利用多层阻隔技术释放PET包装的潜力

自包装行业采用PET的早期,人们就已认识到这种材料的优异性能,它能在许多食品、饮料、家居和个人护理产品中取代玻璃和铝质包装。除了具有容纳和分配产品以及向消费者传递营销信息的作用以外,包装还必须为其内容物提供必要的保护,比如至少在计划的保质期内。一些简单的应用例子包括防止碳酸饮料所含的二氧化碳逸出,防止氧气接触敏感的果汁和酱汁产品,以及限制乳制品暴露于光照(包括可见光、紫外线或红外线)下。虽然PET比许多其他包装聚合物有着更好的阻隔性,但它仍然是可透气的,并且包装的内容物会与环境之间发生一定程度的气体交换,这通常成为限制产品保质期的因素。

为产品提供充分的保护的挑战随着包装尺寸的减小而增加。气体进入(或损失)的速率与包装的表面积成比例,而允许进入或离开包装的气体总量由产品体积决定。随着包装体积的减小,表面积与体积之比不可避免地会增大。这就需要通过改善包装的阻隔性来满足必要的产品保质期的要求。在消费者对小包装(含量控制和随时随地消费)的偏好以及品牌所有者对上架产品实行差异化的需求不断增长的推动下,市场趋势表明小容量的包装将越来越普遍。小容量包装还能让品牌所有者能以广大潜在消费者能够接受的价格点向新兴市场推出他们的产品,而不会侵蚀价值。

扩展PET包装的阻隔性能有多种方法,最终选择哪种技术将取决于多个因素。这些因素中包括阻隔性能所需改善的程度、保持生产灵活性的需要,物流链的局限,当然还有生产的总成本。

改进传统PET包装的阻隔性能的最简单的解决方案是在注塑系统的挤出机上将PET与一种市售的阻隔材料混合。混合产物的耐透气性(被动阻隔)得到改善,甚至可以主动捕获聚合物基质中的氧分子(活性氧清除剂)。这种方法除了聚合物计量和混合助剂之外,不需要任何设备更换,这在某些情况下或许是一种适当的解决方案。但最简单的解决方案往往也会有严重的局限性,甚至会带来害处。阻隔性改善因子与添加到混合物中的阻隔材料的量成正比。随着添加剂水平的增加,PET瓶的清晰度和透明度通常会下降,这就限制了在保持需要的包装外观的情况下所能达到的改善程度。更为重要的是,与多层包装相比,混合方案会增加阻隔材料的成本,并且对可回收性有着潜在的影响。

给瓶子涂层是改善单层PET包装耐气体渗透能力的另一个可选择的方案。在瓶子内表面涂一薄层玻璃状涂层可以形成高效的防气体渗透被动阻隔。可在吹塑工序之后的等离子处理时进行涂层。氧化硅涂层清澈透明,而无定形碳涂层则会给透明的包装增加浅黄的颜色。这种涂层的效果可能受到瓶子变形的限制,会破坏瓶子的完整性,使阻隔性改善的净效果下降。相比之下,多层共注塑阻隔解决方案则提供了更大的包装设计自由度,因为这样一来包装变形程度对阻隔性能就不那么重要,甚至是无关紧要。这样还可以加入活性氧清除剂材料,防止氧气进入,以降低顶部空间中的氧含量。在有应用上的需要时,还可以创造出能够提供光阻隔的多层结构。

在操作层面上,由于耗材成本低,因此涂层方案具有吸引力。同时,由于等离子涂层系统是吹瓶和罐装之间额外增加的工艺步骤,对瓶胚注塑厂商而言要供应多个吹瓶生产点成为了一项挑战。系统供应商的选择,除其他因素外,还要考虑所选涂层的类型。阻隔涂层的质量控制是通过监测工艺参数完成的。氧化硅涂层本身只能使用实验室级仪器,如扫描电子显微镜来检测。多层瓶胚中的阻隔层分布的质量可以通过非破坏性和破坏性的检查手段来确认。

多层瓶胚是通过顺序注塑或同时共注塑工艺而实现的。用上述两种工艺得到的瓶胚都包含一个独特的阻隔材料层,夹在PET的内层和外层之间。尽管在食品和饮料行业中通常会批准使用阻隔材料,该技术的另一个好处是,只有PET能与内容产品直接接触。注塑之后的吹瓶和罐装步骤不需要改变现有的生产线。这就意味着在需要时,生产商能够保持灵活性,通过运作一家中央注塑设备工厂来供应多个吹瓶和罐装地点的需求。

