Виды и типы полимерной тары

Для производства крупногабаритной транспортной тары ПЭНП непригоден, о чем свидетельствуют результаты прогнозирования его поведения в условиях длительной эксплуатации под нагрузкой при разных температурах.

При эксплуатации тары в условиях статической нагрузки (особенно в режиме хранения) лимитирующим фактором, ограничивающим ее работоспособность, является недлительная прочность, а ползучесть; деформация к моменту разрыва значительно превышает допустимый предел для ПЭНП. По этой причине ПЭНП не рекомендуется использовать для производства транспортной тары, работающей в условиях статической нагрузки. Для изделий, работающих в условиях релаксации напряжений (потребительская тара), сочетание значительной длительной прочности с малой жесткостью является благоприятным. Поэтому ПЭНП в основном используют для получения потребительской тары.

Основные способы изготовления тары из ПЭНП: литье под давлением, экструзия, экструзия с раздувом (раздувное формование), ротационное формование, термоформование.

Полиэтилен высокой плотности — ПЭВП или ПЭНД (ГОСТ 16338). К ПЭВП относятся ПЭ низкого и среднего давления (ПЭНД и ПЭСД). ПЭВП наиболее широко используется для получения тары. Его мировое производство составляет около 10 млн. т в год. Этот полимер является линейным, в отличие от ПЭНП, который имеет разветвленную структуру. ПЭВП используется в тех случаях, когда требуется высокая стойкость к растрескиванию и короблению, глянцевая поверхность изделий, высокая теплостойкость и хорошие прочностные показатели.

Он обладает значительной жесткостью, высокой ударной прочностью, стойкостью к растрескиванию под напряжением, имеет более высокие прочностные и теплофизические характеристики, чем ПЭНП, малые водо-поглощение и газопроницаемость. Его плотность — до 960 кг/м3
. ПЭСД также пригоден для производства транспортной тары. ПЭВП перерабатывается экструзией, литьем под давлением, экструзией с раздувом, ротационным формованием.

Полипропилен — ПП (ТУ 6-05-1105—78). В последние годы значительно расширено производство отечественного ПП, который является наряду с ПЭВП одним из наиболее перспективных-полимеров для производства транспортной тары. ПП занимает в настоящее время первое место по темпам роста производства и применения во всем мире. Его мировое производство в настоящее время составляет более 10 млн. т в год. Предполагается, что к 2000 г. ПП станет самым крупнотоннажным из всех термопластов. Растущий интерес к ПП не случаен. Он обусловлен, с одной стороны, благоприятным сочетанием физико-механических, химических, теплофизических и электрических свойств, а также его хорошей перерабатываемостью, а с другой стороны, доступностью необходимого для его производства мономера, более дешевого, чем этилен и стирол, что создает ему прочное конкурентоспособное положение на мировом рынке. Это положение ПП обеспечивается достигнутым уже значительным прогрессом в технологии его производства и интенсивной деятельностью в области ее усовершенствования. ПП вследствие особенностей структуры легче других термопластов подвергается модификации и наполнению с целью совершенствования его эксплуатационных свойств. ПП является одним из наиболее легких полимеров (плотность его составляет 910 кг/м3
), поэтому основным его потребителем являются пищевые отрасли промышленности, где он используется не только в производстве пленок, но и для получения флаконов, ящиков; а также транспортной тары. Полипропилен обладает по сравнению с другими полимерами более высокой теплостойкостью, в связи с чем получаемые из него изделия можно подвергать стерилизации. Недостатками ПП являются: низкая светостойкость, а также малая деформируемость при минусовых температурах (низкая морозостойкость). Эти недостатки можно устранить модификацией при создании и переработке композиций на основе ПП. Перерабатывается ПП теми же методами, что и ПЭВП.

