Многослойные гибкие полимерные упаковочные материалы

Системный подход к упаковке в настоящее время обусловлен следующими причинами:

• упаковка сегодня – это не только защита от потерь и обеспечение гигиенической безопасности продукта, но и способ доведения сырья до готового продукта и длительного сохранения его как полноценной пищи;
• упаковка выполняет ряд информационных функций, рекламирует продукт. Используя различные способы упаковки, материалы, интересные дизайнерские решения, упаковка может придать индивидуальный облик, стать брендом предприятия, привлечь покупателя. По информации производителей только инновации в упаковке готовой продукции дают прирост объемов продаж до 30 %;
•  упаковка – мощный и реальный способ перестройки технологического процесса и надежный источник экономии трудовых и материальных затрат при производстве, хранении и реализации пищевой продукции. Например, использование при созревании сыров полимерного материала с барьерными свойствами стало революционным переворотом в сыроделии. Это позволило кардинально изменить само сыроделие и перейти к выпуску новых продуктов – бескорковых сыров.

По данным аналитиков компании Freedonice Group, мировая потребность в гибкой упаковке вырастет с 16 млн т в 2008 г. до 19,5 млн т в 2013 г. с ежегодным приростом примерно в 3,5 %. Указанный прирост ее потребления прогнозируется в развивающихся регионах (Азия, Латинская Америка, Восточная Европа, Ближний Восток). Особенно быстрый рост спроса на гибкую упаковку ожидается в Китае, представляющем после США второй рынок по объему потребления. Повышенный спрос прогнозируется в Индии, России и Индонезии.

Сегодня упаковка из вспомогательного материала превратилась в самостоятельного и полноправного участника цепи «производство – хранение – реализация», и при грамотном ее использовании можно существенно влиять на коммерческие успехи пользователя. Однако кажущаяся экономия на упаковке, использование более дешевых, менее качественных материалов, как правило, приводят к росту потерь и снижению гигиенической безопасности упакованной продукции. В 2010 г. наблюдался высокий рост цен на все виды упаковки из-за продолжающегося процесса удорожания сырья. В результате многие производители, стремясь сократить свои затраты на упаковку, снизили требования к
качеству упаковочного материала, что привело, в свою очередь, к росту потерь товара из-за ненадлежащей упаковки.

Перестал учитываться принцип «эффективная упаковка всегда дает прибыль больше, чем стоит сама» (из выступления исполнительного директора Национальной конфедерации упаковщиков А. Бойко на пресс-конференции выставки «ПродЭкспоПак–2011»). Поэтому для успешной реализации данного положения одной из задач являются анализ современного рынка пленочных полимерных материалов и тенденции совершенствования их показателей качества.

РЫНОК ПЛЕНОК: РОСТ ВОПРЕКИ КРИЗИСУ

Рынок упаковки в России сформировался за последние 10 лет. Оборот российского рынка упаковки постоянно увеличивается на 10–12 % (за исключением кризисных лет). В 2001 г. он составил 12,5 млрд долл. Всемирная организация упаковщиков (WPO) включает российский рынок в число крупнейших. В структуре материалов, применяемых в упаковке, 39 % пока составляют бумага и картон, 32 % – полимерная упаковка, доля которой постоянно растет. Начиная с 1998 г. динамика отечественного производства полимерных пленок характеризуется стабильным
ростом. Даже кризис 2008–2009 гг. существенно не повлиял на функционирование этого рынка: предложение отечественных переработчиков продолжало расти.

В 1996 г. выпуск полимерных пленок в России снизился в 2,9 раза – с 275,5 тыс. до 94,7 тыс. т. Однако за период 1996–2009 гг. производство этой продукции возросло в 7,3 раза – с 94,7 тыс. до 686,4 тыс. т. При этом если ежегодные темпы роста колеблются, то тенденция стабильного роста остается неизменной. В первом полугодии 2010 г. рост по отношению к аналогичному периоду 2009 г. составил около 30 %. Из общего объема выпускаемых в России полимерных пленок по-прежнему значительная часть (около 80 %) производится из традиционно применяемых материалов общетехнического назначения: полиэтилена, полипропилена и поливинилхлорида. В настоящее время деятельность
российских производителей полимерных пленок в основном направлена на изготовление продукции из полиэтилена, доля которой в общем объеме выпуска в 2009 г. достигла 49,8 %; на пленки из полипропилена и поливинилхлорида приходится порядка 19 и 10,9 % соответственно.

