Porównanie właściwości laminatów z warstwą metalizowaną
19 Nov 2021 13:22

STRESZCZENIE: Metaliczny połysk opakowań pozwala na wyróżnienie produktu na sklepowych półkach i często decyduje o wyborze konsumenta. Popularna metoda laminowania tektury i papieru folią metalizowaną umożliwia uzyskanie metalicznego charakteru powierzchni. Niestety taki sposób uszlachetniania powoduje, że oprócz warstwy metalu, np. aluminium, w składzie laminatu będzie obecna również warstwa tworzywa sztucznego. Innowacyjny sposób metalizacji pośredniej (transferowej) tektury jest rozwiązaniem bardziej przyjaznym środowisku ze względu na to, że udział tworzywa sztucznego zostaje całkowicie wyeliminowany z produktu (opakowania). W artykule porównano szereg właściwości laminatów z warstwą metalizowaną uzyskanych metodą laminowania i metodą metalizacji pośredniej. Wyeliminowanie ze składu opakowania warstwy z tworzywa sztucznego w metodzie metalizacji pośredniej zdecydowanie polepsza poziom kompostowalności opakowań, a przy tym nie wpływa znacząco na zmianę właściwości mechanicznych i innych parametrów.

ABSTRACT: The metallic gloss of the packaging allows the product to stand out on store shelves and often determines the consumer's choice. A popular method of laminating cardboard and paper with a metallized foil allows for the metallic nature of the surface. Unfortunately, such a refinement method means that in addition to the metal layer, e. g. aluminum, the laminate will also contain a polimer layer. The innovative method of indirect cardboard metallization (transfer) is a more environmentally friendly solution due to the fact that the share of plastic is completely eliminated from the product (packaging). The article compares a number of properties of laminates with a metallized layer obtained by the laminating method and the indirect metallization method. The elimination of a polimer layer from the composition of the packaging in the indirect metallization method significantly improves the level of packaging compostability, and at the same time does not significantly change the mechanical properties and other parameters.

Wstęp

We współczesnym świecie opakowania spełniają różnorodne funkcje. Ich podstawową rolą jest ochrona produktów w trakcie łańcucha dostaw aż do momentu ich ostatecznego zużycia, ale spełniają one także funkcje informacyjne, logistyczne i ergonomiczne. Pomimo tego, że wyżej wymienione praktyczne właściwości opakowania mają bardzo duże znaczenie, to nie można zapominać o jego funkcjach marketingowych, dzięki którym produkt rzuca się w oczy i jest atrakcyjny dla klienta. Zapakowany produkt musi przyciągać uwagę nabywcy. Ale trzeba również pamiętać, że opakowanie powinno być jak najbardziej ekologiczne, czyli mieć zminimalizowany wpływ na środowisko. Coraz częściej mówi się o ekoprojektowaniu opakowań, wprowadzaniu rozwiązań technologicznych ułatwiających ponowne użycie i przetwarzanie materiałów oraz ograniczeniu masy zużywanych surowców. Połączenie tych wszystkich cech jest bardzo trudne, więc często firmy i projektanci decydują się na stosowanie niebanalnych rozwiązań, ale jednocześnie dąży się do tego, aby były one jak najmniej uciążliwe dla środowiska.

Nanoszenie warstwy metalizowanej na powierzchnię tektury nadaje wytworowi cechy metalu, przez co wydaje się, że jest on wykonany z zupełnie innego materiału. Papier lub tektura pokryte warstwą metalizowaną znajdują obecnie wiele zastosowań, przede wszystkim ze względu na walory estetyczne. Obecność wysokiego metalicznego połysku sprawia, że produkt na półce wyróżnia się wśród innych, a to przekłada się na jego wartość marketingową.

