Opakowanie jest zasadniczym elementem w łańcuchu dostawy produktu do konsumenta. W każdym stadium musi ono spełniać określone wymagania. W artykule podano wymagania stawiane opakowaniom na poszczególnych etapach jego stosowania.

Wymienione powyżej wymagania dotyczą zastosowania opakowań do żywności, ale również podobne kryteria dotyczą materiałów do pakowania innych wyrobów. We wszystkich dziedzinach idealnym rozwiązaniem są opakowania z tworzyw sztucznych, albowiem różnorodność tworzyw, a więc różnych właściwości, pozwala uzyskać optymalne opakowanie do określonego produktu. Ponadto wyrobom z tworzyw sztucznych można nadać odpowiednie kształty, a także przetwarzać je różnorodnymi metodami przetwórstwa.
Rodzaje opakowań z tworzyw sztucznych

Zalety opakowań z tworzyw sztucznych wynikają z właściwości fizycznych i chemicznych zastosowanych tworzyw. Mogą to być opakowania wykonane z jednego rodzaju tworzywa, mogą stanowić połączenie wielu materiałów tworzywowych lub połączenie z innymi materiałami, np. papierem czy folią aluminiową. Opakowania z tworzyw sztucznych mogą być zarówno sztywne, jak i elastyczne. Do pakowania produktów spożywczych najbardziej rozpowszechnione są dwa rodzaje opakowań: folie i butelki.
Ponadto stosuje się połączenia z innymi materiałami, np.: papier/ tworzywo sztuczne, karton/ tworzywo sztuczne i folia aluminiowa/ tworzywo sztuczne.

Folie opakowaniowe

W tabeli 2 podano przyrost produkcji folii i całkowity przyrost produkcji tworzyw sztucznych (stosowanych między innymi do wytwarzania folii) w Europie przez ostatnie 6 lat.
Największy przyrost produkcji folii opakowaniowych odnotowano w przypadku folii z polietylenu liniowego małej gęstości (PE-LLD).
Spośród szerokiej gamy tworzyw sztucznych stanowiących bazę materiałową do wytwarzania folii największą dynamikę rozwoju wykazują poliolefiny. Folie poliolefinowe jedno- lub wielowarstwowe mogą być stosowane dopakowania wielu produktów w zależności od układu warstw.
Tworzywa sztuczne różnią się właściwościami optycznymi, przepuszczalnością gazów, zgrzewalnością, mechanicznymi i termicznymi właściwościami, odpornością chemiczną.
Równowaga tych właściwości i cena decydują o zastosowaniach podstawowych tworzyw sztucznych w produkcji folii, co przedstawiono w tabeli 3.
Każdy polimer stosowany w opakowaniach charakteryzuje się swoistymi właściwościami fizycznymi i chemicznymi, charakterystyką przetwórstwa oraz poziomem cen. Wszystkie te cechy decydują w końcowym efekcie o zastosowaniu do pakowania określonych produktów.
Poniżej na rysunku przedstawiono właściwości barierowe na tlen i parę wodną wybranych polimerów. Jednym ze sposobów otrzymywania optymalnych opakowań jest połączenie różnych polimerów. Projektując opakowanie, należy brać pod uwagę przede wszystkim ochronę pakowanego wyrobu, a także cechy użytkowe opakowania, w tym również cenę.
Butelki i pojemniki

Od 25 lat obserwuje się bardzo wysoki wzrost zużycia poli(tereftalanuetylenu) do wytwarzania butelek do pakowania napojów gazowanych.
O zastosowaniu do tego celu PET zadecydowały ogólne korzyści z zastosowania tworzyw zamiast szkła i metali, a ponadto właściwości charakterystyczne PET w porównaniu z PE i PVC.
Główne korzyści wynikające z zastosowania tworzyw sztucznych zamiast szkła i metali wynikają:
• z obniżenia masy opakowania o 85%w stosunku do opakowań z materiałów tradycyjnych, a to się wiąże ze zmniejszeniem ilości energii i paliwa stosowanych podczas produkcji, manipulowania i transportu produktów, a także odpadów poużytkowych;
• łatwego do otwierania zamknięcia butelek (gwintowane nakrętki);
• z tego, że opakowania są nietłukące;
• z możliwości zastosowania bezpiecznych nakrętek, tzw. Bezpiecznych przed dziećmi;
• lepszej odporności chemicznej i niezmieniania smaku przez zapakowane napoje;
• z łatwego wytwarzania techniką rozdmuchiwania dostosowanego do masowej produkcji opakowań z dużą wydajnością.

