Il processo di nuova generazione di barriere trasparenti per materiali di imballaggio flessibile sostenibile
Contesto e introduzione
Gli strati barriera inorganici trasparenti come l'ossido di alluminio (AlOx) e l'ossido di silicio (SiOx) sono ormai in circolazione da diversi decenni e vi è un numero crescente di prodotti che si possono trovare sugli scaffali dei supermercati che contengono tali rivestimenti depositati sotto vuoto come loro principale strato funzionale. Con applicazioni che vanno dagli avvolgitori di flusso per le barrette di nutraceutici e cereali (ad es. Kind bar), al materiale di rivestimento (come quello utilizzato per i vasi di frutta Dole) fino alle buste di riso a microonde come quelle dello zio Ben, c'è stato e c'è ancora un crescente interesse per questi strati barriera e il mercato AlOx/SiOx continua a crescere ad un tasso stimato dal 7 all'8 % all'anno. Il mercato dell'imballaggio flessibile con barriera trasparente è, tuttavia, ancora dominato dai film barriera trasparenti a base di polimeri, che sono film rivestiti in polivinilidene cloruro (PVDC) e film coestrusi in etilene vinil alcool copol etilenico (EVOH); tuttavia, gli strati barriera inorganici ceramici offrono vantaggi critici rispetto a questi film, come le loro superiori prestazioni barriera, l'insensibilità all'umidità, la natura priva di cloro o lo spessore della gamma nm. Rispetto ai film polimerici metallizzati opachi, i film rivestiti in AlOx e SiOx sono unici per quanto riguarda l'offerta di visibilità del prodotto, la microwavabilità e l'idoneità per i metal detector.
Negli ultimi anni sono emersi nuovi driver che riportano alla ribalta gli strati barriera inorganici trasparenti e trasparenti. Uno di questi è una tendenza ritardante (mostrato nella figura 1), per cui l'obiettivo è quello di sostituire il triplex con strutture duplex con l'obiettivo di semplificare le strutture e ridurre i costi. A causa della natura trasparente degli strati barriera AlOx e SiOx, questi possono essere stampati al contrario, consentendo così la riduzione dello strato con la barriera e lo strato di stampa ancora incorporati nel laminato. Nel caso dei film metallizzati, una struttura duplex è possibile solo se il nastro di sigillante è metallizzato o se la struttura del laminato viene stampata in superficie (entrambe le opzioni pongono ulteriori sfide).
L'altro driver è la sostenibilità, con un focus principale sullo sviluppo di soluzioni di imballaggio flessibile monomateriale per la riciclabilità. In questo modo, gli strati barriera trasparenti hanno dimostrato una promettente riciclabilità nel testare le proprietà fisiche del materiale riciclato (come indicato nel rapporto del progetto REFLEX [1]) e, inoltre, non rappresentano un potenziale problema durante la fase di selezione dei rifiuti.
Bobst Manchester ha iniziato il lavoro di sviluppo del loro processo originale AlOx (GEN I) nel 2007 e la tecnologia è stata infine completamente prodotta dopo due anni, con il rilascio della prima macchina per la produzione industriale AlOx nel 2010. Questo lavoro originale si è concentrato prevalentemente sul polietilene tereftalato (PET) come substrato, che per la sua natura polare e le superiori proprietà meccaniche e di resistenza al calore era il materiale preferito all'epoca. Tuttavia, con la suddetta spinta alla sostenibilità, l'attenzione si sta ora sempre più spostando verso i film a base poliolefinica come il polipropilene biassialmente orientato (BOPP) e per soddisfare la crescente domanda di imballaggi monomateriali sostenibili in termini di trasparenza e prestazioni barriera, Bobst Manchester ha sviluppato il nuovo processo di deposizione AlOx GEN II.
