.............. Полимерные материалы для упаковки пищевых продуктов

7.2. Изготовление упаковки из полимерных материалов

7.2.1.............. Основы производства упаковки из полимерных материалов

7.2.2. Упаковочные полимерные пленки и листы

7.2.3. Типы упаковки с использованием полимерных пленок, ламинатов и т. д

7.2.4. Жесткая упаковка из полимерных материалов

7.3. Типы полимеров для производства упаковки

7.3.1. Полиэтилен

7.3.2. Полипропилен

7.3.3. Полиэтилентерефталат

7.3.4. Полиэтиленнафталат

7.3.5. Поликарбонат

7.3.6. Иономеры

7.3.7. Этиленвинилацетат

7.3.8. Полиамид

7.3.9. Поливинилхлорид

7.3.10. Поливинилиденхлорид

7.3.11. Полистирол

7.3.12. Сополимер стирола с бутадиеном

7.3.13. Сополимер стирола с акрилонитрилом

7.3.14. Этиленвиниловый спирт

7.3.15. Полиметилпентен

7.3.16. Высоконитрильные полимеры

7.3.17. Фторсодержащие полимеры

7.3.18. Материалы на основе целлюлозы

7.3.19. Поливинилацетат

7.4.............. Нанесение покрытий на полимерные пленки. Типы и свойства покрытий

7.4.1. Основы нанесения покрытий

7.4.2. Акриловые покрытия

7.4.3. Покрытия на основе ПВдХ

7.4.4. Покрытия на основе PVOH

7.4.5. Низкотемпературные свариваемые покрытия

7.4.6. Металлизация алюминием

7.4.7. Si0x-покрытия

7.4.8. DLC-покрытие

7.4.9. Экструзионное ПЭ-покрытие

7.5. Методы дальнейшей переработки

7.5.1. Клеевое ламинирование пленки

7.5.2. Экструзионное ламинирование

7.5.3. Термическое ламинирование

7.6. Нанесение печати

7.6.1. Основы процесса печати на полимерных пленках

7.6.2. Глубокая печать (гравюра)

7.6.3. Флексографская печать

7.6.4. Цифровая полиграфическая печать (цифровой офсет)

7.7........... Маркировка и этикетирование жестких пластмассовых контейнеров

7.7.1. Этикетирование и маркировка в форме

7.7.2. Этикетирование

7.7.3. Сухая офсетная печать

7.7.4. Трафаретная печать

7.7.5. Печать методом термопереноса

7.8. Контакт с пищевыми продуктами и барьерные свойства

7.8.1. Предмет рассмотрения

7.8.2. Миграция

7.8.3. Проницаемость

7.8.4. Изменения вкуса и аромата

7.9. Герметизация и укупорка

7.9.1. Общие сведения

7.9.2. Термосваривание

7.9.3. Холодная сварка

7.9.4. Пластиковые средства укупорки бутылок, банок и туб

7.9.5. Системы адгезивов

7.10. Критерии выбора полимерных упаковочных материалов

7.11. Упаковка для стерилизации в автоклаве

7.11.1. Инновационная упаковка

7.11.2. Виды применения

7.11.3. Преимущества и недостатки

7.11.4. Изготовление   

7.11.5. Фасование и герметизация

7.11.6. Обработка стерилизуемых упаковок

7.11.7. Технологические параметры

7.11.8. Постпастеризационная обработка

7.11.9. Вторичная упаковка     284

7.11.10. Обеспечение качества

7.11.11. Срок годности

7.12. Охрана окружающей среды и проблемы управления отходами

7.12.1. Экологические преимущества полимерной упаковки

7.12.2. Устойчивое развитие

7.12.3. Экономия ресурсов и снижение массы упаковки

7.12.4..... Производство полимерных материалов и оценка их жизненного цикла

7.12.5. Управление отходами

 

7.1. Введение

7.1.1. Определение и общие сведения

В директиве ЕС «Полимерные материалы и изделия, используемые в контакте с пищевыми продуктами» (2001/62/ЕС), полимерами называют «органические ма- кромолекулярные соединения, получаемые полимеризацией, поликонденсацией, полиприсоединением или любым подобным способом из молекул с низкой моле­кулярной массой (мономеров) или путем химического изменения натуральных ма- кромолекулярных соединений».

