Folie BOPP a folie celulozowe – konkurencja czy koegzystencja
Andrzej Kornacki, Innovia Films
Dzisiaj często nie zdajemy sobie sprawy z faktu, jak ważną rolę w naszym życiu odgrywają folie opakowaniowe, jak szybko i w jak dużym stopniu podświadomie przyzwyczajamy się do coraz to nowych ich rodzajów i zastosowań. Niemal codziennie w markecie bierzemy z półek najprzeróżniejsze towary, zapakowane bardzo różnymi technikami w bardzo różne folie, w foliowej torbie przynosimy je do domu, a potem w foliowym worku wynosimy na śmietnik jako odpady.
A wszystko rozpoczęło się na przełomie XIX i XX wieku, kiedy miały miejsce pierwsze doświadczenia prowadzące później do produkcji folii. Pierwszą folią była opatentowana w 1908 roku przez szwajcarskiego inżyniera, pracującego w przemyśle włókienniczym, Jacquesa E. Brandenbergera folia celulozowa, nazwana przez jej autora celofanem.
W kolejnych latach stopniowe udoskonalanie tej folii pozwoliło na rozszerzenie zakresu jej zastosowań. Powodowało to również, że produkcja w Europie i w USA była coraz większa. W efekcie pierwsza połowa XX wieku należała w opakowaniach zdecydowanie do celofanu, choć ze względu na fakt, że prawo do używania jego nazwy zostało opatentowane (przez Du Pont Company), różni producenci folii celulozowych przyjmowali dla swoich folii różne nazwy: Tomofan (Chemitex Wistom), Transparit (Wolff), Diophane (Transparent Papers), Lozofan (Loznica Viskoza), Cellglass, Helizell, Rayophan.
Jednak w latach 60-tych ub. wieku pojawiły się folie z tworzyw sztucznych, a w tym największa konkurencja celofanu, dwustronnie orientowana folia polipropylenowa zwana w skrócie BOPP. Poprzez jej odpowiednie uszlachetnianie osiągnięto właściwości zbliżone w niektórych elementach do folii celulozowych i w związku z tym folię BOPP można było wykorzystywać do podobnych jak celofan zastosowań i w dodatku na tych samych maszynach. A ponieważ folia ta była znacznie tańsza, nie ulegała wpływom warunków atmosferycznych i nie dewastowała w tak dużym stopniu środowiska, w bardzo szybkim czasie wyparła folie celulozowe z rynku.
Jak dzisiaj układa się rynek tych dwóch folii, na ile one ze sobą konkurują, a na ile się uzupełniają spróbujemy odpowiedzieć w tym artykule.
Przyjrzyjmy się więc krótko procesom produkcyjnym obu tych grup folii, gdyż z nich bezpośrednio wynikają ich właściwości i różnorodność asortymentowa, stanowiące z kolei o ich późniejszym umiejscowieniu na rynku.
Jak już wspomniano, pierwsze arkusze folii celulozowej wyprodukowane zostały już ponad 100 lat temu. Początkowo celofan miał wiele wad – nie był zgrzewalny, nie stanowił żadnej bariery na przenikanie pary wodnej, nie był odporny na zmiany warunków klimatycznych, jego nienajlepsza jakość i nierównomierna grubość powodowały wiele kłopotów przy przetwarzaniu na maszynach. Również sposób pozyskiwania surowca i proces technologiczny bardzo niszczyły środowisko. Jednak stopniowo wprowadzane modyfikacje umożliwiły poprawę jakości, a nowe, ulepszone właściwości znacznie rozszerzyły zakres zastosowań. Takie udoskonalenie całego procesu technologicznego spowodowało, że odpowiada on już współczesnym wymaganiom ochrony środowiska.
Do produkcji folii celulozowych wykorzystywać można różne surowce naturalne bogate w celulozę (jutę, konopie, len, trawy). Ale surowcem mającym najwięcej włókien celulozowych jest drewno i właśnie na masie celulozowej pochodzącej z drewna oparta jest produkcja folii celulozowych.