Высокими темпами развивается рынок многослойных пленок (14 % от общего объема производства). В 1990 г. многослойные пленки в России не
выпускались. За прошедшие 30 лет наряду с количественной изменилась и качественная структура производства:
российские компании начали изготавливать термоусадочные, стретч-пленки, биаксиально-ориентированные пленки из полипропилена (БОПП), полистирола (БОПС) и полиэтилентерефталата (БОПЭТ), а также полипропиленовые кастпленки.

В начале 2000-х годов выпуск полиэтиленовой стрейч-пленки был относительно новым направлением для российских производителей полимерных пленочных материалов. В настоящее время на рынке действуют около 40 предприятий общей мощностью около 150 тыс. т в год, выпускающих как пищевую, так и паллетную стрейч-пленку. В последнее десятилетие динамично развивается производство БОПП-
пленки: на январь 2010 г. общая мощность составила 134 тыс. т в год. Основные потребители этого вида пленки – изготовители упаковок для пищевой промышленности. Следует отметить, что в структуре отечественного производства полипропилена произошли серьезные изменения. В настоящее время марки полипропилена, используемые для выпуска БОПП, производятся отечественными производителями. Последнее позволило осуществить курс на импортозамещение для одного из наиболее востребованных тароупаковочных материалов молочной промышленности.

Рынок полимерных пленок является динамично развивающимся, но не насыщенным. Векторы развития каждого рыночного сегмента полимерных пленок различны. Так, темпы роста рынка пленок в 2009 г. по отношению к 2003 г. следующие: ПЭ-пленки – 215,7 %, ПП-пленки – 232,8, ПВХ-пленки – 201, многослойные пленки – 592, прочие пленки – 169,1 %. Более высокими темпами развивается рынок многослойных пленок с барьерными свойствами, которые находят широкое применение в пищевой упаковке. Последняя в настоящее время является лидером в потреблении полимерных пленок. В последние годы на российском рынке активизировался спрос на ориентированную пленку из полистирола, которая используется в молочной промышленности при производстве термоформованной упаковки, этикеточных и укупорочных изделий и т.д.

Основная сфера использования пленок на основе сополимеров винил и винилиденхлорида, ПВХ – индустрия упаковки, в частности многослойной пленки в виде пакетов для созревания сыров, тароупаковочные материалы для молочной продукции, твердых и мягких сыров, других продуктов сыроделия. Особенность отечественного рынка в том, что на рынке полимерных пленок сложилась устойчивая тенденция превышения импорта над экспортом, что объясняется, с одной стороны, ненасыщенностью рынка, а с другой – неконкурентоспособностью отечественной продукции.

В 2008 г. импорт превысил экспорт в 7 раз и составил 259,6 тыс. т. Россия импортирует пленки, которые по качественным параметрам превосходят отечественную продукцию, а также те, которые выпускаются в России в недостаточном количестве или вообще не выпускаются в силу объективных причин (отсутствие или недостаток сырья, несовершенство технологической базы для производства) либо если импортная продукция предлагается по более низким ценам. Самые крупные поставщики полимерных пленок на российский рынок – Китай, Германия,
Белоруссия, Украина, Малайзия, Польша, Италия – на их долю приходится около 64 % от общего объема импорта.

Таким образом, потребительский рынок не ограничивается традиционными видами пленок, в его структуре появились пленки, обладающие определенными свойствами, – термоусадочные, многослойные, биаксиально-ориентированные, стрейч-пленки. В настоящее время использование многослойных пленок составляет 14 % от объема рынка данной продукции.
Динамичное развитие рынка полимерных пленок сохранится в среднесрочной перспективе до 2015 г. При этом производители полимерных
пленочных материалов ориентированы на создание новых мощностей на современном оборудовании, способном выпускать качественно новые
материалы. Видовая структура производства полимерных пленок постоянно меняется в сторону увеличения выпуска инновационной высококонкурентной продукции: многослойных биаксиально-ориентированных, стрейч- , термоусадочных пленок. 

