1. Geneza włączenia do działalności COBRO tematyki związanej ze zwiększeniem wodoodporności opakowań z tektury falistej
Specyfika branży opakowaniowej, w tym również w zakresie produkcji opakowań z tektury falistej, związana jest z potrzebą wytwarzania krótkich serii opakowań dla określonych przeznaczeń i konkretnych użytkowników. Stąd też branża ta w kraju zdominowana jest przez liczne mniejsze przedsiębiorstwa, skłonne do podejmowania produkcji krótkoseryjnej, którą nie są zainteresowane duże przedsiębiorstwa, reprezentowane w tej branży znacznie mniej licznie.
W tym miejscu warto przytoczyć powołaną w opracowaniu J. Kuzincow [1] strukturę przedsiębiorstw opakowaniowych w Polsce, wyrażającą się wielkością zatrudnienia, uwzględniającą także producentów opakowań z tektury falistej (tab. 1.).
Wobec dużej liczby przedsiębiorstw konkurencyjność na rynku opakowań, w tym również z tektury falistej, zaznacza się w sposób zdecydowany i wyraża się między innymi coraz większymi wymaganiami odnośnie jakości nadruku i jego funkcji – zarówno marketingowych, jak też informacyjnych. Dotyczy to również nadruku na opakowaniach transportowych, w tym także z tektury falistej.
Ze względów technicznych, ekonomicznych i marketingowych technika fleksograficzna w coraz większym stopniu wykorzystywana jest również w przypadku opakowań z tektury, gdzie do niedawna niemal wyłącznie dominował druk offsetowy. Dlatego też liczni w kraju producenci opakowań z tektury falistej, którzy w okresie wcześniejszym korzystali z usług drukarń offsetowych, zaopatrzyli się we własne urządzenia do druku fleksograficznego.
Wzmiankowana konkurencyjność na rynku opakowań z tektury falistej skłania producentów do poszukiwania różnych metod uszlachetniania tych opakowań. Poza wykorzystaniem drukarek fleksograficznych wymienić tu należy przede wszystkim możliwość uodpornienia tektury na wilgoć w wyniku wykorzystania tych urządzeń do powlekania dyspersjami wodnymi polimerów, bądź to tektury, bądź też gotowych już wykrojów opakowań z tego tworzywa. Istotne są tu przede wszystkim niższe koszty uodporniania tektury na wilgoć w wyniku powlekania jej dyspersjami wodnymi polimerów we własnym zakresie w stosunku do kosztu zakupu tektury z warstwami wodoodpornymi. Bierze się ponadto pod uwagę perspektywiczną możliwość powlekania tektury dyspersją polimerową w połączeniu z procesem drukowania tektury.
Rozeznanie COBRO – Instytutu Badawczego Opakowań wskazywało na zainteresowanie znacznej liczby producentów opakowań z tektury falistej tego rodzaju uszlachetnianiem tektury, co skłaniało do włączenia takiej tematyki do planu prac badawczych COBRO. Fakt dysponowania przez znaczną liczbę producentów opakowań z tektury falistej drukarkami fleksograficznymi zadecydował o wyborze metody z wykorzystaniem wodnych dyspersji polimerowych czy tez emulsji parafinowej do nadawania tekturze falistej odporności na zawilgocenie.
Wszystkie dotychczasowe doświadczenia z wykorzystaniem urządzenia Dixon do powlekania materiałów opakowaniowych dotyczyły materiałów giętkich, takich jak folie czy też papier. Tego rodzaju materiały odwijane są ze zwoju i po nałożeniu powłoki oraz po jej wysuszeniu nawijane ponownie w zwój.
Jest oczywiste, że zupełnie innego podejścia wymaga powlekanie materiałów sztywnych, występujących w arkuszach, to jest takich jak tektura falista. Dotychczas wykorzystywane systemy powlekania nie nadawały się do powlekania tektury. Przed rozpoczęciem opisywanych badań w COBRO nie dysponowano jakimkolwiek doświadczeniem z wykorzystaniem powlekarki Dixon do powlekania tektury falistej.
2. Wyjaśnienie pojęć określających właściwości tektury związane z wodotrwałością i wodoodpornością
Dla ujednoznacznienia pojęć wykorzystywanych w niniejszym artykule celowe jest rozróżnienie dwóch zasadniczo różnych właściwości papieru, to jest wodotrwałości i wodoodporności [3].