Dzisiaj masa celulozowa dostarczana do produkcji folii musi pochodzić od dostawców mających certyfikaty FSC (Forest Stewardship Council – Rady Zarządzania Zasobami Leśnymi) i ma postać arkuszy przypominających wyglądem papier czerpany. Arkusze te są rozcierane, a następnie mieszane z sodą kaustyczną i różnymi związkami chemicznymi. W wyniku tego procesu otrzymuje się wiskozę, która po kilkakrotnej filtracji tłoczona jest przez płaską szczelinę do wanny odlewniczej. Prawie natychmiast płynna wiskoza ulega koagulacji, zamieniając się w folię. W dalszej części linii folia poddawana jest oczyszczaniu (płukaniu) i zmiękczaniu (plastyfikacji) w celu nadania jej właściwości optycznych i mechanicznych wymaganych przez odbiorcę. W końcowej części linii folia jest kondycjonowana, suszona i nawijana na duże role przemysłowe.
Otrzymana w ten sposób folia celulozowa zawiera 75% celulozy, 7% wody i 18% środka zmiękczającego. Taka folia nie jest jednak termozgrzewalna i nie stanowi bariery dla przenikania pary wodnej. Wykorzystywana jest do wędzenia wyrobów mięsnych oraz do owijania różnego rodzaju artykułów (np. prezentów, kwiatów).
W celu umożliwienia jej zgrzewania, a przez to stosowania na wszelkiego rodzaju maszynach pakujących, folia ta powlekana jest lakierem termozgrzewalnym. Lakier ten służy jednocześnie jako bariera na przenikanie pary wodnej, przy czym poziom tej barierowości można regulować w zależności od potrzeb, jakie zaistnieją przy pakowaniu konkretnych produktów, które mogą mieć bardzo zróżnicowane właściwości. Bariera ta może być od częściowej do pełnej. Różne lakiery umożliwiają też zastosowanie różnych temperatur zgrzewania.
Wykorzystywane do produkcji celofanu surowce i proces technologiczny powodują, że folie te są biodegradowalne. Aby umożliwić spełnienie przez nie również trudniejszych, światowych norm kompostowalności, brytyjska firma Innovia Films, kontynuująca bogate tradycje brytyjskich producentów celofanu, wprowadziła do procesu produkcyjnego nowe, bardziej przyjazne środowisku środki chemiczne, pozwalające przy zachowaniu dotychczasowych właściwości i różnorodności asortymentowej folii celulozowych, a nawet ich rozszerzeniu, osiągnąć ich kompostowalność, a w efekcie otrzymać zupełnie nowe folie. Ta nowa generacja folii celulozowych nazwana została NaturFlexTM.
Różne asortymenty folii celulozowych łączyć można ze sobą w formę laminatów, wykorzystując w ten sposób sumowanie się ich zróżnicowanych właściwości i umożliwiając druk międzywarstwowy. Folie celulozowe można też laminować z innymi foliami kompostowalnymi.
Najnowszą grupą asortymentowa kompostowalnych folii celulozowych jest folia NatureFlexTM powlekana ekstruzyjnie biopolimerem (podobnie jak papier czy karton powlekany PE). Folia ta ma dużą stabilność wymiarów, bardzo wysoką barierowość dla przenikania tlenu i pary wodnej, zapewnia hermetyczną siłę zgrzewu. Może występować w wersji przezroczystej (nieco zamglonej) i białej, a każda z nich dodatkowo może być jeszcze metalizowana.