МНОГОСЛОЙНЫЕ БАРЬЕРНЫЕ ГИБКИЕ ПОЛИМЕРНЫЕ УПАКОВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Вся совокупность необходимых защитных свойств достигается только при использовании многослойного полимерного материала. Для получения последнего промышленностью используются соэкструзионное ламинирование, нанесение соэкструзионных покрытий, нанесение тонких барьерных слоев на поверхность пленок, выдувная и плоскощелевая экструзия. Наиболее распространенные материалы, используемые в многослойных структурах, – поливинилиденхлорид (ПВДХ), сополимер этилена и винилового спирта (EVOH), полиэтилен тетрафталат (ПЭТ), полиамид (ПА). Среди них EVOH является лидером по частоте и широте применений. Пленки, содержащие барьерный слой EVOH, характеризуются значительной устойчивостью к воздействию кислорода, маслам, органическим растворителям, УФ-излучению; стабильны при длительном хранении. Замечательные свойства EVOH – способность обеспечивать защиту не только по кислороду, но и газам, которые используются при упаковке продуктов в модифицированной атмосфере (CO2, N2, He), а также ароматизаторам, придают хорошую механическую прочность, упругость и т.д.

В молочной промышленности барьерные пленки успешно и эффективно используются для упаковки твердых и мягких сыров, сырных продуктов, спредов. В настоящее время в сыроделии для созревания бескорковых сыров используются слои или сочетания тонких слоев сополимера винилиденхлорида (ПВДХ), полиамида (ПА), EVOH (ethylene vinyl alcohol) в зависимости от вида созревающих сыров, условий созревания и выбранной технологии процесса.

Среди большого разнообразия используемых в упаковке пленок с барьерными свойствами принято выделять пленки, которые обладают низкой по сравнению с другими материалами проницаемостью – по кислороду, углекислому газу и азоту, а также являются хорошим барьером для влаги, запахов, ароматов и микроорганизмов. В качестве полимера для барьерных слоев как у ламинатов, так и в соэкструдатах в основном используются ПВДХ, ПЭТ, полиамид 66, однако в последние годы все большее распространение получает EVOH, обладающий уникальными
барьерными свойствами (см. таблицу).



Из данных таблицы видно, что газопроницаемость многих полимеров отличается на порядок. Но кроме природы полимеров на барьерные характеристики оказывает влияние степень ориентации полимера, температура окружающей среды, влажность, а также толщина пленки. Особенно это проявляется для таких полимеров, как полиэтиленвиниловый спирт, полиамид 6 и его сополимеры. Если сравнить паро- и газопроницаемость полиамида 6 ориентированного и неориентированного и ПЭТ ориентированную и неориентированную, то все показатели
различаются почти в 2 раза. Поэтому ориентированность полимера очень много значит для производства упаковочных материалов с барьерными свойствами.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СВОЙСТВ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНОК

Принципиально новых технологий производства барьерных пленок и полимерных структур за последние 5 лет не появилось. Однако многие зарубежные и российские научно-исследовательские группы предполагают ряд новых решений по модификации традиционно применяемых барьерных полимеров и технологий их переработки в пленки и тароупаковочные материалы. Цель этих решений – расширение спектра свойств
и областей их использования, а также снижение материальных и трудовых затрат. Предлагаемые пути решения – снижение материалоемкости, расширение функциональных характеристик за счет увеличения числа слоев, одновременное снижение толщины слоев. Конкретные примеры решений приведены ниже.

Гибкая потребительская пищевая упаковка становится все более функциональной за счет использования в своем составе упаковочных материа-
лов с повышенным количеством или использования слоев новых полимеров. В настоящее время 5, 7, 9 и даже 11 слоев у таких пленок не являются редкостью. Компания KWH Extron одна из первых начала поставлять на рынок линии производства пленки с 10 различными слоями. В одном процессе соэкструзии удалось соединить переработку до 10 различных смесей. В результате пленкам были приданы различные свойства и обеспечено снижение стоимости и материалоемкости многослойной пленки за счет использования в некоторых слоях более дешевых полимеров и очень тонких слоев из дорогих барьерных материалов, например 1 мкм слоя EVOH в 8–10-слойных пленках. Уже известно о
разработке 27-слойной плоской пленки.

