多层阻隔技术:释放PET包装的潜力

作者:赫斯基注塑系统先进解决方案流程与技术团队  Peter Yankov 文章来源:PT《现代塑料》 发布时间:2018-04-29
本文介绍了一种用于PET瓶胚生产的多层阻隔技术。这是通过共注塑实现的一种完全集成的系统解决方案,不仅能以精确控制且尽可能低的阻隔材料用量实现优异的阻隔性能,还缩短了成型周期,减少了包装的总成本。

本文介绍了一种用于PET瓶胚生产的多层阻隔技术。这是通过共注塑实现的一种完全集成的系统解决方案,不仅能以精确控制且尽可能低的阻隔材料用量实现优异的阻隔性能,还缩短了成型周期,减少了包装的总成本。

如今,小包装得到了越来越多品牌商和消费者的青睐。对于PET阻隔包装而言,体积的减小需要进一步提升包装的阻隔性来满足产品保质期的要求。为此,本文介绍了一种用于PET瓶胚生产的多层阻隔技术。这是通过共注塑实现的一种完全集成的系统解决方案,不仅能以精确控制且尽可能低的阻隔材料用量实现优异的阻隔性能,还缩短了成型周期,减少了包装的总成本。

对于包装来说,不仅要容纳、分配产品,向消费者传递营销信息,更重要的是,至少要在保质期内为其内容物提供必要的保护。一些简单的应用例子包括:防止碳酸饮料中的CO2逸出,防止氧气接触敏感的果汁和酱汁产品,以及限制乳制品暴露于光照(包括可见光、紫外线或红外线)下等。

PET包装面临的挑战

自PET材料进入包装行业,人们就已认识到这种材料的优异性能,并将其用于许多食品、饮料、家居和个人护理产品的包装,以取代玻璃和铝质包装。虽然与其他包装用聚合物相比,PET有着更好的阻隔性,但它仍然是可透气的,这意味着包装的内容物会与环境之间发生一定程度的气体交换,而这通常成为了限制产品保质期的一个重要因素。

如今,消费者对小包装青睐有加(更容易控制含量,也便于随时随地消费),品牌商对上架产品实行差异化的需求也日渐强烈,小包装还能够使品牌商以广大潜在消费者能够接受的价格点向新兴市场推出其产品,这些市场趋势都预示着小包装的应用将越来越普遍。而尺寸的减小对包装是否能够为其内容物提供足够的保护提出了挑战。这是因为,气体进入(或损失)的速率与包装的表面积成比例,而允许进入或离开包装的气体总量由产品体积决定。随着包装体积的减小,表面积与体积之比不可避免地会增大,这就需要通过改善包装的阻隔性来满足必要的产品保质期的要求。

包装体积减小时,对阻隔性的要求提出了更高的挑战

提升PET包装的阻隔性

有多种方法可用于提升PET包装的阻隔性能,最终选择哪种技术取决于多个因素,包括:阻隔性能需要改善到何种程度、保持生产灵活性的需要、物流链的局限以及生产的总成本。

最简单的改善传统PET包装阻隔性的方法是,在加工前将PET材料与一种市售的阻隔材料混合。混合产物的耐透气性(被动阻隔)会得到改善,甚至可以主动捕获聚合物基质中的氧分子(活性氧清除剂)。这种方法除了聚合物计量和混合助剂之外,无需更换任何设备,在某些情况下或许是一种适当的解决方案。但最简单的解决方案往往伴随着较大的局限性,阻隔性改善因子与添加到PET中的阻隔材料量成正比,而随着阻隔材料含量的提高,PET瓶的清晰度和透明度通常会下降。这意味着,如果要保持需要的包装外观,阻隔性的改善程度是受限的。更重要的是,与多层包装相比,混合方案由于加入了阻隔材料,会导致成本增加,还会对产品的可回收性产生潜在的影响。