Sumując, w efekcie na rynku znajdują się dzisiaj folie celulozowe o bardzo zróżnicowanych właściwościach, wśród których wymienić należy:
n doskonałe własności optyczne – duża przezroczystość i połysk,
n naturalną, wysoką barierowość wobec gazów i zapachów,
n regulowaną barierowość na przenikanie pary wodnej (wilgoci),
n bardzo szeroki zakres temperatur zgrzewu,
n doskonałe zagięcie i skręt,
n dużą odporność na działanie wysokich temperatur,
n odporność na tłuszcze i środki chemiczne,
n naturalną antystatyczność,
n doskonałą stabilność wymiarów,
n dużą sztywność,
n możliwość zadruku różnymi technikami,
n możliwość metalizacji,
n możliwość barwienia w masie – występują w szerokiej gamie kolorów,
n łatwość otwierania wykonanych opakowań,
n możliwość łączenia w warstwy z innymi materiałami w tym również, biodegradowalnymi,
n produkowanie z surowców pochodzących ze źródeł odnawialnych (bez GMO).
Jednak cechą najbardziej charakterystyczną i stanowiącą podstawową różnicę między foliami celulozowymi a większością folii z tworzyw sztucznych jest ich biodegradowalność i możliwość kompostowania.
Bardzo szerokie są możliwości zastosowań folii celulozowych.
Folie niepowlekane (niezgrzewalne, bez bariery na przepuszczanie pary wodnej): przemysł mięsny (wędzenie, pieczenie, gotowanie), owijanie (kwiaty, upominki), torby klejone, taśmy samoprzylepne, etykiety, separatory w bateriach, laminowanie kartonu
Folie powlekane lakierami (zgrzewalne, o zróżnicowanej barierowości na przepuszczanie pary wodnej): pakowanie produktów o podwyższonej wilgotności (nadziewane ciasta, świeże drożdże, sery pleśniowe, podłoża bakteryjne, pieczywo, mydła), podgrzewanie zapakowanych wyrobów w piekarnikach i kuchenkach mikrofalowych, przemysł cukierniczy (pieczywo cukiernicze, herbatniki, wafle, batony, opakowania zbiorcze do cukierków), suszone rośliny strączkowe, makarony, cukierki i lizaki, świeże owoce i warzywa, artykuły higieniczne, tampony, mydła, plastry depilacyjne, podpałki do kominka i do grilla.
Folie powlekane ekstruzyjnie biopolimerem (dające bardzo silny hermetyczny zgrzew, o bardzo wysokiej barierowości na przepuszczanie wilgoci i tlenu): pakowanie próżniowe (plasterkowane wędliny, sery), kawy, płatki śniadaniowe, chipsy, wyroby cukiernicze, sery twarde, żywność dla zwierząt.
Jak wynika z przedstawionych wyżej informacji, różnorodność asortymentowa folii celulozowych celofan i NatureFlexTM jest dzisiaj bardzo duża. Oferują one bardzo wiele właściwości pozwalających dobrać odpowiedni rodzaj materiału do opakowania konkretnego produktu tak, aby zapewnić jego trwałość, bezpieczeństwo, wygodę w logistyce i dla użytkownika, efektywność wykorzystania na maszynach pakujących, estetykę, a przy tym spełniać coraz bardziej wymagające uwarunkowania ekologiczne.
Dzisiaj na świecie zdecydowanie największa ilość tych folii produkowana jest przez brytyjską firmę Innovia Films w zakładach w Wigton (Wielka Brytania) i Tecumseh (USA) – razem ok. 30 tys. ton. Niewielkie ilości produkowane są też w Japonii (Futamura Chemical) i w Chinach (jedynie folie niepowlekane, niezgrzewalne, bez bariery na przenikanie pary wodnej).
Ten obraz rynku folii celulozowych to jednak stan dzisiejszy. Jak już wspomniano, w latach 70-tych i 80-tych XX wieku sytuacja była inna. Dominujące ilościowo na rynku folie celulozowe nie miały zbyt wysokiej jakości, a ich proces produkcyjny i powstające odpady niszczyły środowisko. W tej sytuacji na rynku pojawiły się folie z tworzyw sztucznych, a w tym folie z polipropylenu. Pierwotnym surowcem do ich produkcji była tania i łatwodostępna ropa naftowa.
