Полистирольные пластики в упаковке (Часть 2) - Пластики - Каталог статей

Продолжение. Начало статьи здесь

Мы продолжаем публикацию статьи Михаила Григорьевича Рожавского, посвященной полистиролу, его истории, развитию, созданным на его основе материалам и их месту в современном производстве упаковки.

Вся совокупность представленных на рынке полистирольных пластиков является типичными термопластами, т.е. допускает возможность многократного процесса плавления и отверждения. А значит, перерабатывается всеми распространенными в промышленности способами: литьем под давлением, экструзией и пневмо- и вакуумформованием из листа.

Пожалуй, самым главным достоинством полистирола (ПСОН, УПС) является его жесткость, т.е. способность хорошо держать форму изделия, и относительно невысокая стоимость. Именно этими обстоятельствами обусловлено широкое применение полистирола в изготовлении жесткой формованной упаковки и одноразовой посуды. Собственно, этот сегмент изделий и начинался-то в 60-е годы с полистирола (Борисовский з-д «Полимиз»).

Только полистирол в те годы был еще «не очень»: и хрупковат, и с примесями. И так сложилось, что именно в СССР появились первые марки т.н. «пищевого» полистирола (марки УПС-0801), которые полностью удовлетворяли требованиям потребителей в отношении как механических, так и санитарно-гигиенических свойств (СГС).

Да, гранды мировой полимерной промышленности выпускали высокопрочные марки полистирола, но вот почему-то жестким требованиям Госсанэпиднадзора СССР они соответствовали лишь по временным разрешениям. И здесь надо бы дать более развернутое пояснение.

СГС материалов, используемых для контакта с пищевыми продуктами, включают в себя несколько основных показателей:

запах и привкус, придаваемый упаковочным материалом пищевому продукту, не должен превышать 1 балла;
допустимая концентрация миграции (ДКМ) для мигрирующих в контактные среды веществ не должна превышать норм, установленных соответствующими органами на основании данных, представляемых специализированными исследовательскими учреждениями.
Так, сегодня для полистирола установлена норма ДКМ по стиролу не более 0,01 мг/л.

С запахом и привкусом понятно: не должен упакованный продукт чем-то еще пахнуть или иметь посторонний привкус. А вот как устанавливаются нормы ДКМ?

Для начала производится определение в пластике всех веществ, которые могут выделиться из него в процессе стадий жизненного цикла, связанных с упакованным продуктом. Вытяжки делаются при различных температурах и в различных средах. Выделяющиеся вещества качественно и количественно определяются методом газо-жидкостной хроматографии. Как правило, токсикологическая характеристика этих веществ уже внесена в справочники: просто возьми и поставь соответствующие ограничения. Однако не все так просто.

После того, как определены зависимости миграции опасных веществ от их содержания в пластике и от различных условий контакта пластика с пищевыми продуктами, в дело вступают токсикологи и медики. Эти специалисты проводят эксперименты не только по индивидуальному воздействию каждого из выделяющихся веществ на живые организмы, но и по комплексному их влиянию.

Наконец, в ходе длительных и тщательнейших экспериментов определяются те уровни, которые могут считаться безопасными. Но для практических целей определения принимаются еще более низкие уровни содержания мигрирующих веществ (скидка на индивидуальную чувствительность и прочие случайности). И вот эти-то цифры и ложатся в основу рекомендаций по безопасности применения пластика.

Интересно, что до последнего времени отечественные гигиенические нормы были куда жестче западных. Во всяком случае, для импортных полимеров аналогичного назначения допускался уровень ДКМ по стиролу в 0,03 мг/л. Поэтому и не соответствовали импортные полимеры жестким отечественным требованиям.

В 90-е гг. часто приходилось встречать в СМИ статьи заказного характера о страшном вреде для здоровья человека полистирола, используемого в упаковке пищевых продуктов. Как правило, такие материалы публиковались почему-то не теми специалистами, кто десятилетиями проводил глубокие и всесторонние целевые исследования, а какими-то заводскими технологами с только что открывшихся предприятий. Их аргументация и была под стать уровню их компетенции в этих вопросах.

Квинтэссенцией их «логики» было вполне серьезное утверждение: «полистирол крайне вреден для здоровья человека потому, что сырьем для его производства служит стирол» - а стирол, дескать, это о-го-го какой вредный продукт! Что и говорить, сильный аргумент. Из разряда «ну а нашего соседа забирают, негодяя, потому что он на Берию похож!»