Natomiast o masowym zastosowaniu poli(tereftalanu etylenu) zamiast PE czy PVC zadecydowały:
• przydatność do napełniania na gorąco;
• możliwość przenoszenia opakowań z PET bezpośrednio z zamrażarki do mikrofalówki;
• doskonała przezroczystość w porównaniu z PE;
• lepsza równowaga przepuszczalności gazów i wilgoci w porównaniu z PE, a tlenu i CO2 w porównaniu z PVC, w tabeli 4 zestawiono parametry przepuszczalności trzech tworzyw sztucznych stosowanych do wytwarzania butelek(wyniki uzyskano w takich samych warunkach i wyrażono w takich samych jednostkach w odniesieniu dookreślonego gazu).

Wprowadzenie na rynek nowych typów PET umożliwiło:
• wytwarzanie butelek do piwa, pasteryzowanego na gorąco po napełnieniu butelki;
• blendy PET/PEN lub kopolimery o właściwościach estetycznych podobnych do szkła, a mających trwałość i korzyści puszek metalowych;
• zastosowanie tworzyw „wychwytujących tlen” mieszanych z PET do wytwarzania mniejszych jednorazowych butelek do napojów gazowanych.

Ostatnio stosowane są również butelki PET powlekane innymi tworzywami, dzięki czemu butelki te stanowią barierę dla gazów. I tak stosuje się:
• PET powlekany warstwą barierową epoksy-aminową;
• PET z powłoką plazmową wydłużającą trwałość zapachu.

Coraz częściej są produkowane opakowania butelkowe wielowarstwowe z warstwą barierową taką, jak: poliamid lub kopolimer etylen–alkohol winylowy lub z warstwą wewnętrzną wytwarzaną z surowca pochodzącego z recyklingu.
Ostatnio firma Amcor PET Packaging wdraża „przyjazne opakowania”, polegające na wprowadzeniu do polimeru specjalnych wskaźników informujących o świeżości zapakowanego produktu. Rozwój technologii napełniania pojemników PET na gorąco w atmosferze azotu pozwala na wydłużenie okresu przydatności do spożycia pakowanych produktów spożywczych.

Połączenia tworzyw sztucznych z innymi materiałami

Niejednokrotnie tworzywa łączy się z innymi materiałami, aby uzyskać specyficzne właściwości danego opakowania, np. często stosuje się opakowania do pakowania leków typu blister, w których połączona jest folia aluminiowa z przezroczystą folią z tworzywa sztucznego. Innym ciekawym przykładem jest opakowanie piwa –butelka wykonana z PET pokryta jest wewnątrz cienką warstwą dwutlenku krzemu (o grubości mniejszej od 0,0002 mm). Warstewka krzemionki charakteryzuje się właściwościami zbliżonymi do szkła i w związku z tym pełni funkcję ochronną przed przenikaniem tlenu, a korzyści wynikające z zastosowania butelki tworzywowej są zachowane, a mianowicie: mała masa, opakowania nie tłuką się, mniej energii potrzeba na wytworzenie opakowania i koszty transportu są niższe. Klasycznym przykładem jest materiał wielowarstwowy„karton – folia aluminiowa – polietylen” do pakowania soków owocowych.
Specjalne dodatki przedłużające trwałość pakowanych produktów

Nowa generacja różnorakich dodatków do tworzyw sztucznych pozwalana otrzymywanie tworzyw o zdecydowanie lepszych właściwościach, a dzięki temu zwiększa się możliwość ich stosowania w przemyśle opakowaniowym.
Wymagania użytkowników dotyczące pakowanych produktów zmuszają przemysł dodatków do tworzyw sztucznych do uzyskiwania nowych efektów, a tym samym lepszych właściwości materiałów opakowaniowych, takich jak:
• właściwości barierowe przy niskich kosztach;
• ochrona pakowanych produktów przed promieniowaniem UV;
• wydłużenie okresu przechowywania żywności;
• zapewnienie permanentnych właściwości antyelektrostatycznych przez cały okres przechowywania zapakowanego produktu;
• transparentne opakowania produktów ze względów estetycznych (przezroczyste opakowania z polipropylenu ze względu na stosunkowo niską cenę).

