O processo de barreira clara da próxima geração para materiais de embalagem flexíveis sustentáveis
Antecedentes e Introdução
As camadas transparentes de barreira inorgânica como o óxido de alumínio (AlOx) e o óxido de silício (SiOx) já existem há várias décadas e há um número crescente de produtos que podem ser encontrados nas prateleiras dos supermercados que contêm tais revestimentos depositados no vácuo como a sua principal camada funcional. Com aplicações que vão desde os invólucros de fluxo para barras de nutracêuticas e cereais (por exemplo, barra tipo Kind), material de tampa (como utilizado para os vasos de fruta Dole) até sacos de arroz para microondas, como o Uncle Ben's, tem havido e continua a haver um interesse crescente nestas camadas de barreira e o mercado de AlOx/SiOx continua a crescer a uma taxa estimada de 7 a 8 % por ano. No entanto, o mercado das embalagens flexíveis de barreira clara ainda é dominado pelas películas de barreira transparente à base de polímeros, que são películas revestidas com cloreto de polivinilideno (PVDC) e películas co-extrudidas com copolímero de álcool etileno vinílico (EVOH); contudo, as camadas de barreira inorgânica cerâmicas oferecem vantagens críticas sobre estas películas, tais como o seu desempenho superior de barreira, a insensibilidade à humidade, a natureza sem cloro ou a espessura da gama de nm. Quando comparadas com as películas de polímeros metalizados opacos, as películas revestidas com AlOx e SiOx são únicas no que respeita à visibilidade do produto, à microondulação e à adequação para detectores de metais.
Nos últimos anos, surgiram novos condutores que movem as camadas de barreira inorgânica transparente de volta para os holofotes. Uma delas é uma tendência de retardamento (mostrada na Figura 1), em que o objectivo é substituir o triplex por estruturas duplex com o objectivo de simplificar as estruturas e reduzir os custos. Devido à natureza transparente das camadas de barreira AlOx e SiOx, estas podem ser impressas em sentido inverso, permitindo assim a redução da camada com a barreira e a camada de impressão ainda incorporadas no laminado. No caso das películas metalizadas, uma estrutura duplex só é possível se a teia selante for metalizada ou se a estrutura do laminado for impressa à superfície (ambas as opções estabelecem desafios adicionais).
O outro factor é a sustentabilidade, com um enfoque principal no desenvolvimento de soluções de embalagem flexível mono-material para a reciclabilidade. Assim, as camadas de barreira transparentes demonstraram uma reciclabilidade promissora ao testarem as propriedades físicas do material reciclado (conforme indicado no relatório do projecto REFLEX [1]) e, além disso, não colocam um problema potencial durante a fase de triagem dos resíduos.
Bobst Manchester iniciou os trabalhos de desenvolvimento do seu processo original de AlOx (GEN I) em 2007 e a tecnologia foi finalmente totalmente produzida após dois anos, com a primeira máquina para produção industrial de AlOx a ser lançada em 2010. Este trabalho original centrava-se predominantemente no politereftalato de etileno (PET) como substrato, que devido à sua natureza polar e às suas propriedades mecânicas e de resistência ao calor superiores era o material de eleição na altura. No entanto, com o referido impulso de sustentabilidade, o foco está agora a deslocar-se cada vez mais para filmes à base de poliolefinas, como o polipropileno biaxialmente orientado (BOPP) e, para responder à crescente procura de embalagens sustentáveis de mono-material em termos de transparência e desempenho de barreira, Bobst Manchester tem vindo a desenvolver o seu novo processo de deposição de AlOx GEN II.
Throwback - Processo BOBST AlOx GEN I
O processo BOBST AlOx GEN I utiliza a evaporação térmica reactiva num metalizador de rolo a rolo do tipo standard, com uma geometria de injecção de oxigénio que foi optimizada para substratos de película PET. Os níveis de barreira, em termos de taxa de transmissão de oxigénio (OTR) e de taxa de transmissão de vapor de água (WVTR), que normalmente podem ser atingidos com este processo, estão resumidos no Quadro 1. Embora os níveis de barreira obtidos para o PET satisfaçam facilmente os requisitos para as aplicações de embalagem de alimentos, as películas BOPP normalizadas de embalagem (normalmente películas co-extrudidas de três camadas com camadas de pele de co- ou terpolímero e um núcleo homopolímero) provaram ser um material de base mais difícil de aplicar, o AlOx. Só é possível atingir níveis de barreira comparáveis aos do PET revestido com AlOx através da utilização de películas de BOPP "especiais", como a película de BOPP UHB (barreira ultra-elevada) referida no quadro 1. Esta questão será debatida mais aprofundadamente nas secções seguintes.
Estado da arte - Soluções de barreira AlOx BOPP
Ao analisar as opções de películas de BOPP revestidas com AlOx de elevada barreira com um desempenho de barreira comparável ao das películas PET transparentes ou metalizadas revestidas com barreira, existem actualmente duas soluções que respondem a estes requisitos e atingem os OTR e WVTR visados com menos de 1 cm³/(m² d) e 1 g/(m² d). Ambas as opções foram exploradas por Bobst Manchester, trabalhando em estreita colaboração com a indústria em toda a cadeia de valor dos materiais de embalagem flexíveis.
A primeira solução é a utilização de uma película BOPP revestida em linha (ILC). Sobre este tema, Bobst Manchester tem colaborado com a Brückner Maschinenbau GmbH & Co. KG (Siegsdorf, Alemanha), um fabricante de linhas de filme para orientação biaxial e Mitsui Chemical Europe GmbH (Düsseldorf, Alemanha; parte da Mitsui Chemicals Inc., Tóquio, Japão) um fabricante de revestimentos e resinas poliméricas. O processo e a estrutura de produção das películas são apresentados esquematicamente na figura 2. A película base BOPP é uma película coextrudida de 3 camadas com uma camada de pele Mitsui ADMERTM (camada promotora de aderência) sobre a qual é aplicado um revestimento Mitsui TAKELACTM em linha entre a máquina e a orientação transversal (MDO & TDO) na linha de película.
