La prochaine génération de processus de barrière claire pour les matériaux d'emballage souples durables
Contexte et introduction
Les couches barrières inorganiques transparentes telles que l'oxyde d'aluminium (AlOx) et l'oxyde de silicium (SiOx) existent maintenant depuis plusieurs décennies et on trouve de plus en plus de produits sur les rayons des supermarchés qui contiennent ces revêtements déposés sous vide comme principale couche fonctionnelle. Avec des applications allant de l'emballage sous vide pour les barres nutraceutiques et céréalières (par exemple Kind bar), du matériau de couverture (comme celui utilisé pour les pots de fruits Dole) aux sachets de riz pour micro-ondes comme Uncle Ben's, il y a eu et il y a toujours un intérêt croissant pour ces couches barrières et le marché de l'AlOx/SiOx continue de croître à un taux estimé de 7 à 8 % par an. Le marché des emballages souples à barrière claire est néanmoins toujours dominé par les films barrière transparents à base de polymères, qui sont des films enduits de chlorure de polyvinylidène (PVDC) et des films coextrudés en copolymère éthylène-alcool vinylique (EVOH) ; toutefois, les couches barrière inorganiques en céramique offrent des avantages décisifs par rapport à ces films, tels que leur performance barrière supérieure, leur insensibilité à l'humidité, leur nature sans chlore ou leur épaisseur dans la gamme des nm. Par rapport aux films polymères métallisés opaques, les films revêtus d'AlOx et de SiOx sont uniques en ce qu'ils offrent une visibilité du produit, une aptitude aux micro-ondes et une adéquation aux détecteurs de métaux.
Ces dernières années, de nouveaux facteurs ont fait leur apparition, ramenant les couches barrières inorganiques transparentes sous les feux de la rampe. L'un d'eux est une tendance à la déstratification (illustrée à la figure 1), l'objectif étant de remplacer les structures triplex par des structures duplex afin de simplifier les structures et de réduire les coûts. En raison de la nature transparente des couches barrières d'AlOx et de SiOx, celles-ci peuvent être imprimées en sens inverse, ce qui permet de réduire les couches, la couche barrière et la couche d'impression étant toujours intégrées dans le stratifié. Dans le cas des films métallisés, une structure duplex n'est possible que si la bande d'étanchéité est métallisée ou si la structure du laminé est imprimée en surface (ces deux options posent des problèmes supplémentaires).
L'autre facteur est la durabilité, avec un accent particulier sur le développement de solutions d'emballage flexible mono-matériau pour la recyclabilité. Ainsi, les couches barrières transparentes ont montré une recyclabilité prometteuse lors des tests des propriétés physiques des matériaux recyclés (comme indiqué dans le rapport du projet REFLEX [1]) et, de plus, elles ne posent pas de problème potentiel lors de la phase de tri des déchets.
Bobst Manchester a commencé à développer son procédé AlOx original (GEN I) en 2007 et la technologie a finalement été entièrement produite après deux ans, la première machine pour la production industrielle d'AlOx étant sortie en 2010. Ce travail initial était principalement axé sur le polyéthylène téréphtalate (PET) comme substrat, qui, en raison de sa nature polaire et de ses propriétés supérieures de résistance mécanique et thermique, était le matériau de choix à l'époque. Néanmoins, avec la volonté de durabilité mentionnée ci-dessus, l'accent est maintenant de plus en plus mis sur les films à base de polyoléfines tels que le polypropylène orienté biaxialement (BOPP) et afin de répondre à la demande croissante d'emballages durables mono-matériaux en termes de transparence et de performance de barrière, Bobst Manchester a développé son nouveau procédé de dépôt AlOx GEN II.
