Полибутен-1: easy-open
07.11.2007 Академия Конъюнктуры Промышленных Рынков
ПОЛИБУТЕН-1: easy-open
Все мы хотя бы раз в жизни вступали в борьбу с намертво упакованной пищей, вскрытие которой, особенно в голодном состоянии, приводит бешенство. Часто события развиваются так: прогрызенная или разодранная упаковка фонтаном освобождает содержимое, приводя одежду в негодность и заставляя напрочь забыть о чувстве голода…
Помочь избежать подобных ситуаций может использование материалов, способствующих легкому открыванию упаковки. Одним из них является полибутен-1. В этой статье дается его краткая характеристика, история открытия и области применения. Основное внимание акцентировано на производстве с использованием полибутена-1 легко раскрывающихся упаковочных материалов.
Полибутен-1 (ПБ-1), как и многие другие полимеры, был открыт почти случайно. В одной из лабораторий Политехнического Института Промышленной Химии города Милана под руководством Джулио Натты (того самого, который совместно с Карлом Циглером в 1963 году был удостоен Нобелевской премии за разработку каталической полимеризации) работал 23-летний студент Джорджио Маццанти. Молодой ученый занимался исследованием стереоспецифической полимеризации альфаолефинов и однажды решил попробовать в качестве мономера бутен-1, по аналогии с ранее изобретенным полипропиленом. Так был получен полибутен-1. И вот уже более пятидесяти лет этот продукт выпускается в промышленных масштабах.
Уникальные свойства полибутена-1
Полибутен-1 – третий (после полиэтилена и полипропилена) член семейства полиолефинов. Огромный потенциал использования этого полимера был признан уже давно, но до сих пор до конца не реализован. Как и полипропилен, полибутен-1 является высоко изотактичным полукристалличным полиолефином с хорошо контролируемый стереорегулярностью, однако дополнительный атом углерода в боковых ответвлениях, образующих этильные группы, обусловливает значительное отличие свойств ПБ-1, от свойств полипропилена.
Полибутен-11 обладает целым рядом уникальных свойств, которые нехарактерны для других полиолефинов, и поэтому довольно часто используется самостоятельно. Например, ползучестойкость у полибутена-1 гораздо лучше, чем у других полиолефинов и находится в том же интервале, что и у гибких конструкционных пластиков типа ПА-11/12 и термопластичных полиуретанов. Несмотря на относительно низкую температуру плавления (около 130 0С), механическая прочность ПБ-1 вблизи этой температуры остается практически без изменений. Кроме того, полибутен-1 обладает хорошей гибкостью, высокой стойкостью к растрескиванию, хорошей химической стойкостью, легко сваривается и устойчив к механическому истиранию (по этому параметру ПБ-1 может конкурировать с полиэтиленом низкого давления ультравысокой молекулярной массы). Такой набор свойств делает полибутен-1 ценным материалом для производства напорных труб горячего и холодного водоснабжения, канализации (срок эксплуатации некоторых изделий уже сейчас составляет около 40 лет). Жесткие марки полибутена-1 нового поколения могут найти применение в производстве емкостей для хранения и транспортировки агрессивных жидкостей и абразивных растворов.
Сочетание скорости кристаллизации и высоких показателей молекулярной когезии даже при очень низкой вязкости (небольшой молекулярной массе) позволяет использовать полибутен-1 для производства термоклеев. В таких клеях ПБ-1 может быть использован как в качестве полимерной матрицы, так и в качестве функциональной добавки, позволяющей получить необходимые клеящие свойства (с возможностью регулирования времени склеивания от нескольких секунд до нескольких часов).
Полибутен-1 обладает необычными реологическими свойствами. При тех же показателях вязкости, которые характерны для других полиолефинов, в ПБ-1 значительно быстрее происходит уменьшение вязкости при высоких уровнях деформации. Этот эффект разжижения обусловливает легкость высвобождения полимерного расплава и, как результат, – высокую способность полимера к вытяжке, что используется в прядильном процессе.
Благодаря хорошим реологическим свойствам, полибутен-1 легко диспергируется в полиэтилене и полипропилене, а также в некоторых других термопластичных смолах, что позволяет применять его в полимерных смесях (компаундах и суперконцентратах) для повышения показателя текучести расплава и улучшения диспергируемости добавок (пигментов, нуклеаторов, антипиренов и прочих аддитивов). Так, в суперконцентратах на основе полипропилена ПБ-1 выступает в роли носителя пигментов и наполнителей для достижения оптимальной дисперсности этих компонентов, что позволяет снизить расход самих добавок.
В смесях с полипропиленом ПБ-1 является модификатором свойств, значительно снижающим кристалличность полипропиленовой матрицы. Он придает мягкость, эластичность и гибкость полипропиленовым волокнам, применяемым в производстве текстильных изделий и средств гигиены. В производстве гибкой упаковки введение ПБ-1 в полипропилен позволяет снизить температуру начала термосваривания пленки, что способствует ускорению упаковочного процесса.
Технология производства легко открывающейся упаковки (ЛОУ)
Полибутен-1 получил наибольшее распространение в производстве легко открывающейся упаковки (ЛОУ). Растущий спрос на готовые к употреблению порционные пищевые продукты вызвал значительное увеличение использования полимерных материалов для производства эффективной и гигиеничной упаковки.
