Целью данной статьи является разъяснение принципов работы клеевых составов, используемых в производстве гибких упаковочных материалов. Многое из того, о чем в ней рассказывается, может показаться уже знакомым для квалифицированных технологов упаковочных предприятий.

Однако, учитывая интенсивный рост данной отрасли в России, и принимая во внимание тот факт, что в ходе своей работы мы обнаружили отсутствие системности и нехватку иногда даже базовых сведений по данной технологии, нами было принято решение о написании этой статьи совместно со специалистами одного из крупнейших в мире производителей полиуретановых клеевых композиций - компании H.B.Fuller.

В связи с тем, что в настоящее время законодательство многих развитых стран в области защиты окружающей среды и здравоохранения направлено на сокращение использования в промышленности веществ, содержащих летучие органические соединения, в мире гибкой упаковки обозначилась четкая тенденция перехода от клеевых составов для ламинации на основе растворителей в сторону клеевых составов на водной основе или безсолвентных (безрастворных) клеев со 100% сухим остатком. 100%-ый сухой остаток означает, что клеевой состав является моногамным по структуре и его отверждение наступает, как будет показано дальше, не за счет выпаривания основы (воды или растворителя), а за счет взаимодействия с другим веществом. Сами по себе водные клеи для гибкой упаковки могут представлять собой либо полиуретановые, либо акриловые дисперсии для "сухой" ламинации, известной как Dry-Bond.

Кроме этого растет популярность клеевых составов со 100%-м сухим остатком, которые содержат очень низкий уровень остаточных (свободных) мономеров. Почему наличие таких остатков в составе готового ламината является крайне нежелательным будет рассказано далее.

"Сухая" ламинация представляет собой процесс, при котором водный или растворный клей подается на поверхность ламинируемого материала, и из него выпаривается основа с помощью нагрева и потока горячего воздуха. Затем материал с полученным на его поверхности клеевым слоем, соединяется (ламинируется) со вторым материалом посредством подогреваемого прижимного вала. Процесс ламинации с использованием безсолвентного клея хорошо известен и выглядит несколько проще. На один из ламинируемых материалов через систему валов подается жидкий клеевой состав (вязкость около 2000 мПа по Брукфилду) и затем этот покрытый клеем материал соединяется со вторым материалом на таком же прижимном валу. Оба метода предусматривают создание довольно тонкого слоя клея весом около 2-3 граммов на кв.метр (в сухом виде), которого обычно хватает для того, чтобы готовый ламинат соответствовал всем необходимым параметрам межслойной адгезии и термостойкости.

 Типичный состав производимых ламинатов представляет собой различные комбинации полимерных пленок (ПЭ, ПЭТ, ПС, ПП, ПА и др.), алюминиевой фольги, и иногда, бумаги. В основном, полученные 2 и 3-слойные ламинаты используются для производства пищевой упаковки. И хотя спектр их применения в этой области очень широк, существует всего несколько основных технических параметров, которые используются для оценки их качества. Все клеи должны обеспечивать хорошую адгезию и иметь очень высокую степень прозрачности после отверждения. Кроме этого необходимо, чтобы клеи эффективно сопротивлялись влаге и высокой температуре, которая требуется при сварке пакета по шву или термической обработке упакованного в него продукта.

Еще одним важным параметром клеевого слоя является его способность сопротивляться образованию дефекта, известного, как "туннелинг" - локальное расслоение 2-х ламинируемых материалов, внешне напоминающее морщины или складки на поверхности одного из них. Причиной такого дефекта, кроме некорректного соотношения натяжения ламинируемых полотен, являются либо разный коэффициент линейного теплового расширения или сжатия двух ламинируемых материалов либо разная скорость этих процессов. "Туннелинг" портит внешний вид упаковки и ухудшает ее защитные свойства. К сожалению, эта проблема широко известна в отрасли и с ней сталкиваются практически все производители гибкой упаковки.

ЭМУЛЬСИИ НА ВОДНОЙ ОСНОВЕ

Примерно, четверть мирового рынка клеев для гибкой упаковки составляют акриловые эмульсии или полиуретановые дисперсии. Поначалу, единственной причиной использования этих продуктов в промышленных масштабах было возросшее давление со стороны государственных органов в области охраны здоровья и окружающей среды. Постепенно появление на рынке новых "кросслинкеров" (веществ, которые связывают молекулы мономеров между собой в ходе реакции отверждения и отвечают за прочность образовавшегося полимера - прим. ред.), таких как растворимые в воде изоционаты, многофункциональные азиридины и ряд других позволило значительно улучшить адгезионные свойства клеев на водной основе и повысить их термостойкость, тем самым, сократив дистанцию между ними и клеями на основе растворителей. Использование подобных кросслинкеров в эмульсиях обеспечивает высокую адгезию между пленками и снижает вероятность образования "туннелинга".

Полиуретановые дисперсии

ПУР водные дисперсии по адгезии и термостойкости стоят ближе всего к традиционным растворным клеям. Они очень хорошо ведут себя на ламинаторе и позволяют работать с высокой скоростью. К тому же ПУР дисперсии обладают высокой прозрачностью после отверждения и вполне сопоставимы по этому параметру с лучшими солвентными клеями. Однако, недостатком подобных эмульсий является их стоимость. Полиуретановые эмульсии основаны на алифатических диизоционатах, не реагирующих с водой, которые значительно дороже толуольных изоционатов, которые используются при производстве растворных клеев.

Акриловые эмульсии

Представляют собой продукцию "эконом" класса, где сравнительно невысокие показатели адгезии компенсируются низкой ценой самого клея. Круг применения таких клеев ограничен простыми работами (одинаковые пленки и т.п.), к тому же они весьма сложны в использовании и требуют наличие охлаждающего цилиндра в конструкции ламинатора. Такой цилиндр предотвращает образование сгустков продукта. Эти эмульсии также имеют тенденцию пенообразования, что налагает ограничения на скорость работы ламинатора. Однако, сейчас на рынке имеются акриловые эмульсии, которые перерабатываются на скорости до 250 м/мин и при добавлении специальных "кросслинкеров" догоняют ПУР дисперсии по своим основным свойствам в готовом ламинате.

Процесс отверждения

При добавлении в водно-дисперсионный клей специальных "кросслинкеров" образовавшийся состав повышает способность готового ламината сопротивляться воздействию критических температур, что является важным моментом при изготовлении упаковки для горячего розлива, кипячения или хранения замороженных продуктов. Естественно, такой состав лучше сопротивляется эффекту "туннелинга".

Несмотря на то, что водные клеевые составы работают при повышенных температурах (около 100°С), нахождение их при этой температуре (в сушке) ограничено коротким промежутком времени. Поэтому предполагается, что реакция образования межмолекулярных связей (отверждение) в клеевом слое продолжается в готовом ламинате уже при комнатной температуре. В большинстве случаев готовый ламинат можно резать на требуемый формат почти сразу после ламинации. Несмотря на продолжающийся процесс отверждения, первоначальной адгезии вполне достаточно для проведения этой операции. Такая особенность технологии Dry-Bond существенно экономит время, по сравнению с широко применяемой технологией безсолвентной ламинации.