Фирма EDI (США) предложила пленку в сумме до 82 микрослоев. По предварительным данным фирмы, подобные многослойные пленки обладают повышенными барьерными свойствами, прочностью и эластичностью. Компанией KWH- Extron были изготовлены и поставлены экструзионные линии производства 3- и 10-слойных упаковочных пленок барьерного типа. Российская компания «Роснано» участвует в поставках в Россию аналогичной экструзионной линии. Одна из ближайших задач компании Extron – использование на оборудовании компании вторичных, наномодифицированных и биоразлагаемых многослойных пленок для энергоэффективного производства продукции.

Однако достижение многофункциональности можно добиться и без дальнейшего «сверхмногослойного» подхода, а именно за счет разумного подбора слоев, их сочетания, модификации базовых полимеров, используемых в составе слоев. Так, фирма DSM предлагает использование в многослойных барьерных пленках полиамида 6 марки Akulon, который по сравнению со стандартным полиамидом 6 сообщает пленкам способность термоформования в тонком слое, лучшую перерабатываемость методом соэкструзии благодаря близости реакционных свойств с полиэтиленом. Может перерабатываться всеми способами изготовления пленок, т.е. плоскощелевым, раздувным и биаксиально-ориентированными.

Фирма Kuraray Europa – мировой и лидер по производству EVOH-полимеров (выпускает около 70 тыс. т в год). Эта компания разработала новые композиции, где в полимерной матрице диспергируются неорганические нити, величина которых менее 5 нанометров. При нанесении тонкого слоя (не больше 1 микрона) такой композиции на ориентированную пленку уменьшается газопроницаемость, не меняются свойства при обработке паром и горячей водой в реторт-пакетах. Пленка имеет прозрачность, как у полиэтилентерефталата (ПЭП), воспринимает
печать без дополнительного активирования. 

Компания NanoCorporation (США) проводит широкие исследования по модификации полиамида 6 нанокомпозитами как в процесса полимеризации, так и смешением в расплаве. Причем в первом случае достаточно ввести 2 %, а во втором – 8 % нанокомпозитов для получения пленок с повышенной прозрачностью. В таких пленках на 60 % уменьшается газо-, водо-, паропроницаемость, повышаются
жесткость и термостойкость. К настоящему времени выпуск данного полимера достиг около 12 тыс. т в год. В немецком институте разработана
новая технология изготовления ультрабарьерных пленок, с помощью которых на поверхности ориентированных пленок создается слой из кельвированного полимера и неорганического покрытия. При этом проницаемость кислорода уменьшается в 2 раза по сравнению с EVOH.
В последние годы активное развитие получили новые барьерные материалы –  ароматический полиамид МХД6, циклоолефиновые сополимеры, жидкокристаллические полимеры, нано-композиты полимеров, являющиеся перспективными компонентами многослойных пленок.

Одна из последних разработок в области барьерных упаковочных материалов компании NanoCorporation – прозрачная реторт-упаковка без фольги иламинации, в средний слой соэкструзионной пленки полиолефин/нано-композит/полиолефин наносится слой нано-композита полимера, обеспечивающий близкую к нулю газопроницаемость упаковки в течение длительного срока.

АКТИВНЫЕ УПАКОВОЧНЫЕ ПЛЕНКИ

Начиная с 1990-х годов формируется новая тенденция в области упаковывания продуктов питания – создание активной упаковки. Традиционно выполняемые упаковкой действия дополняются новыми:

˜ направленное регулирование биохимических и микробиологических процессов превращения биосырья в готовую пищу. Это достигается путем
создания оптимальной газовой среды внутри упаковки. Состояние газовой среды и содержание влаги регулируют путем включения в состав пленок или упаковки регуляторов содержания влаги, адсорбентов диоксида углерода, этилена, паров воды, а также веществ, выделяющих эти соединения, биологически активные добавки (ферменты, витаминные комплексы и т.д.);

˜ информация о сохранности и целостности упаковки продукта в ней. Эффект «умной» или «интеллектуальной» упаковки достигается путем включения в состав материала индикатора времени, температуры и влажности;

˜ антимикробная защита упакованного продукта. Обладающие антимикробными свойствами пленки применяются с целью предотвращения или подавления развития нежелательной микрофлоры на продуктах питания и способствуют увеличению срока службы, улучшению качества упакованных продуктов, снижению риска выпуска некачественной продукции. Антимикробное действие пленок достигается путем внесения специальных добавок в состав слоев пленки, контактирующих с продуктом на стадии получения, или нанесением их на поверхность слоев готовой пленки.