Wodotrwałość papieru uzyskiwana jest w wyniku wprowadzania do masy papierniczej żywic syntetycznych, utwardzanych w procesie produkcji papieru. Efekt wodotrwałości zależy ponadto od wielu innych czynników, jak np. rodzaj masy włóknistej, przy czym masy o dłuższych włóknach zapewniają papier o wyższej wodotrwałości. Papier wodotrwały po całkowitym nasyceniu wodą zachowuje 15 do 50% wytrzymałości na rozciąganie, jaką miał w stanie suchym, podczas gdy papier nieodznaczający się wodotrwałością w tych samych warunkach zachowuje zaledwie od 2 do 8% pierwotnej wytrzymałości na rozciąganie. Tektura falista wytwarzana z udziałem papieru wykazującego wodotrwałość, w szczególności z udziałem papieru wodotrwałego typu kraft liner, jest jednak znacznie droższa niż tektura niezawierająca tego rodzaju warstw.
W papiernictwie poza wodotrwałością wyróżnia się inną właściwość papieru związaną z odpornością na oddziaływanie wilgoci, to jest wodoodporność, określaną jako zdolność do przeciwstawiania się przesiąkaniu wody, a zatem związaną z barierowością w stosunku do wody [3]. Wodoodporność uzyskiwana jest np. w wyniku laminowania tektury z foliami z tworzyw sztucznych lub z papierem powlekanym tworzywami sztucznymi, najczęściej polietylenem, a także w wyniku powlekania powierzchni wytworu papierniczego dyspersjami polimerów bądź mieszankami topliwymi, tradycyjnie nazywanymi z ang. hot meltami.
Każdy z wymienionych sposobów osiągania wodoodporności zapewnia odporność tektury tylko od strony nałożonej powłoki, czy też użytej do laminowania folii lub laminatu, nie zapewnia jednak wodotrwałości. Pomimo tego rodzaju ograniczeń zapotrzebowanie na opakowania z tektury falistej wodoodpornej istnieje, co potwierdza chociażby zainteresowanie tego rodzaju asortymentem licznych w kraju producentów opakowań z tektury falistej.
Jak już zaznaczono, krajowi producenci opakowań z tektury falistej, dysponując obecnie coraz częściej drukarkami fleksograficznymi, zainteresowani rozszerzeniem asortymentu wytwarzanych opakowań, siłą rzeczy zainteresowani są też wykorzystaniem posiadanych drukarek, do powlekania tektury wodnymi dyspersjami polimerów i uruchomieniem produkcji wodoodpornych opakowań z tej tektury.
Jak już wspomniano, w kraju wytwarzana jest tektura laminowana foliami z tworzyw sztucznych, jednak z uwagi na problemy związane z recyklingiem, a także ze względów ekonomicznych jest ona wykorzystywana jest w nieznacznym stopniu, w takich specjalistycznych zastosowaniach jak np. pakowanie pizzy.
Przystępując do realizacji prac w opisywanym zakresie, zdawano sobie sprawę, że technologia powlekania tektury falistej wodnymi dyspersjami polimerów nie zapewni opakowań wykazujących wodotrwałość, na którą być może liczy przynajmniej część producentów opakowań z tego tworzywa.
Do produkcji opakowań w kraju wykorzystywana jest tektura falista o różnym składzie warstw, w tym dość rzadko z warstwami z tektury wodotrwałej, natomiast zarówno ze względów ekologicznych, jak i ekonomicznych w produkcji opakowań dość często stosowana jest tektura z warstwami pochodzącymi z recyklingu.
3. Owoce i warzywa jako produkty do pakowania w opakowania z tektury falistej
Istnieje wiele zastosowań opakowań wymagających wykorzystania tektury o podwyższonej wodoodporności. Jedno z nich stanowi niewątpliwie pakowanie owoców i warzyw, wyjątkowo aktualne w wyniku zawirowań w obrocie towarowym na rynku międzynarodowym, a w szczególności w związku z embargo wprowadzonym przez Federację Rosyjską. Dlatego też zwrócono szczególną uwagę na wymagania przy pakowaniu tego rodzaju produktów w opakowania z tektury falistej.
Opakowania z tektury falistej obok skrzynek z tworzyw sztucznych, a w okresie wcześniejszym z drewna, należą do podstawowych rodzajów sztywnych opakowań transportowych stosowanych do owoców i warzyw [4]. Dla uniknięcia zbędnych, bardzo niepożądanych w przypadku owoców i warzyw, przeładunków, opakowania transportowe mogą być wykorzystywane przez producentów, już w fazie zbioru tego typu produktów [5].