Pionierem w opracowaniu technologii polimeryzacji i produkcji folii polipropylenowych był włoski uczony, prof. Gulio Natta, któremu znaczącej pomocy udzieliły zakłady chemiczne Montecatini (późniejsze Montedison i Moplefan). Produkcja tych folii polega na wytłoczeniu przez wąską szczelinę z urządzenia nazwanego ekstruderem, płynnej jeszcze w tym momencie masy folii i po częściowym jej schłodzeniu rozciągnięcie tej plastycznej wciąż masy w dwóch kierunkach. Rozciąganie to powoduje, że ułożone w sposób nieuporządkowany w momencie wylewania łańcuchy polimerowe, tworzące „wewnętrzną strukturę” folii ustawiają się w kierunkach zgodnych z kierunkami rozciągania, przez co następuje ich „orientacja” w przestrzeni. To stąd rozciągane w procesie produkcyjnym folie nazywane są foliami orientowanymi, a w skrócie BOPP (Bi Oriented Polypropylene).
Orientowanie folii służy poprawie ich niektórych właściwości – podwyższa ich sztywność i wytrzymałość na rozciąganie, zmniejsza wydłużenie przy rozciąganiu, zwiększa przejrzystość i barierowość.
Szczelina, przez którą wytłaczana jest folia składa się z kilku szczelin/segmentów węższych. Wytłaczana przez nie masa, będąca początkowo w postaci oddzielnych warstewek, jeszcze w fazie dużej plastyczności łączy się dając folię wielowarstwową (najczęściej 3 lub 5). Plastyczna masa tworząca każdą z warstw wytwarzana jest w oddzielnej części ekstrudera. Sytuacja taka pozwala na to, aby każdą z nich otrzymać z nieco innego surowca lub przy tym samym surowcu, do niektórych z nich dodać składniki zmieniające nieco podstawowe właściwości zawartej w nich masy (zwłaszcza do warstw zewnętrznych stanowiących później dwie powierzchnie). Łącząc jeszcze w fazie plastyczności te warstwy razem otrzymuje się w ten sposób różne asortymenty folii. Sam proces jednoczesnego wytłaczania kilku warstw folii nazywa się współwytłaczaniem lub inaczej koekstruzją.
Orientowane folie polipropylenowe BOPP otrzymywać można dwoma różnymi sposobami. Najbardziej rozpowszechniona technologia polega na rozciąganiu wytłoczonej uprzednio masy tworzywa na długiej poziomej linii (stenter line). Rozciąganie to odbywa się najpierw wzdłuż, w kierunku przesuwu taśmy (MD) około 4-5 razy, a następnie w kierunku poprzecznym (TD) około 8-10 razy. To nierównomierne rozciąganie powoduje, że parametry określające wytrzymałość na rozciąganie czy wydłużenie folii przy zerwaniu dla obu tych kierunków różnią się od siebie. Różnice te i wynikające z nich nierównomierne wewnętrzne naprężenia nie mają większego znaczenia przy większości standardowych zastosowań. Zaczynają jednak odgrywać rolę w warunkach ekstremalnych dla folii, jak np. wycinanie niewielkich ich fragmentów (etykiety), cięcie odcinków taśmy do formowania kolejnych opakowań na bardzo szybkich maszynach, formowanie złożonego, wielowarstwowego zgrzewu, zdejmowanie z podłoża etykiet samoprzylepnych, „wtapianie” etykiet w ściankę opakowań formowanych technologią „in-mould”.