Throwback - Processo BOBST AlOx GEN I
Il processo BOBST AlOx GEN I utilizza l'evaporazione termica reattiva su un metallizzatore roll-to-roll di tipo standard con una geometria di iniezione di ossigeno ottimizzata per substrati di film PET. I livelli di barriera, in termini di velocità di trasmissione dell'ossigeno (OTR) e di velocità di trasmissione del vapore acqueo (WVTR), che possono essere tipicamente raggiunti con questo processo sono riassunti nella Tabella 1. Mentre i livelli di barriera ottenuti per il PET soddisfano prontamente i requisiti per le applicazioni di imballaggio alimentare, i film BOPP di grado standard per l'imballaggio (tipicamente film coestrusi a tre strati con strati di pelle co- o terpolimerici e un nucleo omopolimerico) si sono dimostrati un materiale di base più difficile su cui applicare l'AlOx. Livelli di barriera paragonabili al PET rivestito in AlOx possono essere raggiunti solo con l'uso di film BOPP "speciali" come il film BOPP UHB (ultra-high barrier) di cui alla Tabella 1. Di questo si parlerà più avanti nelle sezioni seguenti.
Stato dell'arte - Soluzioni di barriera AlOx BOPP
Quando si esaminano le opzioni per i film BOPP rivestiti in AlOx ad alta barriera con una prestazione di barriera paragonabile a quella dei film PET trasparenti o metallizzati rivestiti con barriera, sono attualmente disponibili due soluzioni che rispondono a questi requisiti e raggiungono gli OTR e WVTR mirati di meno di 1 cm³/(m² d) e 1 g/(m² d). Entrambe queste opzioni sono state esplorate da Bobst Manchester che lavora in stretta collaborazione con l'industria lungo tutta la catena del valore dei materiali di imballaggio flessibile.
La prima soluzione è l'uso di un film BOPP rivestito in linea (ILC). Su questo argomento, Bobst Manchester ha collaborato con la Brückner Maschinenbau GmbH & Co. KG (Siegsdorf, Germania), produttore di linee di film per l'orientamento biassiale e Mitsui Chemical Europe GmbH (Düsseldorf, Germania; parte di Mitsui Chemicals Inc., Tokyo, Giappone) produttore di rivestimenti polimerici e resine. Il processo e la struttura di produzione del film sono schematicamente mostrati nella Figura 2. Il film di base BOPP è un film coestruso a 3 strati con uno strato di pelle Mitsui ADMERTM (strato promotore di adesione) su cui viene applicato un rivestimento Mitsui TAKELACTM in linea tra la macchina e l'orientamento trasversale (MDO & TDO) sulla linea del film.
I risultati ottenuti utilizzando il processo di barriera trasparente BOBST AlOx GEN I in combinazione con il film BOPP ILC sopra descritto sono riassunti nella Tabella 2. Mentre il rivestimento TAKELACTM ha alcune proprietà intrinseche di barriera all'ossigeno, è solo la combinazione con lo strato barriera AlOx depositato sotto vuoto che dà un OTR medio di 1 cm³/(m² d) e WVTR inferiore a 1 g/(m² d).
La seconda opzione è l'uso di un film BOPP coestruso (tipicamente a 5 strati) con uno speciale polimero dello strato cutaneo che si traduce in un'elevata energia superficiale e quindi promuove la nucleazione e la crescita di un denso strato di AlOx con notevoli prestazioni di barriera. Dal 2011, Bobst Manchester collabora con Brückner Maschinenbau GmbH & Co. KG per testare i film BOPP con diversi strati di pelle in combinazione con AlOx trasparente e anche con strati barriera di metallizzazione Al opachi. Una tale soluzione di film BOPP è ora disponibile in commercio presso Indopoly (PT Indopoly Swakarsa Industry Tbk, Jakarta, Indonesia), che ha collaborato come fornitore di film con BOBST su materiali e strutture di imballaggio flessibile monomateriale a base di PP per la mostra K-show 2019. Maggiori dettagli sulle prestazioni barriera che si possono ottenere utilizzando questo film saranno discussi nella prossima sezione.