В середине 80-х годов прошлого века одна из компаний-предшественниц фирмы Basell предложила своим потребителям использовать полибутен-1 в полиэтиленовых пленках в качестве основы для производства легко раскрываемой безопасной и надежной упаковки. Эта технология применения полибутена-1 совместно с другими термопластичными материалами (в частности ПП и ПЭ) для производства ЛОУ широко используется и по сей день. Кроме того, полибутен-1, как правило, хорошо смешивается с другими сополимерами этилена, из которых наиболее широко в производстве пищевой упаковки применяется этиленвинилацетат (ЭВА). Полибутен-1 используется также совместно с полиэтиленом в композициях, предназначенных для склеивания наиболее ответственных деталей из полипропилена.
Применение технологии ЛОУ получило еще большее распространение благодаря появлению новых материалов и дизайнерских решений, в результате чего производство полибутена-1 получило свое дальнейшее развитие. В настоящее время существует множество типов ПБ-1, которые можно применять для производства ЛОУ, использующейся в широком диапазоне температур и давлений (см. рис. 1). В 2003 году для производства легко открывающейся упаковки было использовано 250 тыс. тонн полиэтиленовой пленки, модифицированной полибутеном.
Примеры применения
Одним из первых и наиболее успешных применений полибутена-1 стало производство легко открывающейся вакуумной упаковки для молотого кофе (рис. 2), впервые запущенное на заводе одного из лидеров производства упаковочной пленки в Германии.
Основным требованием производителя к любой упаковке является возможность ее выпуска на автоматических высокоскоростных упаковочных линиях. Разработанная в Германии технология производства ЛОУ позволяла производить более 100 упаковок в минуту. При этом готовая упаковка была надежной, прочной (выдерживала испытание падением с высоты двух метров) и имела самое главное преимущество – способность легко открываться. Причем легкость открывания никак не влияла на герметичность и качество упаковки, в результате чего кофе долго сохранял свою свежесть и аромат.
Никакие другие материалы не обладают таким набором эксплуатационных характеристик, каким обладает ПБ-1 в пленках, используемых для производства легко открывающейся упаковки. В результате полибутен-1 быстро получил признание ведущих производителей упаковки, и с тех пор его производство для упаковочной отрасли стало быстро наращивать обороты.
Успех применения пленки из ПБ-1 для упаковки молотого кофе стал стимулом для поиска новых областей применения этого материала. Следующим шагом стало производство упаковки для зернового кофе. До этого кофе фасовали в бумагу, а в качестве газового барьера использовали алюминиевую фольгу, но уже очень скоро бумагу заменили легко открывающейся многослойной пленкой из полибутена-1.
Вскоре ЛОУ из полибутена-1 нашла новые области применения, в том числе производство литых прозрачных емкостей и изделий вакуумного формования с гибкими легко снимающимися крышками, которые, в основном, используются для упаковки свежих охлажденных пищевых продуктов, таких, как мясные и сырные нарезки (рис. 3). В представленной на рисунке упаковке и крышка, и сама емкость являются многослойными. Как правило, один из двух внутренних слоев выполнен из полибутена-1, для создания эффекта легкого открытия, в то время как другие слои обеспечивают жесткость конструкции и являются кислородным барьером.
Полибутен-1 нашел также применение в производстве гибких легко раскрывающихся пакетов для упаковки медицинских изделий и пищевых продуктов, где клеевые композиции на основе ПБ-1 обусловливают существенное преимущество: сохранение свойств даже в условиях стерилизации в автоклаве.
ПБ-1 используется и при низких температурах, например в производстве упаковки для мороженого. При этом полибутеновое покрытие наносят непосредственно экструзией на картон, в результате чего получают готовую упаковку.
Почему именно полибутен-1?
При всем разнообразии выбора материалов именно полибутен-1 используется для производства ЛОУ, поскольку этот материал очень удобен как дизайнерам и производителям, так и конечному потребителю. Для потребителя полибутеновая упаковка обеспечивает безопасность и удобство. При ее вскрытии разрыв происходит только по той линии, на которую нанесен модифицированный ПБ-1 слой, а не по всей поверхности пленки. Этот слой, называемый «когезионным», позволяет, в отличие от «разрывного слоя», значитель- но снизить усилие для раскрытия упаковки (рис. 4). Потребитель может действительно легко раскрыть упаковку, не опасаясь, что она разорвется в других местах.
Кроме того, потребитель может не только открыть упаковку без использования специальных инструментов, но и убедиться, что она не была вскрыта до него, поскольку после вскрытия на линии разрыва четко заметен эффект «побеления» (рис. 5).
Переработчики, использующие обычные пленочные рецептуры, могут получить клеящуюся пленку с надежным и постоянным клеящим слоем. Полибутен-1 обычно вводят в базовый полимер в количестве 2-4% и перерабатывают на стандартном оборудовании без дополнительной модификации (для экструзии листов и многослойной гибкой упаковки дозировки значительно ниже). Поскольку полибутен-1 является полиолефином, он не представляет опасности для пленочного оборудования, не снижает его производительность и легко смешивается с базовым полимером непосредственно в экструдере. Знание технологии использования полибутена-1 позволяет переработчику значительно расширить ассортимент своей продукции, кроме того, он может самостоятельно регулировать прочность и липкость склеивающего слоя, его оптические свойства и температуру начала склеивания.
Производители пищевой упаковки отмечают, что система с использованием клеящейся пленки обладает важным преимуществом: она не требует дополнительного использования клея, что значительно упрощает упаковочный процесс. После заполнения пакета продукцией, он просто склеивается под действием высокой температуры. Кроме того, модифицированный полибутеном-1 клеящий слой сохраняет свою липкость даже при наличии загрязнений. Склеивание упаковки можно производить в широком диапазоне температур от