Podobnie jak w przypadku wszystkich produktów, do podstawowych funkcji opakowań transportowych do owoców i warzyw należy ochrona przed niekorzystnym wpływem czynników zewnętrznych podczas pakowania, spiętrzania, transportu oraz magazynowania. [6, 7], w tym przypadku niezbędne jest dodatkowo uwzględnienie aktywności biologicznej produktów.
Generalnie owoce oraz warzywa zawierają duże ilości wody i łatwo ulegają uszkodzeniom mechanicznym, ponadto są aktywne biologicznie, co oznacza, że zachodzą w nich procesy fizjologiczne, do których należą przede wszystkim: oddychanie, dojrzewanie i transpiracja, to jest proces parowania wody [8]. W procesie oddychania następuje zużycie tlenu oraz wydzielanie się ditlenku węgla i wytwarzanie ciepła. Miarę intensywności oddychania stanowi ilość wytwarzanego ditlenku węgla, która jest bardzo mała np. w przypadku cebuli, średnia w przypadku marchwi i selerów, duża w przypadku sałaty i rzodkiewki oraz bardzo duża w przypadku fasoli, szpinaku i pieczarek.
Procesy dojrzewania w zależności od rodzaju owoców i warzyw przebiegają z różną intensywnością, z którą wiąże się ilość wydzielającego się etylenu. Obecność etylenu w opakowaniu wpływa na mięknięcie i niekorzystne zmiany smakowo-zapachowe produktu. Do produktów, dla których ilości wydzielającego się przy dojrzewaniu etylenu są znaczne, należą np.: jabłka, gruszki, brzoskwinie i morele oraz pomidory. Znacznie mniejsza intensywność dojrzewania cechuje m.in.: wiśnie, truskawki, melony oraz zieloną fasolę, paprykę i ogórki. W wyniku procesu odparowywania wody następują: pomarszczenie, zmniejszenie odporności na działanie mikroorganizmów i inne procesy mające niekorzystny wpływ na zachowanie jakości owoców i warzyw. Nadmierna zawartość wilgoci w opakowaniu wywołuje natomiast procesy gnilne.
Z uwagi na liczne zalety, do których należą między innymi: niski ciężar, wysoka wytrzymałość mechaniczna oraz niska cena, przy pakowaniu owoców i warzyw coraz większego znaczenia nabierają opakowania transportowe z tektury falistej. Wymienić należy tu przede wszystkim opakowania w postaci tzw. platonów, które dzięki częściowo otwartej konstrukcji nie hamują przebiegu scharakteryzowanych wyżej procesów biologicznych zachodzących w świeżych owocach i warzywach. Ważną zaletę platonów z tektury falistej stanowi możliwość ich wykorzystania jako tzw. opakowań typu SRP (ang. Shelf Ready Packaging). Są to opakowania zaprojektowane w sposób umożliwiający wystawienie ich wprost na półce sklepowej. Tego rodzaju opakowania eliminują operacje związane z przesypywaniem czy też przekładaniem owoców i warzyw, stanowiące zagrożenie dla ich jakości. Poza ułatwieniami w przemieszczaniu opakowania typu SRP umożliwiają także szybką identyfikację, zwiększając atrakcyjność dla konsumentów.
W przypadku przeznaczenia opakowań z tektury falistej do produktów zawierających znaczne ilości wody, do których niewątpliwie należą owoce i warzywa, najkorzystniej byłoby wykorzystać tekturę, której warstwy stanowiłby papier wykazujący wodotrwałość. Trudno jest zawyrokować, w jakim stopniu tektura falista wodoodporna otrzymywana w wyniku powlekania kompozycją dyspersji okaże się przydatna do pakowania owoców i warzyw. Istnieje podstawa do założenia, iż tego rodzaju tektura będzie mogła zostać wykorzystana w przypadku wzmiankowanych wcześniej platonów.
Jest oczywiste, że w przypadku platonów, stanowiących opakowania częściowo otwarte, wykorzystanie tektury powlekanej nie będzie miało niekorzystnego wpływu na hamowanie przebiegu procesów biologicznych zachodzących w owocach i warzywach. Na ile wpływ ten ujawni się w przypadku zamkniętych pudeł, będzie wymagało sprawdzenia i zastosowania w tym przypadku odpowiednich rozwiązań, uwzględniających aktywność biologiczną owoców i warzyw. Obecne poszukiwania rynków zbytu owoców i warzyw, w tym również w krajach bardzo odległych od Europy, będą rzutowały na wydłużenie czasu transportu, co wpłynie również na zwiększenie wymagań w stosunku do opakowań.