Najnowsze kierunki dotyczące materiałów opakowaniowych z tworzyw sztucznych to:
• ochrona pakowanych produktów przed promieniowaniem UV – jest to szczególnie ważne w przypadku barwionych produktów spożywczych i kosmetyków; wydłużenie okresu przechowywania można osiągnąć dzięki zastosowaniu specjalnych filtrów UV, absorbujących promieniowanie o długości fali 400 nm;
• zapewnienie właściwości antystatycznych przez cały okres użytkowania;
• zapewnienie właściwości barierowych dzięki stosowaniu nanonapełniaczy;
• utrzymywanie długiego okresu świeżości pakowanych produktów – dzięki zastosowaniu dodatków takich, jak:
a) absorbery tlenu,
b) absorbery etylenu,
c) środki antymikrobiologiczne.

Ochrona pakowanego produktuprzed promieniowaniem UV

W wielu przypadkach pakowane produkty są wrażliwe na promieniowanie UV i mogą ulegać zniszczeniu. Problem ten jest szczególnie ważny dla barwionych napojów i produktów kosmetycznych. W celu wydłużenia okresu przechowywania niezbędne jest stosowanie odpowiednich dodatków(tzw. filtrów UV), które wprowadza się do polimeru. Dodatki te absorbują tę część promieniowania słonecznego, która niekorzystnie wpływa na zapakowany produkt (na ogół jest to część widma słonecznego o długości fali poniżej 400 nm).
Polimerowe środki antystatyczne

Właściwości antystatyczne są zalecane w wielu zastosowaniach, np. w opakowaniach aparatury elektronicznej.
Zazwyczaj odpowiednimi dodatkami są sadza lub proszki metali, a także estry kwasów tłuszczowych w przypadku folii poliolefinowych, ale efekt działania tych ostatnich środków jest ograniczony w czasie. Ostatnio w niektórych typach opakowań stosuje się tzw. polimeryczne permanentne środki antyelektrostatyczne. Do tych ostatnich należą kopolimery blokowe polieter–poliamid (PEBA). Tworzą one sieć przewodzącą w matrycy polimeru– zazwyczaj dodaje się od 10 do 20 % PEBA. Zaletą stosowania permanentnych polimerycznych dodatków antyelektrostatycznych jest fakt, że zachowują właściwości również w atmosferze o niskiej wilgotności względnej, a także niewielki wpływ na modyfikację powierzchni wyrobów, co wpływa na poprawienie jakości drukowania i barwienia. Struktura polimeryczna pozwala na utworzenie „siatki przewodzącej”, co przedstawiono na rys. 2.

Właściwości barierowe

Właściwości barierowe są istotne w przypadku opakowań żywności konserwowanej i napojów gazowanych. Popularne polimery (poliolefiny) charakteryzują się dobrą przepuszczalnością gazów: tlenu, dwutlenku węgla i pary wodnej. W materiałach opakowaniowych efekty ograniczonej przepuszczalności gazów uzyskuje się dzięki zastosowaniu warstw barierowych, którymi są tworzywa o wysokiej krystaliczności – kopolimer etylen--alkohol winylowy (EVOH), poliamid(PA), poliestry (PET). Podobny efekt uzyskuje się w opakowaniach zawierających folię aluminiową.
Obecnie coraz częściej są stosowane nanonapełniacze glinkowe, których dodatek do polimeru, charakteryzującego się co najmniej średnimi właściwościami barierowymi, znacząco wpływa na poprawienie właściwości barierowych tego materiału. Budowa cząsteczki napełniacza pozwala na uzyskiwanie materiałów o właściwościach barierowych nawet w przypadku tradycyjnych tworzyw sztucznych, np. polipropylenu.
Na rys. 4 przedstawiono poglądowo przepływ tlenu przez materiał z tworzywa sztucznego zawierającego nanonapełniacze. Dzięki warstwowemu ułożeniu cząsteczek nanonapełniaczy tlen napotyka na przeszkody, a tym samym materiał opakowaniowy wykazuje lepsze właściwości barierowe na tlen. Nanonapełniacze glinkowe wpływają na znaczne podwyższenie właściwości barierowych poliamidu 6 przy zachowaniu funkcjonalnych właściwości tego materiału (np. odporność mechaniczna, przejrzystość, odporność na oleje i tłuszcze, możliwość napełniania na gorąco itp.).
Dodatki przedłużające świeżość

Konsumenci zwracają uwagę na świeżość pakowanych produktów, a z drugiej strony dąży się do wydłużenia okresu przydatności do spożycia wielu artykułów spożywczych. Najbardziej popularnym sposobem uzyskiwania efektu przedłużenia trwałości żywności jest stosowanie opakowań wielowarstwowych z warstwą stanowiącą barierę dla gazów, ale obecnie coraz bardziej popularne są tzw. „opakowania aktywne”. Opakowanie aktywne zmienia warunki wewnątrz opakowania w kierunku zachowania właściwości żywności przez długi okres. W tego typu opakowaniach najważniejszymi dodatkami są;
• absorbery tlenu;
• absorbery etylenu;
• środki wychwytujące CO2 i inne wydzielane substancje;
• dodatki antymikrobiologiczne;
• regulatory wilgotności;
• dodatki usuwające antyoksydanty;
• pochłaniacze zapachu i emitowanych substancji.