Drugi sposób produkcji dwustronnie orientowanych folii polipropylenowych BOPP to technologia rozdmuchu (buble technology). W technologii tej szczelina, przez którą wytłaczana jest z ekstrudera masa tworzywa jest okrągła, a ekstruder znajduje się na górze powodując przesuw folii z góry w dół. W zsuwający się w dół uformowany w ten sposób przez płynne tworzywo „rękaw” o niewielkiej średnicy w pewnym momencie wdmuchiwane jest powietrze tworząc duży balon. Jednocześnie następuje przyspieszenie przesuwu balona. Poprzez ten proces folia rozciągana jest jednocześnie w obu kierunkach, przy czym parametry rozdmuchu i przyspieszenie przesuwu balona są tak dobrane, aby rozciągnięcie w obu kierunkach było 8-krotne. Otrzymuje się w ten sposób folię o zrównoważonych naprężeniach wewnętrznych znacznie lepiej dającą się wykorzystywać w wymienionych już wcześniej ekstremalnych warunkach pracy.
Wyprodukowane za pomocą rozciągania wielowarstwowe folie można dalej uszlachetniać poprawiając zdecydowanie ich naturalne właściwości. Uszlachetnianie to polegać może na:
n powlekaniu lakierami (akrylowym, PVdC) – podwyższającym zdecydowanie barierowość tych folii, zwłaszcza na przenikanie tlenu, ułatwiającym zgrzewanie poprzez obniżenie temperatury zgrzewu,
n spienianiu, w wyniku którego w strukturze folii pojawiają się mikropęcherzyki powietrza/gazu zwiększające jej barierowość i sztywność, podwyższające wydajność folii i zmieniające jej właściwości optyczne (folie perliste),
n metalizowaniu, podczas którego poprzez próżniowe napylenie aluminium podwyższone zostają właściwości barierowe folii (barierowość na przenikanie tlenu i wilgoci, ale przede wszystkim na promienie UV) oraz zmienione są właściwości optyczne.
Wszystkie wymienione wyżej elementy procesu technologicznego pozwalają dzisiaj na produkcję dwustronnie orientowanych folii polipropylenowych BOPP:
n przezroczystych, perlistych, białych, metalizowanych,
n o grubościach 15-90 mikrometrów (folie przezroczyste) i 20-350 mikrometrów (folie perliste),
n termozgrzewalnych i niezgrzewalnych,
n o zróżnicowanych właściwościach powierzchni,
n o zróżnicowanej barierowości na przenikanie tlenu, pary wodnej i promieni UV,
n o zróżnicowanych właściwościach optycznych.
Folie polipropylenowe BOPP dzielą się na:
n folie przezroczyste:
a) niezgrzewalne – najważniejsze ich zastosowania to: tzw. kwiatówka (o wysokiej przezroczystości i połysku), zewnętrzna warstwa laminatów, typu „release” (do „cold seal”), taśmy samoprzylepne, etykiety (WAL, IML, cut & stuck, PSL), grafika, druki zabezpieczone, banknoty, do metalizacji
b) zgrzewalne – o obniżonej temperaturze zgrzewu z jednej strony, matowa, przeciwmgielna, oddychająca, łatwootwieralna, z podwójną warstwą zgrzewalną, o różnym współczynniku tarcia, z dodatkami antystatycznymi, o zwiększonej przyczepności farb i lakierów, o cechach lekkiej kurczliwości, powleczone dodatkowo lakierami, do metalizacji,
n folie perliste (spienione): jednostronnie lub dwustronnie termozgrzewalne, dodatkowo bielone, o podwyższonym połysku, o obniżonej temperaturze zgrzewu, do metalizacji (o różnych powierzchniach z drugiej strony), z dodatkami antystatycznymi, powleczone dodatkowo lakierami, do etykiet i grafiki,
n folie białe: zgrzewalne i niezgrzewalne o obniżonej temperaturze zgrzewu, do etykiet i grafiki, z dodatkami antystatycznymi, dodatkowo powlekane lakierami,
n folie metalizowane: niezgrzewalne i zgrzewalne, z „bazą” przezroczystą i perlistą, o różnej gęstości optycznej (różna grubość warstwy aluminium), do etykiet.