赫斯基的多层技术是一种完全集成的系统解决方案,它以公司的HyPET HPP产品线一流的单层瓶胚性能和可靠性为基础。同时,由于PET和阻隔材料可同时通过浇口流入模腔,共注塑能缩短注塑周期并具备注塑薄壁瓶胚的能力。多层熔融流在共注塑热流道的注嘴中形成,假设能保持相同的热流道注嘴间距和界面,标准模具的冷半模可以在单层和多层系统之间互换。虽然共注塑系统必须配置有两个注塑单元和一个共注塑热流道,以及必要的辅助和控制系统,赫斯基的多层系统则有着充分的灵活性,既可以运行单层模具(完整模具和热流道)也可以出于需求、季节性或目标市场的变化,在不更换模具的情况下生产单层瓶胚。

与PET的单层混合物相比,被动和主动阻隔材料在多层包装中的浓缩层中使用时均更有效。只需使用约50%或更少的混合阻隔材料,即可在多层阻隔包装中获得相同的阻隔改进因子(以及相关的保质期)。共注塑系统的效果已有报道,并在实验室研究中得到证实。尽管二者的机理不同,它对于必须防止氧气接触产品的氧气清除剂应用,以及必须将碳酸化保持在包装内部的被动阻隔应用均适用。对于被动阻隔层的情况,通过为气体分子产生更密集的“栅栏”来降低气体渗透率。对于活性清除剂的情况,通过确保只有到达阻隔层的氧分子与清除剂反应并被捕获来延长清除剂材料的作用能力。

尽管光阻隔应用不涉及气体扩散机制,但仍能从多层技术中获得类似的材料成本和包装性能优势。在室温下,为更长时间保存乳制品(如超高温处理牛奶)的保存能力受制于多种因素,包括核黄素(维生素B2)的分解以及光照引起的蛋白质和脂肪的氧化,导致营养价值和口味的损失。单层瓶胚的TiO2母料(氧化钛通常用于产生强烈不透明的白色)含量很难显著高于12%,并且在某些点上不可能拉伸吹瓶,从而限制了其所能达到的光阻隔能力。相比之下,由于多层瓶胚在白色PET中包含一个隐藏的黑色PET层,其透光性大大降低,能最高阻挡99.99%650nm波长的光,同时又减少了对昂贵的不透明白色添加剂的需要量。

由于能够通过瓶胚拱顶提供不间断的阻隔层覆盖,提高了整个包装的阻隔性能,这对于对氧气和光敏感的产品尤为重要。 特别地,某些食品类型(例如意粉酱汁)在包装内不容易被混合,导致在未被阻隔层覆盖的包装部分可能发生局部氧化,从而造成变质。赫斯基的热流道设计和控制系统允许以圆顶端部封闭或开放(瓶底有无阻隔层均可)的方式来注塑多层瓶胚,在前一种情况下,可提供出色的端部处理(后缘)控制或阻隔层。

2015年,赫斯基开始选择性地与一些早期采用客户合作,在市场上推出该多层技术。从那时起,客户已选择依靠这种解决方案来为各种产品提供包装,包括碳酸软饮料、矿泉水、果汁、酱汁,现在已扩展到乳制品、啤酒和个人护理产品的应用中。 在各种情况下,多层技术均能让客户以相同的成本达到更长的保质期,或以更低的成本达到相同保质期,同时让注塑解决方案保持完全的灵活性,而不会对下游设备或物流造成额外的限制。

降低总生产成本的一个重要因素是能够精确地为具体的产品确定用量并分配刚好适量的阻隔材料,同时保持赫斯基HyPET HPP系统的强劲生产力。众所周知,原料成本是包装总成本的主要组成部分。 阻隔材料虽然占包装重量的百分比相对较低(通常为2%至15%),但要比PET贵得多。这就使得如何确保将最小必须用量的阻隔材料输送到每个模腔,并以最有效的方式分布在瓶胚内显得至关重要。

这种先进的控制水平只有通过采用独特的,最先进热流道设计的完全集成的系统才能达到。热流道所基于的技术即使在所有控制装置尚未进行生产调整之前,也能实现前所未有的平衡度。这就减少了热流道中熔融流体分裂的次数,而这也是热流道不平衡的一个最重要的因素。

这种热流道技术还提供了前所未有的设计自由度,优化了两种材料熔体输送系统的流道布局,实现了高度的热控制。许多阻隔材料具有较低的熔点,并且对温度的敏感性比PET高。过热和滞留时间过长均可能导致材料降解。这不仅影响瓶胚和瓶子的质量,还会增加热流道翻新的时间。使用赫斯基的共注塑热流道,两种材料的输送系统是热分离的,并由嵌入式Altanium控制系统独立控制,确保当两种材料在浇口之前混合时,阻隔材料仅受PET加工温度的控制。

熟悉共注塑的注塑厂商会认识到,为了改善热流道平衡和确保熔体在多个浇口的流动和温度变化率尽可能均匀,可以通过降低和升高分流板和注嘴头的温度来调节热流道 。赫斯基热流道通过增加分流板区的数量和单独控温的注嘴头来实现控制的灵活性。传统的气动阀门系统已经升级为电动伺服的板驱动同步阀针式系统。同时,这种高度的平衡性意味着进一步调整性能所需要的温度范围显著降低,进一步降低了阻隔材料所承受的最高温度。