Сегодня в сегменте «активная» упаковка доминируют упаковки с адсорбирующим кислород слоем, влагопоглотителями и барьерные пленки с
антимикробным действием. В перспективе ведутся разработки с индикаторами свежести и датчиками «температура–время». В последние годы
из большого числа разработанных активных систем лишь немногие имели коммерческое значение. К ним относятся упаковки с адсорбентом кислорода, влаги, пленки с антимикробными добавками.

Термин «активная антимикробная упаковка» появился в начале 1990-х годов. В Японии уже используется антимикробная упаковка, действующими ингредиентами которой являются серебро, васаби и этанол. В настоящее время исследования в этой области активно
проводятся в разных странах. В качестве активных добавок используются композиции органических и неорганических кислот и их солей, например бензойной кислоты, консерванты природного происхождения, химические консерванты, консерванты на основе ионов серебра.
Сдерживающим началом в использовании их в составах материалов, контактирующих с продуктами питания, являются гигиенические аспекты.
В России разработка активных упаковочных материалов главным образом проводится в области биологически активных систем, в частности пленок с антимикробными свойствами. Активно разрабатываются добавки на основе ионов серебра, в том числе в наноформе, а также с использованием природных и химических консервантов.

ГНУ ВНИМИ совместно с МИПП-НПО «Пластик» разработали упаковочные материалы, содержащие экстракт бересты, которые эффективны по отношению к бактериям группы кишечной палочки и дрожжам. Материалы антимикробного действия с активными ионами серебра используются как антибактериальное покрытие на полимерной посуде. Покрытие разработано ООО «ТЭК Техоснастка» совместно с учеными из национального исследовательского центра «Курчатовский институт». Примером нового поколения антимикробных материалов, доведенных до
промышленной реализации, являются антимикробные добавки в виде концентратов на полимерной основе АДМ «Баско», которые производит ООО НПФ «Барс-2». Концентраты по физической форме «гранулят» состоят из полиолефинов или полистирольных пластиков и диспергированных в них пищевых добавок широкого спектра антимикробного действия. Добавки разрешены для контакта с пищевыми продуктами.

Как показали исследования в специализированных центрах, использование концентратов при получении одно- и многослойных пленок, а также
изделий из полиолефинов, полистирола и других пластиков обеспечивает их высокое защитное действие в течение длительного срока (плесневые грибы, дрожжи, условно-патогенная микрофлора).

В настоящее время НПФ «Барс-2», МПП-НПО «Пластик» и ООО «Синтез-хим» разработаны концентраты и пленки с использованием добавок многопрофильного пролонгированного действия, сочетающих широкий спектр антимикробного действия и структурную модификацию полимерных пленочных слоев, а именно их барьерные характеристики.

Новые материалы перспективны для упаковки молочных продуктов с развитой поверхностью (творога, творожных изделий, сыров, масла, спредов и т.д.), поскольку при упаковке реализуется плотное прилегание продукта к поверхности активной пленки. Последнее способствует эффективной реализации защитного действия добавки и материала пленки.

В молочной промышленности области использования многослойных гибких упаковочных материалов представляются следующими:

• замена фольги, бумаги, ПВХ, жесткой ПЭТ-тары, замещение пленок и покрытий из ПВДХ на материалы с EVON и полиамид;
• замещение металлизированных материалов на прозрачные пленки для крышек, поддончиков, упаковок типа пакет-коробки;
• увеличение доли продуктов в мелкой фасовке, упакованных с использованием вакуум- и термоусадки;
• увеличение доли высокобарьерных и активных пленок для упаковки готовых продуктов, блюд быстрого приготовления, в других технологиях переработки молока, а также в сыроделии, в частности при созревании сыров;
•  упаковка продукции с гарантированным длительным сроком хранения, в том числе в модифицированной газовой среде;
•  замещение традиционной упаковки с целью улучшения внешнего вида и формы.

Источник: журнал "Молочная промышленность". 2012. № 1. С. 14-17.