Полимеры широко используются в качестве упаковочных материалов и при про­изводстве пищевых продуктов, так как они:

при определенных условиях являются текучими и формуемыми, что позво­ляет изготавливать листы и объемные формы;

  обычно химически инертны, но не обязательно непроницаемы; рентабельны в промышленном производстве;

  сравнительно легкие;

могут быть разной степени прозрачности, разных цветов, обладают разной спо­собностью к термосвариванию, термостойкостью и барьерными свойствами.

Согласно той же Директиве, молекулы с более низкой молекулярной массой назы­вают мономерами, а мономеры соединенные в длинные цепи, называют макромоле- кулярными соединениями — полимерами, что по-гречески означает «много частей».


Первые полимеры были получены из натурального сырья, а в первой половине XX в. их научились производить из угля, нефти и природного газа. Наиболее ши­роко используемый в настоящее время полимер — полиэтилен — был изобретен в 1933 г., и в индустрии упаковки его используют с конца 1940-х гг. для производства бутылок, ящиков (вместо деревянных) а также в виде пленок и экструзионных по­крытий картона для изготовления пакетов (коробок) для молока.

В Европе около 40% всех полимерных материалов используется в индустрии упа­ковки, которая представляет собой наиболее крупный сектор их применения (по данным АРМЕ, Ассоциации европейских производителей полимерных материалов). В Европе в полимерную упаковку упаковывают около 50% всех пищевых продуктов (по данным Британской федерации полимерщиков, BPF).

Полимеры обладают свойствами прочности и жесткости. Например, ПЭТ-пленка (из полиэтилентерефталата) имеет механическую прочность почти как у железа, но под нагрузкой ПЭТ-пленка растягивается до разрыва значительно больше.

Определенные виды полимерных материалов характеризуются возможностью применения в очень широком диапазоне температур — от глубокой заморозки пище­вых продуктов (-40 °С), холодного хранения (-20 °С) до температур стерилизации в автоклаве (121 °С), разогрева расфасованных и упакованных пищевых продуктов в микроволновой печи (100°С) и нагрева излучением (200 °С). Большинство упа­ковочных полимерных материалов являются термопластичными, то есть они могут неоднократно размягчаться и плавиться при нагреве. Это свойство оказывает влия­ние на процесс использования и на эксплуатационные характеристики полимеров, в частности, при формовании контейнеров, изготовлении пленок и на способность материала к термосвариванию.

Термореактивные полимеры — это материалы, которые формуют один раз при приложении нагревания и давления. Их нельзя размягчать повторно, поскольку повторный нагрев приводит к деструкции материала. Термореактивные полимеры типа фенолформальдегидных и мочевиноформальдегидных смол используют для изготовления завинчивающихся крышек для упаковки косметики, туалетных при­надлежностях и лекарственных препаратов, но сколько-нибудь значительного при­менения в упаковке пищевых продуктов они не имеют.

В упаковке пищевых продуктов полимеры используют из-за их разного внешне­го вида и широкого диапазона эксплуатационных свойств, которые являются про­изводными от свойств, присущих конкретному полимерному материалу, техноло­гии его переработки и применения.

Полимеры являются стойкими ко многим типам веществ — они не слишком под­вержены воздействию неорганических веществ (включая кислоты и щелочи) и ор­ганических растворителей, что делает их подходящими (то есть инертными) для упаковки пищевых продуктов. Кроме того, полимеры не способствуют размноже­нию микроорганизмов.

Некоторые полимеры могут поглощать отдельные пищевые ингредиенты, в част­ности, жиры и масла, и поэтому очень важно проводить всесторонние испытания полимерных материалов на предмет абсорбции и миграции компонентов пищевых продуктов.

Через полимерные материалы способны проникать газы —- кислород, CO., и азот, а также водяной пар и органические растворители. Скорость их проницания зави­сит от:

  типа полимерного материала ;

толщины материала и площади поверхности; способа переработки;

концентрации или парциального давления соответствующего газа;

  температуры хранения.