4. Próby powlekania tektury falistej substancjami podwyższającymi jej wodoodporność przy użyciu pręta Meyera
W pierwszej fazie prowadzonych badań w celu podwyższenia wodoodporności tektury falistej dążono do wytworzenia na jej powierzchni wodoodpornej powłoki. Dla uzyskania tego celu wykorzystano do ręcznego powlekania tzw. pręt Meyera. W systemie powlekania przy użyciu pręta Meyera grubość nakładanej warstwy substancji powlekającej wynika z zastosowanej grubości drutu, ściśle nawiniętego na pręt o przekroju kołowym o odpowiednio dobranej średnicy. W prowadzonych badaniach wykorzystywano pręt Meyera o najmniejszej liniaturze, jakim dysponowano w COBRO.
Potwierdzenie tworzenia się powłoki w procesie powlekania tektury przy wykorzystaniu pręta Meyera stanowi łatwość suszenia tektury powlekanej, co osiągano w warunkach pomieszczenia klimatyzowanego, to jest przy temperaturze 20°C przy wilgotności względnej 50%. Jak wykazały późniejsze badania, w przypadku absorpcji środka powłokotwórczego w masę tektury wysuszenie tej tektury w warunkach pomieszczenia klimatyzowanego nie jest możliwe.
Powłoka może zapewnić wodoodporność tektury pod warunkiem zapewnienia jej ciągłości, co nawet jeśli jest możliwe przy powlekaniu, w warunkach obrotu towarowego często staje się nieosiągalne. Wadę wodoodporności tektury osiąganej w wyniku utworzenia wodoodpornej powłoki na jej powierzchni stanowi bowiem możliwość jej uszkodzenia w wyniku oddziaływania pakowanego produktu. Uszkodzona powłoka może już nie chronić w wystarczającym stopniu tektury przed adsorpcją fazy ciekłej, np. soku wydobywającego się z uszkodzonych owoców przewożonych w opakowaniu transportowym. Dlatego też zdawano sobie sprawę, że korzystniejszym byłoby wprowadzanie środków uodparniających na wilgoć do masy tektury, jednakże w tej fazie pracy tego rodzaju systemem w COBRO nie dysponowano.
Początkowe ukierunkowanie badań na osiąganie wodoodporności tektury w wyniku wytwarzania na jej powierzchni wodoodpornej powłoki zadecydowało o wykorzystaniu pomiaru absorpcji powierzchniowej wody jako miary osiąganej wodoodporności tektury powlekanej.
5. Ocena wodoodporności powłok uzyskiwanych w wyniku powlekania tektury
Do oceny wodoodporności powłok uzyskiwanych przez powlekanie tektury przy użyciu pręta Meyera dyspersją polimerową czy też emulsją parafinową wykorzystano badanie absorpcji powierzchniowej wody, wyrażonej w g/m2, zmodyfikowaną metodą Cobba. W odróżnieniu od klasycznej metody Cobba, w której absorpcję powierzchniową oznacza się na podstawie badań po obydwu stronach tektury, w metodzie zmodyfikowanej wynik pomiaru stanowiły oznaczenia wykonywane po jednej, powlekanej stronie tektury. Ze względu na możliwe różnice we właściwościach papieru użytego na warstwy zewnętrzne tektury falistej, pomiary absorpcji powierzchniowej wody zmodyfikowaną metodą Cobba wykonywano odrębnie dla każdej uprze
dnio powlekanej strony tektury. W celu określenia efektu powlekania, oznaczenia wykonywano dla tej samej strony tektury przed powlekaniem oraz po nim.
6. Wykorzystanie do powlekania tektury powlekarki Dixon
W wyniku realizacji Projektu Organizacji Rozwoju Przemysłowego Narodów Zjednoczonych COBRO zostało wyposażone w uniwersalną powlekarką Dixon. We wcześniejszym okresie uniwersalną powlekarkę Dixon wielokrotnie wykorzystywano w przetwórstwie materiałów giętkich, to jest zgodnie z jej przeznaczeniem. Zespół inżynieryjno-techniczny COBRO dysponuje też znacznym doświadczeniem w doborze i kompletowaniu oprzyrządowania dla realizacji różnych technik powlekania.
Przed rozpoczęciem badań w niniejszej pracy nie zajmowano się w COBRO wykorzystaniem urządzenia Dixon w przetwórstwie materiałów takich jak tektura falista. Z drugiej strony posiadana wiedza w zakresie użytkowania wieloczynnościowej powlekarki Dixon, upoważniała do założenia, iż możliwe będzie zaprojektowanie układu powlekania dostosowanego do powlekarki Dixon zbliżonego do występujących w drukarkach fleksograficznych, którymi dysponują krajowi producenci opakowań z tektury falistej.