给瓶子施加涂层是改善单层PET包装耐气体渗透能力的另一个可选方案。通过在瓶子内表面涂覆一薄层玻璃状涂层,可以形成高效的防气体渗透被动阻隔。施加涂层的时机可以选择在吹塑工序之后,通过等离子系统进行涂覆。常用的涂层有氧化硅涂层和无定形碳涂层。其中,氧化硅涂层清澈透明,而无定形碳涂层会给透明包装增加浅黄色。

在操作层面上,由于耗材成本低,因此涂层方案还是比较具有吸引力的。但等离子涂层是吹瓶和罐装之间额外增加的工艺步骤,对瓶胚注塑厂商而言,要供应多个吹瓶生产点成为了一项挑战,此外还要考虑等离子涂层系统的供应商,以及所选涂层的类型。另外,阻隔涂层的质量控制比较有难度,是通过监测工艺参数完成的,特别是氧化硅涂层,只能使用诸如扫描电子显微镜的实验室级仪器来检测。更重要的一点是,这种涂层的效果可能受到瓶子变形的限制,破坏瓶子的完整性,使阻隔性改善的净效果下降。

相比之下,多层瓶胚技术为包装提供了更大的设计自由度,且包装变形程度对阻隔性几乎不产生影响,还可以加入活性氧清除剂材料,防止氧气进入,以降低顶部空间中的氧含量,必要时,还可以创造出能够提供光阻隔的多层结构。

多层瓶胚是通过顺序注塑或共注塑工艺而实现的。用这两种工艺得到的瓶胚包含一个独特的阻隔材料层,夹在PET的内层和外层之间。尽管在食品和饮料行业中通常会批准使用阻隔材料,但该技术的另一个好处是,只有PET层能与内容产品直接接触。另外,注塑之后的吹瓶和罐装步骤不需要改变现有的生产线。这意味着在需要时,生产商能够保持灵活性,通过运作一家中央注塑设备工厂来供应多个吹瓶和罐装地点的需求。多层瓶胚中的阻隔层分布质量可以通过非破坏性和破坏性的检查手段来确认。

CO2损失的比较:单层、单层混合与多层阻隔技术的比较

赫斯基的多层阻隔技术

赫斯基的多层阻隔技术是通过共注塑实现的一种完全集成的系统解决方案,以该公司HyPET HPP产品线一流的单层瓶胚性能和可靠性为基础。在此项技术中,由于PET和阻隔材料同时通过浇口流入型腔,因而缩短了注塑周期。此外,此技术还具备注塑薄壁瓶胚的能力。

在注塑过程中,多层熔体流在共注塑热流道的注嘴中形成,假设能保持相同的热流道注嘴间距和界面,标准模具的冷半模可以在单层和多层系统之间互换。虽然,共注塑系统必须配置两个注塑单元和一个共注塑热流道,以及必要的辅助和控制系统,但赫斯基的多层系统有着充分的灵活性,既可以运行单层模具(完整模具和热流道),也可以出于需求、季节性或目标市场的变化,在不更换模具的情况下生产单层瓶胚。

与混合了阻隔材料的单层PET瓶相比,将被动和主动阻隔材料作为多层包装中的浓缩层其隔阻效果更佳,且只需使用约50%或更少的混合阻隔材料,即可在多层阻隔包装中获得相同的阻隔改进因子(以及相关的保质期)。共注塑系统的效果已有报道,并在实验室研究中得到了证实。尽管被动阻隔和主动阻隔的机理不同,但对于需要使用氧气清除剂来避免产品与氧气接触的应用,以及必须将碳酸化保持在包装内部的被动阻隔应用,都可以通过多层技术实现。