Ponadto warstwa aluminium nadaje opakowaniu dodatkowe właściwości barierowe, dzięki czemu produkt jest chroniony przed wpływem czynników zewnętrznych: tlenu, pary wodnej i światła. Oprócz tego tak zapakowany produkt nie traci swoich cech charakterystycznych, np. zapachu, co ma duże znaczenie w przypadku żywności. Ze względu na cechy opakowań metalizowanych produkty w nich umieszczane kojarzone są z dobrą jakością, skutecznością, prestiżem i dlatego są one często stosowane w przemyśle kosmetycznym, spożywczym, alkoholowym, tytoniowym itp.

Istnieje kilka metod nanoszenia warstwy metalizowanej na całą powierzchnię tektury. Procesy te można podzielić na dwie główne grupy: laminowanie i metalizacja, a każda z nich posiada kilka odmian. Zestawienie metod przedstawia rys. 1.

Laminowanie

Produkcja laminatów polega na sklejaniu ze sobą warstw różnych materiałów w stanie suchym. Laminowanie tektur wielowarstwowych z innymi tekturami, z papierami, foliami z tworzyw sztucznych i foliami aluminiowymi jest najczęściej prowadzone przy wykorzystaniu łączenia za pomocą:

– klejów rozpuszczalnikowych,

– klejów zdyspergowanych w wodzie – metodą „na mokro” lub „na sucho”,

– tworzyw stopionych: parafiny, mikrowosków lub hot-meltów,

– wytłaczanego polietylenu o małej gęstości (PE-LD).

W metodzie laminowania za pomocą klejów rozpuszczalnikowych lub zdyspergowanych w wodzie co najmniej jedna z warstw musi być porowata, aby z wytworzonego laminatu mogła przez nią odparować woda lub inny rozpuszczalnik zawarty w kleju. Do laminowania stosuje się kleje: skrobiowe, kazeinowe, szkło wodne, dyspersje tworzyw sztucznych (np. polioctanu winylu, kopolimery akrylowe). Rozdzielenie sklejonych warstw tego rodzaju laminatów prowadzi do ich uszkodzenia, co świadczy o wysokiej adhezji i dużej wytrzymałości spoiny [1].

Operacja laminowania tektury folią metalizowaną metodą „na mokro” rozpoczyna się od aplikacji kleju na powierzchnię folii. Do nakładania kleju najczęściej wykorzystuje się system dwuwałkowy z cylindrem rastrowym minimalizującym zużycie środka wiążącego. Jednocześnie z drugiej strony odwijana jest wstęga tektury. Obydwie wstęgi spotykają się w części sklejającej, gdzie są one ściskane ze sobą w momencie, kiedy klej jest jeszcze mokry – stąd nazwa samej metody. Po procesie laminacji wytwór przechodzi dalej do tunelu suszącego, gdzie następuje odparowanie wody. Często przed tunelem można jeszcze wprowadzić dodatkową aplikację lakieru. Po wysuszeniu wytwór jest chłodzony i nawijany. Zasada działania laminowania za pomocą klejów rozpuszczalnikowych także jest zbliżona do metody „na mokro”, ale w jej wypadku nie stosuje się tunelu suszącego, ponieważ nie jest on konieczny do odparowania rozpuszczalników [2-4].

Operacja laminowania tektury folią metalizowaną metodą „na sucho” jest bardzo podobna do opisanej powyżej, ale w jej wypadku najpierw na powierzchnię tektury nakładany jest klej, następnie tektura przechodzi przez tunel suszący i dopiero potem łączona jest z folią metalizowaną. Łączenie następuje w wyniku oddziaływania wysokiej temperatury w strefie docisku.

W metodzie laminowania masami topliwymi na jedną z laminowanych wstęg nanosi się stopioną parafinę, wosk mikrokrystaliczny lub hot-melt, następnie doprowadza się drugą wstęgę, łącząc obydwie przez docisk w zespole laminującym. Ta technika jest jednak stosowana głównie do łączenia dwóch wstęg wytworów papierowych.