Po szeregu nieudanych prób powlekania przy wykorzystaniu wałków grawiurowych z rastrami o różnej liniaturze, zaprojektowano i zamontowano na powlekarce Dixon oprzyrządowanie, w którym wałek grawerowany służy wyłącznie do pobierania z zasobnika dyspersji i jej transferu na wałek powlekający tekturę.
Powlekarkę Dixon, wyposażoną w opracowane oprzyrządowanie, wykorzystano w próbach powlekania tektury przy użyciu zarówno dyspersji polimerowej, jak i emulsji parafinowej, a także kompozycji tych substancji. Przy wykorzystaniu wszystkich tych substancji, wynik prób powlekania okazał się pozytywny. W każdym przypadku uzyskano wyraźny wzrost gramatury tektury powlekanej w stosunku do niepowlekanej, poddanej suszeniu w takich samych warunkach jak w przypadku powlekania prętem Meyera. Wzrost gramatury tektury powlekanej świadczy o występującej absorpcji przez tekturę, substancji użytych do powlekania.
Efekt powlekania tektury, wyrażający się obniżeniem absorpcji powierzchniowej wody dla tektury powlekanej w stosunku do niepowlekanej, oznaczony zmodyfikowaną metodą Cobba, pojawił się dopiero po bardziej intensywnym suszeniu, niż wymagały tego powłoki formujące się na powierzchni tektury, przy powlekaniu prętem Meyera.
Wyraźny wzrost gramatury tektury powlekanej przy wykorzystaniu powlekarki Dixon wyposażonej w opracowane oprzyrządowanie, przy jednoczesnej konieczności zastosowania bardziej intensywnego suszenia niż w przypadku powlekania prętem Meyera, świadczy o penetracji większości substancji użytej do powlekania w masę tektury.
Wyniki przytoczonych prób wskazały także, że w przypadku penetracji substancji uodparniającej na wilgoć w masę tektury oznaczenie absorpcji powierzchniowej wody metodą Cobba, nie zapewnia właściwej oceny efektu powlekania. Dlatego też w dalszych badaniach, zamiast absorpcji powierzchniowej, oceniane powinny być zmiany wybranej charakterystycznej właściwości mechanicznej tektury powlekanej, porównawczo w stanie suchym oraz po namoczeniu. Tego rodzaju badanie przy właściwym doborze substancji uodparniającej na działanie wilgoci może zapewnić ocenę nie tylko wodoodporności, ale również wodotrwałości tektury.
Na zakończenie należy podkreślić, że aktualnie COBRO dysponuje nowo opracowanym oprzyrządowaniem do powlekarki Dixon, umożliwiającym penetrację substancji uodparniających na działanie wilgoci w masę tektury. Fakt ten przesądza o celowości kontynuacji badań w zakresie uodparniania tektury falistej na działanie wilgoci, jak również podjęcie dalszych starań o uzyskanie substancji najlepiej spełniających wymagania w powyższym zakresie, w tym również obowiązujące w krajach europejskich wymagania higieniczne dla materiałów przeznaczonych do kontaktu z żywnością. n
Literatura
[1] Kuzincow J.. 2015. Metoda oceny aspektów środowiskowych CSR* z zastosowaniem zasad Life Cycle Management. Warszawa: COBRO – Instytut Badawczy Opakowań.
[2] strona internetowa [http://www. coig. com. pl/spis-polskichfirm_ katalog_polskich_firm. php)], dostęp: grudzień 2014.
[3] Jakucewicz S. 2000. Wodo- i ługotrwałość czy odporność lub przepuszczalność. Opakowanie nr 7. s. 38.
[4] H. Syrok, Pirowski A. 2010. Badania laboratoryjne nad wytwarzanie emulsji woskowych metodą wysokociśnieniowej homogenizacji. Nafta i Gaz nr 8.
[5] T. Cąderek. 2013. Opakowania dla nowoczesnego rynku ogrodniczego. Przemysł fermentacyjny i owocowo-warzywny nr 11. s. 7.
[6] Sintaj W. 2012. Rola opakowań owoców i warzyw. Warzywa nr 12. s. 50.
[7] T. Cąderek. Wykorzystanie opakowań transportowych Platforma Systemu Wspierania Doboru Opakowań, SWDO – Baza wiedzy, Opakowania owoców i warzyw.
[8] T. Cąderek. Opakowanie a jakość produktów, Platforma Systemu Wspierania Doboru Opakowań, SWDO – Baza wiedzy, Opakowania owoców i warzyw.