Jak wynika z przedstawionych wyżej informacji, dwuosiowo orientowane folie polipropylenowe BOPP oferują rynkowi bardzo szeroką gamę właściwości. Wiele ich cech podobnych jest do możliwości folii celulozowych (tabl.).
Istnieje bardzo wiele identycznych zastosowań obu folii do pakowania suchych produktów na maszynach pionowych, poziomych oraz owijających: przemysł cukierniczy, owijanie kartoników (herbaty, farmaceutyki, kosmetyki, przemysł tytoniowy, środki audiowizualne CD/DVD), taśmy samoprzylepne, etykiety, upominki / kwiaty, laminowanie kartonu.
Ale jest też wiele zastosowań, gdzie lepiej nadają się folie jedne, a gdzie indziej drugie:
n folie celulozowe: przemysł mięsny (wędzenie, pieczenie, gotowanie), cukierki, lizaki, świeże drożdże, produkty wilgotne (nadziewane ciastka, podłoża bakteryjne), tampony, separatory w bateriach, kolorowe opakowania dekoracyjne, herbaty Earl Grey, opakowania biodegradowalne i kompostowalne.
n folie BOPP: opakowania lekko kurczliwe (owijanie kartoników), banknoty, na superszybkie maszyny (produkty typu „tabletka” – proszek do zmywarek, słodycze, pojedyncze herbatniki, karty telefoniczne), oddychające.
Jak wynika z przedstawionych informacji, dzisiaj uwarunkowania techniczne, technologiczne i ekologiczne, które spowodowały, że folie BOPP tak bardzo szybko i w tak dużym stopniu wyparły w latach 70-tych i 80-tych ub. wieku z rynku folie celulozowe zupełnie się zmieniły. Przy produkcji folii celulozowych nie ma już: negatywnego wpływu na środowisko procesu produkcyjnego, niekontrolowanego pochodzenia surowca drzewnego, braku odporności na warunki klimatyczne, niskiej jakości oraz ograniczonych możliwości zadruku i laminowania, a także niskiej barierowości na przepuszczanie wilgoci. Z brakiem odporności na warunki klimatyczne nauczyliśmy się sobie radzić. Rozszerzył się znacznie zakres ich zastosowań (czasem jest ona jedyna).
Zasadniczą różnicą, która pozostała i utrudnia rozszerzanie obecności folii celulozowych na rynku jest ich wyższa cena. Spowodowana jest ona wyższą ceną surowca, wyższą ceną większej ilości chemicznych komponentów potrzebnych do przeprowadzenia bardziej złożonego procesu produkcyjnego, większą ilością drogiej energii oraz dodatkowymi kosztami związanymi z inwestycjami mającymi na celu ochronę środowiska.
Właściwości folii polipropylenowych BOPP i folii celulozowych często są takie same. Ale w niektórych elementach zasadniczo się różnią i w tym zakresie wtedy w swojej ofercie dla rynku się uzupełniają. Rynek nauczył się korzystać z różnych właściwości, jakie stwarzają różne materiały opakowaniowe. Często to zróżnicowanie jest wręcz konieczne dla możliwości wyboru lepszej ochrony pakowanego produktu. I chociaż ta wyższa cena i dostępność powodują, że folie BOPP dzisiaj absolutnie dominują w opakowalnictwie, to jednak ekologia i niektóre wymienione właściwości sprawiają, że folie celulozowe, choć w mniejszym stopniu, ale również i wciąż znajdują w nim swoje miejsce.
Tak więc, odpowiadając na postawione w tytule pytanie odpowiedzieć można, że dwuosiowo orientowane folie polipropylenowe (BOPP) i folie z regenerowanej celulozy (celofan i NatureFlex) „zdane są” na koegzystencję.
A na koniec warto też zauważyć, że i tak dzisiaj jeszcze często chcąc coś zapakować w dominującą na rynku, nowoczesną przezroczystą folię (polipropylenową) powiemy, że potrzebny jest nam „przezroczysty, szeleszczący celofan”.