Popularną metodą łączenia tektury z metalizowaną folią poliestrową i z folią aluminiową jest laminowanie za pomocą stopionego polietylenu o małej gęstości (PE-LD). W przypadku tej operacji stopiony polietylen wypływa z głowicy szczelinowej pomiędzy materiały laminowane, a połączenie warstw następuje w szczelinie zespołu laminującego [3].

Opisane powyżej metody laminacji pozwalają uzyskać metaliczny charakter powierzchni papieru lub tektury. Warto jednak zwrócić uwagę na to, że w każdej z technologii oprócz warstwy metalu, np. aluminium, w składzie laminatu jest obecna również warstwa tworzywa sztucznego. Do laminowania za pomocą klejów rozpuszczalnikowych lub klejów zdyspergowanych w wodzie stosuje się folie metalizowane, zaś laminowanie za pomocą stopionego polietylenu o małej gęstości umożliwia łączenie samej folii aluminiowej z tekturą, ale stronę wierzchnią tego laminatu i tak pokrywa się dodatkową warstwą PE-LD. Te fakty mają obecnie znaczenie ze względu na wprowadzaną przez Unię Europejską politykę zrównoważonego rozwoju i ograniczanie ilości zużywanych tworzyw sztucznych.

Metalizacja

Metalizacja tektury czy papieru może być wykonana metodą bezpośrednią lub pośrednią.

Metalizacja bezpośrednia

Metalizacja bezpośrednia polega na podgrzewaniu aluminium do bardzo wysokiej temperatury, w której następuje jego parowanie, a następnie napylaniu go na powierzchnię danego wytworu w urządzeniu zwanym metalizerem próżniowym. Za pomocą tej metody można nanosić warstwę metalu na powierzchnię papieru, tektury, a także folii z tworzyw sztucznych. Niestety nie każdy papier może być uszlachetniany w ten sposób, ponieważ operacja jest przeprowadzana w wysokiej próżni, a to powoduje, że papier musi być specjalnie przygotowany tak, aby nie następowało odparowanie wilgoci i różnych innych substancji lotnych.

Metalizacja pośrednia (transferowa).

Proces wykorzystuje folię poliestrową z poli(tereftalanu etylenu) (PET) w charakterze pośredniego nośnika metalu. Jest to także proces wielostopniowy. W tej metodzie na nieobrabianą folię PET (plain PET) nanoszony jest lakier akrylowo-winylowy w ilości ok. 3 g/m2, tj. warstwą o grubości około 3 μm. Następnym etapem jest metalizowanie w komorze próżniowej lakierowanej folii PET. Warstwa aluminium napylana jest bezpośrednio na warstwę lakieru.

Parametry procesu metalizacji są zbliżone do parametrów metalizacji bezpośredniej. Nakłada się z reguły warstwę metalu o takiej samej lub większej grubości jak w przypadku metalizacji bezpośredniej. Jej grubość zamyka się zwykle w przedziale 0,03-0,1 μm (30-100 nm) [3,4].

W IV kwartale 2019 roku w firmie Dot2Dot opracowano założenia technologiczne i przystąpiono do realizacji projektu innowacyjnego procesu metalizacji pośredniej (transferowej). W charakterze nośnika metalu wykorzystano folię poliestrową, zawierającą bardzo cienką próżniowo naniesioną warstwę Al o grubości około 0,008 μm (dalej nazywana folią transferową). Tradycyjnie warstwę metaliczną na karton w firmie nanoszono metodą laminacji za pomocą kleju wodnego „na mokro”. Poniżej przedstawiono porównanie właściwości laminatów na bazie folii tradycyjnej (metoda laminowania „na mokro”) i innowacyjnej folii transferowej (metoda metalizacji pośredniej).