Поливинилхлорид — ПВХ (ТУ 6-01-997—79). ПВХ широко используется для изготовления потребительской тары. Мировое производство его составляет 19 млн. т в год. Такие свойства непластифицированного ПВХ, как прозрачность, жесткость, высокая статическая и ударная прочность, хорошая формуемость, жиростойкость, а также доступная сырьевая база для получения способствуют его применению в производстве бутылок для расфасовки пищевых масел, дешевых столовых вин, минеральных вод и некоторых других напитков. Непластифицированный ПВХ характеризуется и высокими деформационно-прочностными показателями при обычных и повышенных температурах, что имеет существенное значение для транспортной тары. По сравнению с полиолефинами он имеет большую плотность — более 1000 кг/м3
. Однако низкий уровень термостабильности ПВХ вследствие его химической нестойкости и повышенной склонности к деструкции,, высокая вязкость расплава требуют введения различных стабилизаторов, наполнителей, пластификаторов, смазок и других функциональных добавок. Это приводит к необходимости приготовления многокомпонентной композиции из ПВХ для переработки. Подготовку таких композиций проводят в две стадии: 1) "сухое" смешение компонентов; 2) смешение в расплаве. Целью "сухого" смешения является распределение добавок, частичное их диспергирование и взаимное растворение ПВХ и вводимых пластификаторов.

Существенным недостатком ПВХ как материала для изготовления тары является его токсичность и канцерогенность мономера — винилхлорида. В настоящее время во всем мире уделяется большое внимание проблеме получения ПВХ с минимальным остаточным содержанием мономера. В ПВХ идентифицировано 88 органических соединений, из которых наибольшую опасность представляют стирол и винилхлорид. Их токсичность составляет 86,8 и 74,5 % соответственно по отношению к токсичности НСІ, принятой за 100%. Поэтому при переработке ПВХ на всех его стадиях необходимо предусматривать дополнительные мероприятия по удалению остаточного мономера и других токсичных продуктов деструкции ПВХ.

За рубежом, как упоминалось выше, в тару из ПВХ упаковывают 45 % молока, 80 % минеральных вод; 95 % пищевых продуктов упаковывают в тару из ПВХ и ПЭВП.

Помимо перечисленных свойств ПВХ обладает высокой влаго- и кислородонепроницаемостью, стойкостью ко многим химикатам, что делает его весьма перспективным материалом для создания композиций, используемых в производстве транспортной тары.

Полистирол — ПС (ОСТ 6-05-406—80). Для упаковывания большей части молочных продуктов (простокваши, сливок, творога) используется в основном ПС. Он не обладает такими высокимизащитными характеристиками, как полиолефины или ПВХ, однако он является жестким материалом, поэтому получаемые из него изделия отличаются достаточно высокой механической прочностью и точностью размеров. ПС из всех термопластов обладает самой малой усадкой, плотность его составляет около1100 кг/м. Для повышения непроницаемости упаковки из ПС его покрывают защитными слоями из других полимеров.

Мировое производство полистирольных пластиков, включая АБС-со-полимеры, превысит в 1987 г. 13 млн. т. Из них значительная доля идет на производство упаковки различными методами, основными из которых, как и для ПВХ, являются термоформование из листовых заготовок и раз-дувное формование.

В последние годы было доказано отсутствие канцерогенных свойств как у мономера — стирола, так и у полимера. При обеспечении содержания мономера в полимере в концентрациях, не превышающих предельно допустимые концентрации (ПДК), определяемые санитарными нормами, полистирол не представляет опасности для здоровья человека и может использоваться для изготовления тары.

Для продовольственных упаковок из полимерных материалов установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) миграции остаточного мономера в пищевые продукты. Для стирола общая миграция не должна превышать 60 мг/кг продукта, что соответствует значению ПДК, равному 10 мг/дм2
поверхности упаковки. На практике величина миграции стирола при 40 °С за время контакта, равное 10 суткам, составляет 0,05—2 мг/кг продукта, что значительно меньше допустимой нормы.

Существуют нормы и для остаточного содержания стирола в материале упаковки, которое не должно превышать 0.1 %. При переработке ПС в экстремальных условиях возможна деполимеризация и образование мономера, содержание которого в таких случаях также не должно превышать допустимого предела, т. е. 0,1 %.