Stosowane są dwa systemy aktywnych opakowań:
• aktywne dodatki są umieszczane w małych torebkach w opakowaniu;
• aktywne dodatki są wprowadzane bezpośrednio do folii opakowaniowych.

Absorbery tlenu

W wielu przypadkach obecność tlenu powoduje psucie się żywności. Często stosowane technologie pakowania żywności w modyfikowanej atmosferze pakowania (MAP) lub pod próżnią nie usuwają całkowicie tlenu, pomimo że tlen nie przedostaje się do wewnątrz opakowania. Dodatki wychwytujące tlen są stosowane w celu wyeliminowaniu pozostałości tlenu w opakowaniu i tlenu przepuszczanego przez folię.
Folie opakowaniowe powinny cechować się przynajmniej średnimi właściwościami barierowymi, gdyż inaczej nastąpi szybkie nasycenie tlenem środków wychwytujących tlen i nie uzyska się odpowiedniej efektywności właściwości barierowych.

Absorbery etylenu

Badania wykazały, że etylen może być generowany przez owoce i warzywa, a jego obecność wpływa na przyspieszenie degradacji łańcucha polimeru, z którego wykonano folię. W celu absorpcji etylenu stosuje się dobrze zdyspergowane minerały, np. zeolity lub glinki.

Dodatki antymikrobiologiczne

Dodatki te przeciwdziałają rozwojowi mikroorganizmów na powierzchni zapakowanych produktów (bakterie, glony, pleśnie i grzyby). Jednocześnie efektywnie hamują odbarwianie zapakowanego produktu i zmiany zapachu. Mikroorganizmy mogą negatywnie wpływać na właściwości higieniczne i atrakcyjność pakowanych produktów. Do ochrony przed bakteriami stosuje się na ogół jony srebra nieorganicznego naniesione na krzemionkę.

Recykling opakowań wielowarstwowych

Folie wielowarstwowe i inne materiały opakowaniowe złożone z kilku warstw do niedawna nastręczały wiele problemów w przetwórstwie zużytych opakowań na drodze recyklingu. Obecnie w technologiach przetwórstwa wykorzystuje się różne kompatybilizatory ułatwiające przetwórstwo materiałów wielowarstwowych. W zależności od rodzaju przetwarzanych tworzyw sztucznych, stanowiących warstwy materiałów opakowaniowych, stosuje się różne kompatybilizatory. Dzięki tym rozwiązaniom zmniejsza się obciążenie środowiska naturalnego.

Podsumowanie

Nowa generacja dodatków pozwala uzyskać materiały opakowaniowe bardziej funkcjonalne. Nanokompozyty są bardzo obiecującą dziedziną, otwierającą nowe możliwości otrzymywania materiałów opakowaniowych o korzystniejszych właściwościach, a jednocześnie o niższej cenie. Również aktywne opakowania są dziedziną, która w najbliższym czasie będzie się rozwijać. Wprowadzenie na rynek nowych środków nukleujących i transparentnych pigmentów o niskiej migracji pozwala rozszerzyć zastosowanie polipropylenu, na przykład do pakowania kosmetyków i żywności. Technika współwytłaczania stanowi szansę na wykorzystywanie materiałów pochodzących z recyklingu, gdyż np. butelki do pakowania kosmetyków są wytwarzane jako opakowanie trójwarstwowe, w którym wszystkie warstwy są wykonane z PE-HD, przy czym środkową warstwę stanowi materiał pochodzący z recyklingu. Ponadto, jeżeli do barwienia są stosowane drogie pigmenty, to mogą być one zastosowane do barwienia warstwy zewnętrznej.
Literatura:
[1] M. BIRON: Thermosets and Composites – Technical Information for Plastics
Users, Elsevier 2004.
[2] F. PARDOS: Antec 2002 Proceedings, p. 2736.
[3] F. SZABO: International Polymer Science and Technology, Vol. 28,
No. 11, (2001), p. T/1.
[4] Modern Plastics International, 1997,2001, 2002.
Tworzywa Sztuczne i Chemia
NR 4 CZERWIEC/LIPIEC 2005 R.