Laminaty na bazie kartonu i folii metalizowanej uzyskane w tych dwóch różnych metodach różnią się strukturą, co ilustruje rys. 4. W odróżnieniu od laminatu uzyskanego w procesie laminowania folią tradycyjną, w składzie laminatu z folią transferową nie ma folii z tworzywa sztucznego. W następnych procesach przetwarzania laminat jest zadrukowywany; w przypadku laminatu uzyskanego metodą transferową nadruk odbywa się bezpośrednio na powierzchni metalizowanej (rys. 5). Taka konstrukcja laminatu z punktu widzenia ekologii jest bardziej pożądana, nie wprowadza do obiegu tworzywa sztucznego i ułatwia proces recyklingu.

Poza aspektami ekologicznymi porównane zostały takie właściwości opakowania na bazie laminatów jak: kompostowalność, właściwości sensoryczne i migracja globalna, parametry mechaniczne (wytrzymałość na rozciąganie, rozciągliwość, opór przy zginaniu i wytrzymałość na przepuklenie). Badania zostały wykonane przez zespół badawczy firmy Dot2Dot we współpracy z Siecią Badawczą Łukasiewicz oraz Politechniką Warszawską Wydział Inżynierii Produkcji Instytut Mechaniki i Poligrafii. Wyniki badań przedstawiono w tabeli 1.

Przedmiotem badań były laminaty wykonane na bazie kartonu celulozowego 300 g/m2 z warstwą metalizowaną naniesioną metodą metalizacji pośredniej (metalizowana folia transferowa) oraz zalaminowane folią tradycyjną (metoda laminowania „na mokro”). Na tak wykonanych laminatach wykonano nadruk metodą offsetową farbami UV LED na maszynie drukującej, a wykonane odbitki polakierowano lakierem UV LED (on-line na maszynie offsetowej).

Innowacyjna metalizacja kartonu metodą transferową w stosunku do zastosowania folii tradycyjnej (w metodzie laminowania):

− Spowodowała wyższy (lepszy) poziom biodegradowalności w warunkach kompostowalności. Kompostowalność zadrukowanego i polakierowanego arkusza kartonu zalaminowanego folią metalizowaną transferową wzrosła ponad 2,5 raza w stosunku do identycznie zadrukowanego i polakierowanego kartonu zalaminowanego folią tradycyjną.

− Nie miała wpływu na zmianę takich właściwości mechanicznych jak rozciągliwość i opór przy zginaniu (MD) (różnice są w granicach odchylenia standardowego).

− Nieznacznie obniżyła takie parametry mechaniczne jak: wytrzymałość na rozciąganie (o 5-6%), wytrzymałość na przepuklenie (o ok. 9%) oraz opór przy zginaniu (CD) (o ok. 13%).

− Nie miała wpływu na zmianę poziomu migracji globalnej do substancji modelowej i właściwości sensorycznych (czekolada).

− Brak folii z tworzywa sztucznego, która stanowiła większą barierę dla wody, spowodował zwiększenie absorpcji wody (w ciągu 30 minut) z wartości od 0,61 g/m2 (dla kartonu z folią tradycyjną) do 14,64 g/m2 (dla kartonu z folią transferową), co i tak jest znacznie poniżej normy (<155 g/m2).

Ze wszystkich metod nanoszenia warstwy aluminium na powierzchnię tektury najchętniej stosowana jest laminacja folią metalizowaną. Metoda ta jest prosta i nie wymaga zbyt dużych kosztów inwestycyjnych. Jednak obecna na powierzchni wytworu warstwa tworzywa sztucznego – folii PET powoduje, że gotowy produkt jest niezdatny do ponownego użycia lub przetworzenia. W metalizacji pośredniej udział tworzywa sztucznego jest całkowicie wyeliminowany z produktu (opakowania), co powoduje, że kompostowalność takich opakowań jest zdecydowanie lepsza (ponad 2,5 raza wyższa) w stosunku do metody laminowania „na mokro”, a właściwości mechaniczne są porównywalne z laminatami na bazie folii tradycyjnej (lub nieznacznie niższe).

Svitlana Khadzhynova, Wiesław Cetera, Jacek Hamerliński