Полимерные материалы подбирают в зависимости от назначения и условий при­менения при упаковке, дистрибьюции (сбыте и реализации) и хранении с учетом типа фасуемого продукта и требований маркетинга, в том числе и экологических аспектов.

7.1.2. Использование полимеров в упаковке пищевых продуктов

Полимеры используют для изготовления контейнеров, их элементов и гибкой упа­ковки. По распространенности (по массе) они являются вторым по степени приме­нения упаковочным материалом, а в стоимостном выражении — первым. В качестве примеров можно назвать:

  жесткие пластмассовые контейнеры — бутылки, банки, другие цилиндриче­ские емкости и лотки;

  гибкие полимерные пленки — пакеты, сумки, саше и термосвариваемые гиб­кие материалы для производства крышек;

  полимерные пленки для ламинирования картона, картонных пакетов (коро­бок) для жидких пищевых продуктов;

вспененные полимеры для тех случаев, когда требуется определенная изоля­ция, жесткость и способность противостоять силам сжатия; пластмассовые крышки, колпачки и прокладки для них;

  мембраны для крышек пластмассовых емкостей и стеклянных банок, исполь­зуемые для защиты продукта и индикации несанкционированного вскрытия;

  полимерные ленты для индикации несанкционированного вскрытия;

  фасовочные и дозирующие устройства (диспенсеры);

  средства групповой упаковки типа «мультипак», например, для баночного пива, поддонов и лотков для банок с конфитюром и т. д.;

полимерные пленки для липкой, стретч- и термоусадочной пленки;

  пленки для этикетирования бутылок и банок (плоские клеевые и рукавные термоусадочные);

  компоненты покрытий, адгезивов и красок.

Полимерные пленки могут соединяться с другими полимерами соэкструзией, смешением, ламинированием и путем нанесения покрытия, что позволяет получить те свойства, которые отдельные компоненты обеспечить не могут. Соэкструзия — это процесс, с помощью которого в месте экструзии соединяются слои двух или бо­лее полимеров. Ламинирование — это соединение двух или более слоев полимеров с использованием адгезивов. Перед экструзией гранулы различных полимеров могут

быть смешаны. Для нанесения полимерного покрытия применяют несколько спосо­бов — экструзионное нанесение, осаждение из смеси с растворителем или водой или вакуумное напыление.

Для расширения диапазона свойств полимеры также используют в качестве по­крытий и в ламинатах в сочетании с другими материалами, например, с пленкой из регенерированной целлюлозы (RCF), с алюминиевой фольгой, с бумагой и карто­ном. Для повышения прочности склейки, исходной липкости и эластичности при низких температурах полимеры могут входить в состав адгезивов.

Полимерные материалы могут быть окрашенными, с нанесенной печатью, деко­рированными или этикетированными разными способами (в зависимости от типа упаковки). Некоторые полимеры совершенно прозрачны, тогда как другие характе­ризуются различной степенью прозрачности, а их поверхность может быть глянце­вой или матовой.

Полимеры также используются при хранении и дистрибьюции сыпучих продук­тов в виде различных емкостей, транспортных контейнеров (IBC), ящиков, бочек, поддонов и лотков для свежих овощей и фруктов, а также для изготовления транс­портных поддонов (вместо деревянных).

Основной причиной использования полимерных материалов в упаковке пище­вых продуктов является то, что они обеспечивают защиту продуктов от порчи, со­вместимы с пищевыми технологиями, инертны относительно пищевых продуктов, относительно легки и прочны, не дают сколов и позволяют создавать самые разные по форме и конструкции типы упаковки — экономически эффективной, удобной и привлекательной на вид.

7.1.3. Полимерные материалы для упаковки пищевых продуктов

В упаковке пищевых продуктов используют следующие полимеры, полиэтилен (ПЭ, РЕ);

  полипропилен (ПП, РР);

  полиэфиры (ПЭТ, ПЭН, ПК, соответственно PET, PEN, PC, причем PET на не­которых рынках обозначают PETE);

  иономеры;

  этиленвинилацетат (ЭВА, EVA);

  полиамиды (ПА, РА);

  поливинилхлорид (ПВХ, PVC); поливининилиденхлорид (ПВДХ, PVdC);

  полистирол (ПС, PS); бутадиенстирол, SB;

  акрилонитрилбутадиенстирол (АБС,ABS);

  этиленвиниловый спирт, EVOH; полиметилпентен, ТРХ;

  высоконитрильые полимеры, HNP;

  фторполимеры, PCTFE/PTFE;

  материалы на основе целлюлозы; иоливинилацетат (ПВА, PVA).