Зачем публиковались подобные глупости? А просто к этому времени технологам удалось решить проблему с катализатором для производства полипропилена, и этот пластик, став вполне «чистым», начал использоваться в секторе жесткой упаковки наряду с полистиролом, актив-но конкурируя с ним.

Здесь, видимо, самое время провести сравнение между двумя материалами. Какими явными преимуществами обладает полипропилен (ПП) перед полистиролом (ПС)?

Ну, во-первых, при комнатных температурах ПП гораздо меньше подвержен разрушению, чем ПС, который разрушается трещинообразованием. И хотя современные марки УПС обладают очень высокой прочностью и способностью противостоять внешним воздействиям, все же у ПП эта способность выше.

И это – одна из существенных причин того, что производители и продавцы сметаны стали активно использовать ПП вместо ПС для упаковки продукции. Баночки для сметаны и творога стали гораздо прочней, но и - мягче.

Другой вопрос: всегда ли нужна такая высокая прочность… Удивительно, но есть случаи, когда она, наоборот, вредна. Речь идет об FFS-упаковке (FFS – [Form-Fill-Seal] – [формовка – заполнение - запечатывание]).

Здесь в ходе одного производственного цикла происходит формование упаковочной емкости, ее антисептическая обработка, заполнение продуктом (например, йогуртом) и запаивание покровным материалом.

Как правило, такие упаковки выпускаются в виде блоков, а отдельную баночку необходимо потом «выламывать» вручную. Так вот, механизм разрушения полимеров здесь играет весьма важную роль: если разрушающийся трещинообразованием ПС позволяет легко осуществить эту операцию (буквально «выщелкнуть» банку из блока), то с ПП возникают проблемы, т.к. материал трудно разрушить.

Вторым безусловным преимуществом ПП является более низкая плотность – 0,901 г/см3 против 1,05 г/см3 у ПС. Однако более высокая жесткость ПС позволяет ему все же конкурировать с ПП в изделиях.

Третьим серьезным преимуществом ПП, безусловно, является его теплостойкость: если для ПС кратковременно возможно использование при температуре до 85-87°С, то обычные марки ПП выдерживают условия микроволновой печи, а это уже 115-120°С.

И, наконец, четвертое важнейшее преимущество ПП - его жиростойкость. ПС по своей природе не является жиростойким материалом, и под внешним воздействием разрушается в присутствии растительных жиров.

Да, конечно, сегодня существуют (и даже не отличаются по цене от стандартных) марки ПС, которые способны выдерживать нагрузки даже при контакте с жирами. Однако этот эффект является все равно ограниченным по времени, и для упаковки майонезов, например, гораздо практичнее использовать все же ПП.

Теперь – о преимуществах ПС перед ПП.

Мы уже говорили о жесткости и прозрачности. Но вот два слова о сравнительной перерабатываемости этих ПМ сказать будет уместно. Дело в том, что очень большой объем этих полимеров перерабатывается методом экструзии с последующим формованием из полученного листа (ленты).

И именно процесс термоформования требует для ПП существенно более серьез-ного внимания, чем для ПС: во-первых, сам температурный интервал формования для ПП (5-10°С) гораздо ýже, чем для ПС (20-30°С), а во-вторых, частично кристаллическая природа ПП предопределяет для отформованных из этого ПМ изделий необходимость вырубки в форме.

А это, в свою очередь, означает, что машины для формования из ПП должны иметь совмещенную станцию формования и вырубки, что значительно удорожает линию. Строго говоря, для ПП еще и нагрев ленты перед формованием осуществляется более сложным способом.

Будучи более высокотемпературным пластиком, ПП требует бóльшего времени на нагрев и охлаждение перерабатывающих машин, что приводит к снижению их производительности при переходе с ПС на ПП и отрицательно сказывается на себестоимости продукции. Разумеется, все эти проблемы решены конструкторами полимерперерабатывающих машин, поэтому ПП все активнее вытесняет ПС в сегменте жесткой формованной упаковки.

Но есть свойство, которое ПП не может пока обеспечить на уровне ПС: морозостойкость. Это свойство полимеров противостоять нагрузкам при пониженных температурах. Для обычных марок УПС эксплуатация изделий разрешена при температурах до -18÷-20°С, для жиростойких – до -30÷-40°С, в то время как для обычных марок ПП этот предел не превышает -5÷-10°С.

Такой морозостойкости явно недостаточно для процессов упаковывания с технологией шоковой заморозки, и здесь ПС предпочтительнее ПП. Справедливости ради нужно заметить, что в последнее время в эту область довольно активно внедряется другой конкурент ПС – ПЭТ, морозостойкость которого составляет до -60°С.