Существенным недостатком ПС является его повышенная хрупкость и низкая ударная прочность, что не позволяет использовать этот полимер в чистом виде для производства тары. Различные приемы модификации позволяют в значительной мере устранять его недостатки и получать композиции на основе ПС с комплексом свойств, отвечающим требованиям к тароупаковочным материалам (например, ударопрочный полистирол).

Полиамиды — ПА (ГОСТ 10589-73, ТУ 6-05-988-78, ОСТ 6-06-369-74). Благодаря своим свойствам — высокой механической прочности, хорошим антифрикционным характеристикам, виброустойчивости, стойкости к ударным нагрузкам — полиамиды вошли в число традиционных конструкционных материалов. ПА обладают прекрасной стойкостью к действию органических растворителей, масел, легко перерабатываются в детали сложной конфигурации современными высокопроизводительными способами, главным образом, литьем под давлением. В отличие от полиолефинов, ПВХ и ПС, полиамиды получают методом поликонденсации. Они являются кристаллическими полимерами, в которых соотношение кристаллической и аморфной фаз зависит от условий переработки, режима термообработки, содержания влаги и специальных добавок, способствующих кристаллизации. Степень кристалличности ПА колеблется от 40 до 80 %. Плотность составляет ИЗО—1150 кг/м3
.

В СССР наиболее распространенными марками полиамидов являются П-6, П-610, П-66, П-12, капролон, а также фенилон. Из всех ПА наибольшей твердостью, жесткостью и стойкостью к истиранию обладает алифатический полиамид П-66 и ароматический полиамид — фенилон; П-610 по сравнению с П-6 и П-66 обладает пониженным водопоглощением и применяется для изготовления изделий с высокой термостабильностью; П-12 характеризуется наименьшим водопоглощением среди алифатических ПА, по ударной прочности и эластичности он превосходит П-6 и П-66, однако несколько уступает фенилону по водопоглощению и значительно — по прочностным показателям.

Существенным недостатком ПА является их способность к водопоглощению, вследствие чего требуется тщательная подсушка гранул перед переработкой; подсушка осуществляется в бункере литьевой машины горячим воздухом. Другим существенным недостатком полиамидов, особенно таких широко используемых марок, как П-6 и П-66, является высокая текучесть и низкая вязкость расплава. Поэтому при литье ПА применяются самозапирающиеся сопла с пружиной, использование которых повышает надежность работы литьевой машины и обеспечивает хорошее качество изделий при литье низковязких расплавов. Изделия для полиамидов характеризуются невысокой износостойкостью. Для производства тары применяются в основном марки П-610 и П-66, которые, перерабатываются литьем под давлением.

Поликарбонаты — ПК (ТУ 6-05-1668—80, ТУ 6-05-211—75). Поликарбонаты, как и полиамиды, относятся к поликонденсационным термопластам.

В промышленном масштабе находит применение ПК на основе дифенилолпропана (дифлон) вследствие ценности его свойств и сравнительной доступности исходного сырья. Дифлон имеет высокие физико-механические показатели, Гпл
= 220-230 °С, температура разложения выше 320 °С, плотность равна 1200 кг/м3
. Дифлон выпускается литьевой и экструзионной марок, стабилизированным и нестабилизированным.

Поликарбонаты обладают рядом ценных для изготовления тары и упаковки свойств: высокой механической прочностью и износостойкостью при большой относительной влажности воздуха, высокой степенью прозрачности и гладкости поверхности. Светопропускание ПК составляет 90 % и не изменяется под воздействием погодных условий. Это свойство ПК очень важно для упаковки продуктов в потребительскую тару, а также в крупногабаритную тару при ее транспортировке. Полимер коррозионностоек и нетоксичен. Он допущен для контакта с пищевыми продуктами и изготовления медицинского инструментария. По горючести ПК классифицируется как "негорючий" или "самозатухающий". Дифлон довольно стоек к действию некоторых неорганических и органических продуктов: солей, кислот, растворителей (гептана, керосина, бензина, масла МС-20), а также поверхностно-активных веществ при обычной температуре. При повышенных температурах снижаются его деформационно-прочностные, характеристики. В бензоле и дихлорэтане полимер растворяется, а в четыреххлористом углероде и ацетоне он набухает и резко снижаются его эксплуатационные показатели.