Ultime novità - BOBST AlOx GEN II
Come indicato all'inizio di questo articolo, il nuovo processo BOBST AlOx GEN II è un recente sviluppo di processo iniziato nel 2018. AlOx GEN II è l'ultimo progresso nella deposizione di barriera trasparente AlOx, utilizzando una nuova geometria di iniezione di ossigeno che è stata specificamente sviluppata e ottimizzata per dare migliori prestazioni di barriera dei film rivestiti in AlOx a densità ottica ridotta, che a sua volta consente una maggiore trasparenza degli strati barriera AlOx. Ciò è particolarmente vantaggioso per i substrati a base di poliolefine come i film BOPP. Il processo AlOx GEN I, che durante il suo sviluppo si è rivolto principalmente ai film in PET, prevede un processo di invecchiamento offline che migliora la trasparenza e le proprietà di barriera all'umidità. Con AlOx GEN II, è possibile ottenere una maggiore trasparenza e una migliore barriera dei film rivestiti in AlOx rivestiti in AlOx (BOPP) fuori dalla macchina, anche se è ancora coinvolto un certo grado di invecchiamento offline.
Per il lavoro qui discusso, sono state condotte tre prove su un BOBST EXPERT K5 (utilizzando un film BOPP coestruso a 5 strati prodotto da Indopoly) in cui è stata variata l'impostazione della trasparenza AlOx in macchina. I risultati di trasparenza e trasparenza ottica/densità sono riassunti nella Figura 3. Come si può vedere, l'impostazione della trasparenza in macchina ha un impatto sulle prestazioni della barriera. Mentre l'OTR è solo leggermente influenzato, l'impatto sul WVTR è molto più pronunciato. Tuttavia, in tutti i casi gli OTR e i WVTR medi sono al di sotto delle prestazioni barriera previste per la sostituzione del film PET metallizzato (OTR < 1 cm³/(m² d) e WVTR <1 g/(m² d)). I livelli di OTR raggiunti sono eccezionali, con valori di circa 0,2 cm³/(m² d) o meno per tutte le impostazioni. Il WVTR medio è di 0,33 g/(m² d) per l'impostazione 1, 0,54 g/(m² d) per un'impostazione media 2 e 0,98 g/(m² d) per l'impostazione 3. Osservando la trasparenza ottica e le prestazioni di invecchiamento dell'impostazione 2 (mostrate nel grafico a destra della Figura 3), si può notare che la pellicola di base OD di 0,02 viene raggiunta in un solo giorno, indicando un calo di OD di 0,01 in quel lasso di tempo.
Sulla base dell'apprendimento del progetto di conversione AlOx [2], che è stato eseguito dal 2013 al 2016, è noto che, per convertire ulteriormente le pellicole AlOx UHB BOPP prodotte, è necessario applicare una finitura per proteggere il sottile strato barriera AlOx durante ulteriori processi di conversione, come la stampa. Lo strato di finitura barriera MFB 5770 specifico per BOBST è stato applicato su un BOBST CO 750 ottimizzato per AlOx e i risultati prima e dopo la finitura sono riportati nella Tabella 3, insieme alle prestazioni barriera del film base UHB BOPP. Come si può vedere, questa finitura (nonostante sia solo una formulazione barriera all'ossigeno), migliora ulteriormente l'OTR e il WVTR in prossimità di livelli di barriera di tipo foil di 0,1 cm³/(m² d) e 0,1 g/(m² d)).
Sintesi e conclusioni
Con l'attuale motore di mercato della sostenibilità, le soluzioni di imballaggio flessibile basate su monomateriale barriera trasparente sono state una delle opzioni affrontate dal mercato per soddisfare l'esigenza di materiali di imballaggio flessibile completamente riciclabili (o meglio "pronti per il riciclaggio"). Tuttavia, per fare di queste soluzioni un potenziale candidato a sostituire i materiali di imballaggio flessibile esistenti, prevalentemente a base di PET, sono necessari livelli di barriera equivalenti. Il processo BOBST AlOx GEN II, di recente sviluppo, offre una soluzione a questi requisiti e, in combinazione con il giusto substrato di film BOPP, mostra un grande potenziale per una soluzione di imballaggio monomateriale PP con barriera trasparente completamente riciclabile.
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