赫斯基的客户经过在现场数百万个生产周期的使用后,对热流道的性能稳定性做出了评价,这种稳定性不需要计划外的维护即可达到。当用对温度敏感的阻隔材料生产时,在系统关闭和重新启动期间用PET清洗两个热流道熔体输送系统是一种很好的做法,而且现在已经实现自动化。即使是最好的维护措施也难免发生意外事件,例如异物污染原料。如果污染物颗粒进入热流道,最可能的堵塞区域是热流道注嘴,这里的熔体通道最小。过去,这个部位是出了名的难以清洗,往往需要将整个热流道拆下。HyPET HPP5阻隔系统具有前置可拆卸注嘴设计,可在注塑机中通过锁定模腔板,使注嘴头露出来维护或更换热流道注嘴。

虽然共注塑比传统的单层注塑工艺复杂,但整个系统的运作得到赫斯基的智能化,以瓶胚为中心的控制系统的支持,将注塑流程和辅助设备的各个方面集成在一起。新产品生产的流程设置开始于为瓶胚质量制定单层工艺流程。在启动阻隔材料注入后,控制系统将根据阻隔材料的含量自动调整PET注塑曲线,并生成阻隔层的注塑曲线,此可由操作员进一步细调。对共注塑工艺陌生的客户发现赫斯基系统对用户友好,经过短时间的培训后,即可放心地在生产中进行操作,同时可通过赫斯基服务网络快速、有效的支持来保障系统运行的各个方面。

赫斯基的多层技术为需要强化阻隔性能的食品和饮料产品的生产提供了一个完整、集成的解决方案,具有很高的性价比、生产效率和灵活性。它让品牌所有者能够依靠PET来生产更具吸引力的包装。这些包装在商场的货架上脱颖而出,支持替换可替代的材料,所有这些因素均有助于提高PET包装材料的增长潜力。

早期采用的客户见证了赫斯基多层技术的成功

在推出新的多层技术时,赫斯基与欧洲最著名的瓶胚和PET瓶制造商合作,对这一领域的解决方案进行了测试和验证。由于在合作验证新技术方面有着业已证实的纪录,赫斯基知道这家欧洲客户很适合作为早期采用合作伙伴。两家公司也共同致力于开发解决方案,推动PET行业向前发展,并拓展可寻址的PET市场。这对于赫斯基的客户也是绝佳的时机,因为他们现有的共注塑阻隔层系统正在经历维护、维修和稳定性问题,期待能找到升级解决方案。

该客户欧洲工厂中的第一套多层系统的安装和启动得到了赫斯基地区服务工程师及来自公司加拿大安大略省博尔顿市总部的多层阻隔问题专家的全力支持。作为合格认证过程的一部分,该系统成功完成了两批多层瓶胚的不间断生产,一批是28克汽水瓶的瓶胚,另一批是14克果汁瓶的瓶胚。

事实上,如果将赫斯基的新型多层技术与其现有的共注塑阻隔系统进行比较的话,客户在运行系统几个月后并未发现性能的变化。在过去,每当测试替代品时,他们通常会在几个星期后看到阻隔性能的恶化,这一次却不同。他们还发现,对阻隔层重量的控制有了显著改善。在用赫斯基的新型多层阻隔层系统生产时,对瓶胚阻隔层含量控制的准确性和可重复性显著优于目前所能达到的水平。两种应用都是按阻隔层占瓶胚总重量的+/- 0.5%的公差生产的。这是在缩短注塑周期达40%的同时实现的。

在用完全相同的应用与现有竞争对手的共注塑系统进行比较时,赫斯基的多层系统能以更一致的方式运行更长的时间,无任何性能上的下降,同时可以降低对热流道的维护需求。今天,这家客户正继续与赫斯基就未来的多层阻隔项目展开合作。_______________________________________________________________________________________________________

图1—包装体积减少时,对阻隔的要求变得更具挑战性。

图2—二氧化碳损失的比较——单层与单层混合与多层阻隔技术的比较

图3—多层阻隔技术可将阻隔层精确地放在需要的地方。左图是偏置黑色层,远离表面趋向核心。右图是一个完全密封的瓶胚圆顶。

图4—多层阻隔技术将赫斯基经过验证的HyPET HPP5系统的优势与革命性的新型热流道相结合,实现了最精确和用量可控的阻隔材料计量。

图5—多层阻隔技术适用于各种应用,包括碳酸软饮料、矿泉水、果汁、酱汁,现已扩展到乳制品、啤酒和个人护理产品。

图6—传统的分流板会使熔体通道分离多次,这样会产生与剪切相关的不平衡。

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