Retour - procédé BOBST AlOx GEN I
Le procédé BOBST AlOx GEN I utilise l'évaporation thermique réactive sur un métalliseur roll-to-roll standard de type bateau avec une géométrie d'injection d'oxygène qui a été optimisée pour les substrats de films PET. Les niveaux de barrière, en termes de taux de transmission de l'oxygène (OTR) et de taux de transmission de la vapeur d'eau (WVTR), qui peuvent généralement être atteints avec ce procédé sont résumés dans le tableau 1. Alors que les niveaux de barrière obtenus pour le PET répondent aisément aux exigences des applications d'emballage alimentaire, les films BOPP de qualité d'emballage standard (généralement des films coextrudés à trois couches avec des couches de peau en co- ou terpolymère et un noyau en homopolymère) se sont avérés être un matériau de base plus difficile à appliquer pour l'AlOx. Des niveaux de barrière comparables à ceux du PET revêtu d'AlOx ne peuvent être atteints qu'avec l'utilisation de films BOPP "spéciaux" tels que le film BOPP UHB (ultra-haute barrière) mentionné dans le tableau 1. Cette question sera examinée plus en détail dans les sections suivantes.
État de l'art - solutions de barrière AlOx BOPP
Lorsque l'on examine les options de films BOPP enduits d'AlOx à haute barrière dont la performance de barrière est comparable à celle des films PET transparents ou métallisés enduits d'une barrière, il existe actuellement deux solutions qui répondent à ces exigences et permettent d'atteindre les OTR et WVTR visés de moins de 1 cm³/(m² d) et de 1 g/(m² d). Ces deux options ont été explorées par Bobst Manchester, qui travaille en étroite collaboration avec l'industrie sur toute la chaîne de valeur des matériaux d'emballage souples.
La première solution est l'utilisation d'un film BOPP enduit en ligne (ILC). Sur ce sujet, Bobst Manchester a collaboré avec Brückner Maschinenbau GmbH & Co. KG (Siegsdorf, Allemagne), un fabricant de lignes de films pour l'orientation biaxiale et Mitsui Chemical Europe GmbH (Düsseldorf, Allemagne ; faisant partie de Mitsui Chemicals Inc., Tokyo, Japon) un fabricant de revêtements et de résines polymères. Le processus de production et la structure du film sont représentés schématiquement sur la figure 2. Le film de base BOPP est un film coextrudé à 3 couches avec une couche de peau Mitsui ADMERTM (couche favorisant l'adhérence) sur laquelle un revêtement Mitsui TAKELACTM est appliqué en ligne entre la machine et l'orientation en direction transversale (MDO & TDO) sur la ligne de film.
Les résultats obtenus en utilisant le procédé de barrière claire BOBST AlOx GEN I en combinaison avec le film BOPP ILC décrit ci-dessus sont résumés dans le tableau 2. Bien que le revêtement TAKELACTM possède certaines propriétés inhérentes de barrière à l'oxygène, c'est seulement la combinaison avec la couche barrière AlOx déposée sous vide qui donne un OTR moyen de 1 cm³/(m² d) et un WVTR inférieur à 1 g/(m² d).
La deuxième option est l'utilisation d'un film de BOPP co-extrudé (généralement à 5 couches) avec un polymère spécial de la couche de peau qui donne une énergie de surface élevée et favorise ainsi la nucléation et la croissance d'une couche dense d'AlOx avec une performance de barrière remarquable. Depuis 2011, Bobst Manchester travaille avec Brückner Maschinenbau GmbH & Co. KG pour tester des films BOPP avec différentes couches de peau en combinaison avec des couches barrières de métallisation AlOx transparentes et aussi Al opaques. Une telle solution de film BOPP est maintenant disponible dans le commerce chez Indopoly (PT Indopoly Swakarsa Industry Tbk, Jakarta, Indonésie), qui a collaboré en tant que fournisseur de films avec BOBST sur des matériaux et structures d'emballage flexibles mono-matériaux à base de PP pour l'exposition K-show 2019. Plus de détails sur les performances de barrière qui peuvent être obtenues en utilisant ce film seront abordés dans la section suivante.