尽管光阻隔应用不涉及气体扩散机制,但仍能从多层技术中获得类似的材料成本和包装性能方面的优势。例如,在室温下,乳制品(如超高温处理牛奶)的保存能力受制于多种因素,包括核黄素(维生素B2)的分解以及光照引起的蛋白质和脂肪的氧化,这些会对营养价值和口味造成影响。对于采用TiO2母料(用于形成不透明的白色)的单层瓶胚来说,TiO2的含量通常不会显著高于12%,因为超过一定值会造成无法拉伸吹瓶,这无疑限制了瓶子所能实现的光阻隔效果。相比之下,多层瓶胚在白色PET中包含了隐藏的黑色PET层,其透光性大大降低,对波长650nm的光最高可实现99.99%的阻隔效果,同时又减少了对昂贵的不透明白色添加剂的需求量。

另外,多层技术能够通过瓶胚拱顶提供不间断的阻隔层覆盖,从而提高了整个包装的阻隔性能,这对于对氧气和光敏感的产品尤为重要。特别是某些食品(如意粉酱汁)在包装内不容易被混合,可能导致在没有阻隔层覆盖的包装部分发生局部氧化,造成变质。赫斯基的热流道设计和控制系统允许以圆顶端部封闭或开放(瓶底有无阻隔层均可)的方式来注塑多层瓶胚,在前一种情况下,可提供出色的端部处理(后缘)控制或阻隔层。

多层阻隔技术可将阻隔层精确地设置在需要的位置。左图是偏置黑色层,远离表面趋向核心。右图是一个完全密封的瓶胚圆顶

2015年,赫斯基开始选择性地与一些客户合作,在市场上推广该多层阻隔技术。从那时起,客户已选择依靠这种解决方案来为各种产品提供包装,包括碳酸软饮料、矿泉水、果汁和酱汁,现在已扩展到乳制品、啤酒和个人护理产品。多层阻隔技术能让客户以相同的成本实现更长的保质期,或以更低的成本达到相同保质期,同时使注塑解决方案保持完全的灵活性,而不会对下游设备或物流造成额外的限制。

多层阻隔技术适用于各种应用,包括碳酸软饮料、矿泉水、果汁和酱汁,现已扩展到乳制品、啤酒和个人护理产品

成本对于包装生产非常重要。降低阻隔包装总生产成本的一个重要途径是精确地为具体的产品确定用量并分配适量的阻隔材料,同时保持赫斯基HyPET HPP系统的强劲生产力。在包装总成本中,原料成本占主要部分,而阻隔材料虽然在包装中所占的重量百分比较低(通常为2%~15%),但要比PET贵得多,因此如何确保将尽可能少且必需的阻隔材料输送到每个型腔,并以最有效的方式分布在瓶胚内变得至关重要。

这种先进的控制只有通过采用了独特的、最先进的热流道设计的完全集成系统才能实现。赫斯基多层阻隔瓶胚生产系统采用的共注塑热流道所基于的技术即使在所有控制装置尚未进行生产调整之前,也能实现前所未有的平衡度,这就减少了热流道中熔体流分裂的次数,而这正是造成热流道不平衡的一个重要因素。

多层阻隔技术将赫斯基经过验证的HyPET HPP5系统的优势与革命性的新型热流道相结合,实现了非常精确且用量可控的阻隔材料计量

这种热流道技术还提供了前所未有的设计自由度,优化了两种材料熔体输送系统的流道布局,实现了高精度的热控制。许多阻隔材料的熔点较低,且对温度的敏感性比PET高。过热和滞留时间过长可能导致材料降解,这不仅影响瓶胚和瓶子的质量,还会增加热流道翻新的时间。使用赫斯基的共注塑热流道,两种材料的输送系统是热分离的,并由嵌入式Altanium控制系统独立控制,确保当两种材料在浇口之前混合时,阻隔材料仅受PET加工温度的控制。

熟悉共注塑的加工商会认识到,可以通过降低和升高分流板和注嘴头的温度来调节热流道,以改善热流道平衡并确保熔体在多个浇口的流动和温度变化率尽可能均匀 。赫斯基热流道通过增加分流板区的数量和单独控温的注嘴头来实现控制的灵活性。传统的气动阀门系统已经升级为电动伺服的板驱动同步阀针式系统。同时,这种高度的平衡性意味着进一步调整性能所需要的温度范围显著降低,从而降低了阻隔材料所承受的最高温度。