Поликарбонат сохраняет свои эксплуатационные характеристики в диапазоне температур от —70 до +120 °С. Однако он характеризуется относительно высокой проницаемостью по отношению к влаге и водяному пару. Заметный гидролиз дифлона в воде наблюдается при температуре выше 70 °С. При температурах ниже 50 °С гидролиз практически отсутствует, однако и при этих условиях в результате анизотропного набухания, характерного для литьевых изделий из ПК, долговечность дифлона значительно ниже, чем на воздухе. В сильнощелочной среде дифлон вообще нельзя использовать.

Качество изделий из ПК определяется наличием в нем влаги. Максимальное водопоглощение поликарбоната, погруженного в воду, не превышает 0,4 %, при выдержке на воздухе — 0,2 %. Однако уже малейшие следы влаги (более 0,01 %)вызывают деструкцию полимеров в расплаве, поэтому для получения высококачественных и надежных в эксплуатации изделий требуется тщательная сушка материала перед его переработкой (от 2 до 20ч при 120 °С в зависимости от влажности материала). Поскольку сухой полимер быстро адсорбирует влагу из воздуха, содержание которой перед переработкой не должно превышать 0,02 %, рекомендуется сохранять его перед загрузкой в горячем состоянии. Загрузку желательно .производить в обогреваемый бункер экструдера или литьевой машины. В расплавленном состоянии при температурах до 300 °С в отсутствие влаги поликарбонат стабилен в течение длительного времени.

Прекрасные технологические и эксплуатационные свойства ПК обусловливают его широкое, применение во многих отраслях народного хозяйства. До недавнего времени использование ПК как тароупаковочного материала сдерживалось стоимостью полимера. Однако в последнее время за рубежом была показана целесообразность его использования для изготовления литьем под давлением хладообменников вместимостью 22 л для чистой воды, молочных бутылок и другой тары. Литьевые изделия из ПК характеризуются многократностью использования, при этом стоимость единицы упаковки становится сопоставимой со стоимостью единицы упаковки из наиболее распространенных полимерных материалов. По этой причине в последние годы наблюдается рост использования ПК для изготовления тары и упаковки, особенно в США, где его потребление для этих целей составляет уже 15 %:

Полиэтилентерефталат — ПЭТФ (ТУ 6-05-830—76). ПЭТФ, называемый лавсаном, а за рубежом — териленом, имеет Гпл, = 265 °С, плотность 1320 кг/м3
. Он нерастворим в обычных органических растворителях и является химически стойким полимером.

Основной способ переработки ПЭТФ — экструзия. Этим способом получают, главным образом, пленки. Полиэтилентерефталатные пленки характеризуются высокой механической прочностью (в 10 раз выше прочности полиэтиленовой пленки), стойкостью к действию влаги, малой разнотолщинностью и хорошими диэлектрическими свойствами в широком интервале температур (от —20 до +80 °С). Пленку можно использовать до 175 °С. Благодаря высокой прозрачности (пропускают до 90 % видимого спектра) пленки из ПЭТФ применяют в парниках, оранжереях и промышленных сооружениях взамен стекла. Сравнительно недавно лавсан стали применять для производства бутылочной тары методом раздува и термоформования. Основным преимуществом лавсановых бутылок перед стеклянными является значительное снижение массы при сохранении защитных свойств (ПЭТФ практически непроницаем для газов — С02
и др.). Масса бутылки емкостью 1,5 л из ПЭТФ составляет 62—65 г, а стеклянной бутылки емкостью 1 л — 650 г. В настоящее время в ряде западноевропейских стран предусматривается массовый выпуск лавсановых бутылок емкостью от 0,5 до 2 л литьем под давлением с последующим раздувом заготовки.

Таким образом, перспективным направлением является производство крупногабаритной тары из ПЭТФ, например бочек для рыбной продукции, раздувным формованием. Ограничением при переработке ПЭТФ является относительно низкая вязкость расплава. Сдерживающим фактором для массового внедрения лавсановых упаковок является довольно высокая стоимость полимерного сырья и значительные капиталовложения на перерабатывающее оборудование.