Dernière innovation - BOBST AlOx GEN II
Comme indiqué au début de cet article, le nouveau procédé BOBST AlOx GEN II est un développement récent qui a commencé en 2018. AlOx GEN II est la dernière avancée en matière de dépôt de barrière transparente AlOx, utilisant une nouvelle géométrie d'injection d'oxygène qui a été spécifiquement développée et optimisée pour donner une meilleure performance de barrière des films enduits d'AlOx à une densité optique réduite, qui à son tour permet des couches barrières AlOx plus transparentes. Ceci est particulièrement avantageux pour les substrats à base de polyoléfines tels que les films BOPP. Le procédé AlOx GEN I, qui, au cours de son développement, a principalement ciblé le film PET, implique un processus de vieillissement hors ligne qui améliore la transparence ainsi que les propriétés de barrière à l'humidité. Le procédé AlOx GEN II permet d'obtenir des films plus transparents et plus résistants à l'humidité, même si un certain degré de vieillissement hors ligne est encore nécessaire.
Pour les travaux dont il est question ici, trois essais ont été réalisés sur un BOBST EXPERT K5 (utilisant un film BOPP coextrudé à 5 couches produit par Indopoly), ce qui a permis de varier le réglage de la transparence AlOx sur la machine. Les résultats de la barrière et de la transparence/densité optique sont résumés dans la figure 3. Comme on peut le voir, le réglage de la transparence sur la machine a un impact sur la performance de la barrière. Alors que l'OTR n'est que légèrement affecté, l'impact sur le WVTR est beaucoup plus prononcé. Néanmoins, dans tous les cas, les OTR et WVTR moyens sont inférieurs à la performance de barrière cible pour le remplacement du film PET métallisé (OTR < 1 cm³/(m² d) et WVTR <1 g/(m² d)). Les niveaux d'OTR atteints sont remarquables, avec des valeurs d'environ 0,2 cm³/(m² d) ou moins pour tous les paramètres. Le WVTR moyen est de 0,33 g/(m² d) pour le réglage 1, de 0,54 g/(m² d) pour un réglage moyen 2 et de 0,98 g/(m² d) pour le réglage 3. Lorsque l'on examine la transparence optique et les performances de vieillissement du réglage 2 (illustrées dans le graphique de droite de la figure 3), on peut voir que la DO du film de base de 0,02 est atteinte en un seul jour, ce qui indique une baisse de la DO de 0,01 pendant cette période.
Sur la base des enseignements tirés du projet de conversion AlOx [2], qui s'est déroulé de 2013 à 2016, on sait que pour poursuivre la conversion des films de BOPP UHB AlOx produits, une couche de finition doit être appliquée pour protéger la fine couche barrière AlOx pendant les processus de conversion ultérieurs, tels que l'impression. La couche de finition barrière MFB 5770 spécifique à BOBST a été appliquée sur un BOBST CO 750 optimisé pour l'AlOx et les résultats avant et après la couche de finition sont présentés dans le tableau 3, ainsi que les performances de barrière du film de base UHB BOPP. Comme on peut le voir, cette couche de finition (bien qu'elle soit une formulation barrière à l'oxygène uniquement), améliore encore l'OTR ainsi que le WVTR près des niveaux de barrière de type film de 0,1 cm³/(m² d) et 0,1 g/(m² d)).
Résumé et conclusions
Dans le contexte actuel de durabilité, les solutions d'emballages souples mono-matériaux à barrière transparente ont été l'une des options envisagées par le marché afin de répondre au besoin de matériaux d'emballage souples entièrement recyclables (ou mieux "prêts pour le recyclage"). Toutefois, pour que ces solutions puissent remplacer les matériaux d'emballage souples existants, principalement à base de PET, des niveaux de barrière équivalents sont nécessaires. Le nouveau procédé BOBST AlOx GEN II offre une solution à ces exigences et, en combinaison avec le bon substrat de film BOPP, il présente un grand potentiel pour une solution d'emballage mono-matériau en PP barrière transparent entièrement recyclable.
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