Os resultados obtidos utilizando BOBST AlOx GEN I processo de barreira transparente em combinação com a película ILC BOPP acima descrita são resumidos no quadro 2. Embora o revestimento TAKELACTM tenha algumas propriedades inerentes de barreira ao oxigénio, só a combinação com a camada de barreira de AlOx depositada no vácuo permite obter um OTR médio de 1 cm³/(m² d) e WVTR inferior a 1 g/(m² d).
A segunda opção é a utilização de uma película BOPP co-extrudida (normalmente de 5 camadas) com um polímero especial de camada de pele que resulta numa elevada energia superficial, promovendo assim a nucleação e o crescimento de uma camada densa de AlOx com um desempenho de barreira notável. Desde 2011, Bobst Manchester está trabalhando com a Brückner Maschinenbau GmbH & Co. KG em testes de filmes BOPP com diferentes camadas de pele em combinação com AlOx transparente e também camadas opacas de barreira de metalização de Al. Esta solução de película BOPP está agora disponível comercialmente na Indopoly (PT Indopoly Swakarsa Industry Tbk, Jacarta, Indonésia), que colaborou como fornecedor de película com a BOBST em materiais e estruturas de embalagem flexíveis mono-materiais à base de PP para a exposição K-show de 2019. Mais pormenores sobre o desempenho da barreira que pode ser alcançado utilizando este filme serão discutidos na próxima secção.
Última Inovação - BOBST AlOx GEN II
Tal como indicado no início deste artigo, o novo processo BOBST AlOx GEN II é um processo recente que teve início em 2018. O AlOx GEN II é o mais recente avanço na deposição de barreira transparente de AlOx, utilizando uma nova geometria de injecção de oxigénio que foi especificamente desenvolvida e optimizada para proporcionar um melhor desempenho da barreira dos filmes revestidos com AlOx a uma densidade óptica reduzida, o que por sua vez permite uma maior transparência das camadas de barreira de AlOx. Isto é particularmente benéfico para substratos à base de poliolefinas, como a película de BOPP. O processo AlOx GEN I, que durante o seu desenvolvimento visou principalmente a película PET, envolve um processo de envelhecimento offline que aumenta a transparência, bem como as propriedades de barreira à humidade. Com o AlOx GEN II, é possível obter uma maior transparência e uma melhor barreira das películas revestidas de AlOx (BOPP) fora da máquina, embora ainda esteja envolvido algum grau de envelhecimento fora de linha.
Para os trabalhos aqui discutidos, foram realizados três ensaios num BOBST EXPERT K5 (utilizando uma película BOPP co-extrudida de 5 camadas produzida pela Indopoly) em que o cenário de transparência AlOx na máquina foi variado. Os resultados das barreiras e da transparência/densidade óptica estão resumidos na figura 3. Como se pode ver, a definição da transparência na máquina tem um impacto no desempenho da barreira. Embora a OTR seja apenas ligeiramente afectada, o impacto no WVTR é muito mais pronunciado. No entanto, em todos os casos, os OTR médios e os WVTR são inferiores ao desempenho da barreira-alvo para a substituição das películas de PET metalizadas (OTR < 1 cm³/(m² d) e WVTR < 1 g/(m² d)). Os níveis de OTR atingidos são excepcionais, com valores de cerca de 0,2 cm³/(m² d) ou inferiores para todas as configurações. O WVTR médio é de 0,33 g/(m² d) para a regulação 1, 0,54 g/(m² d) para uma regulação média 2 e 0,98 g/(m² d) para a regulação 3. Quando se observa a transparência óptica e o desempenho de envelhecimento da regulação 2 (mostrada no gráfico da figura 3), verifica-se que a DO da película de base de 0,02 é atingida em apenas um dia, indicando uma queda de DO de 0,01 durante esse período de tempo.
Com base na aprendizagem do projecto de conversão de AlOx [2], que decorreu entre 2013 e 2016, sabe-se que, para converter ainda mais as películas de AlOx UHB BOPP produzidas, é necessário aplicar uma camada superior para proteger a camada fina de barreira de AlOx durante os processos de conversão posteriores, tais como a impressão. A camada de barreira específica BOBST MFB 5770 foi aplicada sobre uma camada de barreira de AlOx optimizada BOBST CO 750 e os resultados antes e depois da camada de barreira são apresentados no quadro 3, juntamente com o desempenho da película de base UHB BOPP. Como se pode ver, esta camada de revestimento (apesar de ser apenas uma formulação de barreira ao oxigénio), melhora ainda mais o OTR, bem como o WVTR, próximo dos níveis de barreira do tipo película de 0,1 cm³/(m² d) e 0,1 g/(m² d)).
Resumo e conclusões
Com o actual motor de mercado da sustentabilidade, as soluções de embalagens flexíveis transparentes baseadas em mono-materiais de barreira têm sido uma opção abordada pelo mercado, a fim de satisfazer a necessidade de materiais de embalagem flexíveis totalmente recicláveis (ou melhor, "prontos a reciclar"). Contudo, para fazer destas soluções um potencial candidato à substituição dos materiais de embalagem flexíveis existentes, predominantemente à base de PET, são necessários níveis de barreira equivalentes. O processo recentemente desenvolvido BOBST AlOx GEN II oferece uma solução para estes requisitos e, em combinação com o substrato de película BOPP adequado, apresenta um grande potencial para uma solução de embalagem de mono-material PP de barreira transparente totalmente reciclável.
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