Многие полимеры более известны под торговыми марками и аббревиатурами. На европейском рынке упаковки чаще всего используется ПЭ (около 56% рынка по массе), а оставшиеся 44% представлены в основном четырьмя полимерами — ПП, ПЭТ, ПС (включая вспененный ПС) и ПВХ. На других рынках это процент­ное соотношение может меняться, но ранжирование примерно одинаково. Другие вышеперечисленные полимерные материалы занимают отдельные ниши рынка, где предъявляются особые требования, например, к повышенным барьерным свой­ствам, способности к термосвариванию, адгезии, прочности или термостойкости.

Все эти материалы являются термопластичными полимерами (термопластами) и производятся из одного или более мономеров. Примером простого мономера может служить этилен, который получают из нефти и природного газа и который харак­теризуется определенным расположением атомов углерода и водорода (молекулу этилена обозначают химической формулой С2Н4).

Полиэтилен получают путем полимеризации (соединения) тысяч молекул эти­лена. Когда молекулы соединяются «конец к концу», они образуют длинную цепь. Молекулы могут формировать линейную цепь или цепь с боковыми ответвления­ми. Длина цепи, способ их соединения и степень разветвленности определяют такие свойства полимеров, как плотность, степень кристалличности, барьерные свойства по отношению к газу и водяному пару, термосвариваемость, прочность, эластич­ность и способность к переработке.

На степень полимеризации влияют самые разные факторы — температура, давле­ние, продолжительность реакции, концентрация, химическая природа мономера(ов) и, что наиболее важно, наличие катализатора(ов). Катализатор влияет на скорость и тип реакции, но сам он в реакцию не вступает. Недавнее появление металлоценовых (циклопентадиеновых) катализаторов позволило получать полимеры с высокими эксплуатационными свойствами, что оказало большое влияние на производство ПЭ, ПП и других материалов, в частности ПС. В некоторых случаях получаемые полимеры являются фактически новыми материалами с новыми областями приме­нения — например, так получают воздухопроницаемую ПЭ-пленку для фасования свежих овощей и фруктов и термосвариваемые слои для использования в ламина- тах и соэкструдируемых полимерах.

ПЭ можно рассматривать как семейство родственных полиэтиленов с разными структурой, плотностью, степенью кристалличности и другими важным для упа­ковки свойствами. В их структуру можно вводить другие простые молекулы, и все эти параметры могут регулироваться условиями полимеризации (температурой, давлением, временем реакции и типом катализатора).

Все полиэтилены имеют некоторые общие характеристики, изменяющиеся в про­цессе полимеризации (одни в большей, а другие в меньшей степени), но все ПЭ от­личаются, например, от всех полипропиленов (ПП) или представителей семейства полиэфиров (в частности, от ПЭТ).

Те же соображения относятся ко всем перечисленным полимерным материалам, которые представляют отдельные «семейства» родственных материалов, причем каждое такое семейство ведет свое начало от молекул одного или более мономеров.

Важно учитывать и тот факт, что непрерывно разрабатываются новые полимер­ные материалы, то есть в процессе полимеризации они модифицируются в целях улучшения определенных свойств и удовлетворения потребностей:

• производителей пленок, листов, формованных жестких пластмассовых кон­тейнеров и т. д.;

конечных потребителей полимерных упаковочных материалов — пленок, контейнеров и т. д.

При упаковке пищевых продуктов к потребительским свойствам относят та­кие эксплуатационные свойства полимерных материалов, как прочность, прони­цаемость для газа и водяного пара, термосвариваемость, а также такие оптические свойства, как прозрачность.

Кроме того, свойства готовой упаковочной единицы бывают обусловлены мето­дом, которым полимерные материалы перерабатываются и формуются в ходе про­изводства упаковочных пленок, листов, контейнеров и т. п.