Целесообразно отдельно остановиться на таком материале, как двухосноориентированный полистирол или БОПС. В принципе, это тот же самый ПСОН, однако исходную ленту для формования изделий из этого материала предварительно подвергают двухосной вытяжке.

В результате само формованное изделие обладает большей степенью двухосной ориентации, чем изделие, отформованное из обычной ленты. Процесс двухосной ориентации позволяет сориентировать макромолекулы ПС во взаимно перпендикулярных направлениях (вдоль и поперек направления экструзии).

В результате материал приобретает повышенные прочностные свойства: так, лента для формования из ПСОН обычными экструзионными методами получена быть не может (из-за хрупкости ее невозможно свернуть в рулон), лента же БОПС прекрасно рулонируется и затем разматывается для формования.

Кроме того, двухосная ориентация резко увеличивает стойкость ПС к растрескиванию под действием напряжений и пищевых жиров.

Происходит это, по-видимому, вследствие изменения механизма разрушения материала. Обладающие великолепным внешним видом и прозрачностью БОПС-изделия находят широкое применение для упаковки кондитерских изделий, салатов и другой продукции.

Рассказ об упаковке из ПС был бы далеко не полным, если бы не включал в себя информацию о пенопластах. Полистирольные пенопласты представлены на рынке двумя основными типами: EPS (expanded polystyrene) и XPS (extruded polystyrene).

EPS-изделия получают из ВПС с помощью т.н. «беспрессового» метода. Он заключается в том, что исходный ВПС помещают в металлическую форму и с помощью острого пара вспенивают и спекают в форме.

В результате получаются легкие формованные изделия, использующиеся в области упаковки, в основном, в качестве вкладышей и прокладок для бытовой техники и электроники; для пищевой упаковки такие изделия используются мало (большие лотки для рыбы и морепродуктов, маленькие лотки для мяса). Изделия имеют характерный внешний вид с крупнопористой структурой.

XPS-изделия получают по принципиально иной технологии: специальные марки ПСОН пропускают через особым образом сконструированную экструзионную установку, куда одновременно с полимером подается также и газ-вспениватель.

На выходе из экструдера полимер вспенивается, а из получаемой таким образом ленты формуются затем разнообразные изделия – от мелких подложек до упаковки для яиц и сложных контейнеров. По внешнему виду такие изделия разительно отличаются от EPS-изделий: их поверхность отливает жемчужным блеском, а закрытопористая структура служит надежным барьером для влаги.

Будучи сравнительно новыми, XPS-изделия нашли широчайшее применение для упаковки самых разных пищевых продуктов: кондитерских, мясных, рыбных, сухих сыпучих, нарезок, твердых сыров, а также фастфуда. XPS-изделия превосходят плотные упаковки аналогичного применения по толщине, но меньше весят, что позволяет относить их к одному из самых экономичных способов упаковки (вспомним принцип «упаковки должно быть как можно меньше!»).

Такие изделия прекрасно держат растительные жиры, обладают самой высокой теплоизолирующей способностью (что бывает нужно, но бывает и вредно) и великолепной формоустойчивостью, позволяющей оборачивать их термоусадочной пленкой, дополнительно защищающей упаковываемый продукт.

Но и этого мало! Современные XPS-лотки по желанию клиента могут изготавливаться во влаговпитывающем исполнении. Такой лоток отводит жидкость, образующуюся при оттаивании замороженного продукта, и надежно изолирует ее. Это позволяет продлевать сроки годности быстропортящихся в присутствии жидкости мясных изделий.

К сожалению, несмотря на давнюю историю, упаковочные возможности полистирольных пластиков использованы лишь в весьма небольшой степени. Так, АБС-пластик по причине относительной дороговизны служит только для изготовления методом литья под давлением немногочисленных типов баночек и контейнеров, использующихся для упаковки паштетов и некоторых других продуктов. Рынок регулирует применение полимеров в производстве различных видов упаковки.

В наше время – время бурного развития полимерной отрасли – полистирольные пластики занимают заметное место в области упаковки. Достойно конкурируя со все новыми и новыми полимерами, они, тем не менее, пользуются устойчивым спросом.

Не будем также забывать и о том, что сами эти полимеры постоянно развиваются, предоставляя промышленности возможность пользоваться вновь открывающимися свойствами. И это дает основания полагать, что такой прекрасный и заслуженный полимер, как полистирол, еще долго будет помогать нам решать проблемы упаковки.