传统的分流板会使熔体通道分离多次,这样会产生与剪切相关的不平衡

赫斯基的客户在实际生产中经过数百万个生产周期的使用后,对其热流道性能的稳定性作出了评价,这种稳定性不需要计划外的维护即可达到。当采用对温度敏感的阻隔材料生产时,在系统关闭和重新启动期间用PET清洗两个热流道熔体输送系统是一种很好的做法,而且现在已经实现自动化。当然,即使是最好的维护措施也难免发生意外,如异物污染原料。如果污染物颗粒进入热流道,最可能的堵塞的区域是热流道注嘴,因为这里的熔体通道最小。过去,这个部位是出了名的难以清洗,往往需要将整个热流道拆下。HyPET HPP5阻隔系统具有前置可拆卸注嘴设计,能在注塑机中通过锁定模腔板,使注嘴头露出来进行维护或更换热流道注嘴。

虽然共注塑比传统的单层注塑工艺复杂,但整个系统的运作通过赫斯基智能化、以瓶胚为中心的控制系统而将注塑流程和辅助设备的各个方面集成在一起。新产品生产的流程设置开始于为瓶胚质量制定单层工艺流程。在启动阻隔材料注入后,控制系统将根据阻隔材料的含量自动调整PET注塑曲线,并生成阻隔层的注塑曲线,这可由操作员进一步细调。对共注塑工艺陌生的客户发现赫斯基系统对用户友好,经过短时间培训后,即可放心地在生产中进行操作,同时可通过赫斯基服务网络快速、有效的支持来保障系统运行的各个方面。

赫斯基的多层技术为需要强化阻隔性能的食品和饮料包装提供了一个完整、集成的解决方案,具有很高的性价比、生产效率和灵活性,能让品牌商采用PET生产出更具吸引力的包装,提高PET包装材料的增长潜力。

早期的合作案例

在刚推出多层技术时,赫斯基与欧洲一家著名的瓶胚和PET瓶制造商合作,对这一解决方案进行了验证。两家公司共同致力于开发新的解决方案,推动PET行业向前发展,并开拓新的PET市场。当时,这家瓶胚和PET瓶制造商的共注塑阻隔层系统由于稳定性方面的问题正在维护,该公司非常期待能找到升级解决方案,因此这次合作对于双方而言都是绝佳的时机。

这家客户欧洲工厂中第一套多层系统的安装和启动得到了赫斯基地区服务工程师及来自加拿大安大略省博尔顿市总部的多层阻隔问题专家的全力支持。作为合格认证过程的一部分,该系统成功完成了两批多层瓶胚的不间断生产,一批是28g汽水瓶的瓶胚,另一批是14g果汁瓶的瓶胚。

在几个月之后对这些瓶子进行测试发现,其阻性能并未发生变化。而在过去,每当该公司测试替代品时,他们会发现在几个星期以后,瓶子的阻隔性能下降,但采用赫斯基多层技术生产的瓶子却不同于以往。不仅如此,该公司还发现,采用赫斯基的技术对阻隔层的重量控制得到了明显改善,含量控制的准确性和可重复性远优于目前所能达到的水平。在采用赫斯基的多层技术生产汽水瓶和果汁瓶瓶胚的过程中,阻隔层重量能控制在瓶胚总重的±0.5%,且注塑周期还缩短了40%。

与现有的共注塑技术相比,在完全相同的应用中,赫斯基的多层系统能以更一致的方式运行更长的时间,且无任何性能上的下降,同时还降低了对热流道的维护需求。现在,这家客户正继续与赫斯基就未来的多层阻隔项目展开合作。

0
-1
收藏
/
正在提交,请稍候…