Что такое барьерная бутылка
Барьерные свойства ПЭТ-упаковки
Неотъемлемой составляющей успеха в сфере продаж алкоголя и других напитков, является продуманный процесс их хранения. Поддержание свойств продукции в течение длительного интервала между фактическим производством и возможным потреблением – один из важнейших гарантов ее качества и безопасности.
Блокираторы кислорода
Для многих алкогольных и неалкогольных напитков, срок сохранения допустимых потребительских свойств напрямую связан с проникновением газов внутрь упаковки (например, кислорода). Для других, наоборот, – с потерей газов (углекислота).
В обеих ситуациях решением данной проблемы, будет создание защитного барьера, препятствующего движению молекул через пластиковую структуру. Для этого в производстве используются различные добавки в ПЭТ (полиэтилентерефталат).
С химической точки зрения, они являются блокираторами кислорода.
Эти продукты работают по принципу потребления кислорода в классической реакции окисления. Окисляемый пластик используется для реакции, которую катализируют с помощью переходного металла, как правило, кобальта.
Поглотители кислорода называются активными системами, т.к. реакция начинается сразу же после воздействия влажности и, конечно, кислорода. Они становятся “активными” и остаются в таком состоянии до тех пор, пока действие катализатора достаточно для проведения реакции. Следовательно, блокираторы кислорода имеют определенное «время жизни», после чего они перестают обеспечивать значимый барьер.
Тем не менее, блокираторы кислорода очень эффективны, особенно в начале их жизненного цикла. Производительность барьера для активных систем во многом зависит от отношения площади к объему упаковки.
По этой причине блокираторы кислорода в первую очередь используются для производства пластиковых бутылок и больших контейнеров.
Сегодня для изготовления ПЭТ-тары, которая может долго сохранять пищевую ценность продукта, используются и другие добавки.
Наноглины
Наибольшее распространения получили, такие соединения, как наноглины. Наноглины относятся к категории глинистых минералов со специализированной структурой, характеризующейся особой морфологией. Наноглины создают пассивный барьер, препятствуя диффузии газов, когда они пытаются проникнуть через пластиковую матрицу.
Таким образом, они отличаются от блокираторов кислорода. Кроме того, пассивные барьеры на основе наноглины, препятствуют всем газам, в той или иной степени. Другое их преимущество в том, что они делают это в течение долгого времени без потери активности.
На данный момент для производства пищевой ПЭТ-тары, существуют восемь барьерных продуктов данного типа.
Семь из них основаны на Полиамиде-6, один – на полиамиде, запатентованном как, MXD6.
Так, например, в производстве преформ (заготовок) для пива, сидра, кваса и вина используется Polyshield+MXD6.
Одним из преимуществ данного материала, является возможность делать однослойную преформу, что упрощает технологию, снижает затраты на изготовления ПЭТ-тары.
Барьерная пластиковая бутылка для изоляции, пригодная к повторному использованию
Среди прочего, он является специалистом в области комплексного моделирования, конструирования форм, анализа потока и разработки технологических процессов. Он обладает 30 патентами по всему миру, а его изделия продаются миллионами.
В ходе интервью Фасселл отвечает на вопросы издания PlasticsToday.
Что вдохновило вас на это изобретение?
Фасселл: Я выбрал это название, потому что его использовали для описания концепции бутылки-термоса. Барьер позволяет использовать особые газовые смеси, продлевающие срок хранения продукта. Температура содержимого бутылки остается оптимальной более продолжительное время.
Также закрытая или вскрытая барьерная бутылка не тонет в воде. Это хорошо, поскольку, если ее выбросят, она не окажется на дне озера, реки или океана, как вскрытые пластиковые бутылки, что упрощает поддержание окружающей среды в чистоте и сокращает расходы.
Для каких продуктов особенно подходит такая конструкция?
Фасселл: Бутилированная вода, прохладительные и прочие напитки.
Когда была подана заявка на патент, и каков ее статус в США?
Фасселл: Агарвал и Гупта представили чертеж к изобретению на патент в Индии, и его выдали 2 ноября 2017 года; также был оформлен договор о международной патентной кооперации от 15 марта 2018 года, но вскоре они поняли, что им требуется помощь в вопросах производства и маркетинга на основе их интеллектуальной собственности. Они прочитали несколько статей обо мне и связались со мной. Мы заключили эксклюзивное соглашение о лицензировании данной технологии и использовании патента во всем мире, а также о продаже прав на интеллектуальную собственность.
Я обнаружил, что индийский патент был недостаточно точным, в нем отсутствовали основные положения. В сотрудничестве с моим юристом по вопросам интеллектуальной собственности мы подали заявку на патент США № 16/463,700 от 6 сентября 2019 года.
Сколько времени вы потратили на барьерную бутылку?
Фасселл: Включая мои исследования международной промышленности, составление бизнес-плана, изучение производственных вопросов, создание презентации в Power-point, у меня это заняло десять месяцев. Обычно у меня уходит год, чтобы завершить процесс разработки.
Пожалуйста, прокомментируйте свойства изоляции.
Фасселл: В этой области проводились испытания в Индии, где мои инженеры провели обширные испытания, а профессиональная инженерная фирма также подтвердила результаты испытаний.
У меня есть исследования, которые показывают, что бутылки BB с водой, охлажденные на ночь, остаются холодными на 4,5 часа дольше, чем стандартные бутылки с водой.
Если вы заморозите BB, у вас будет холодная вода в течение всего дня с небольшим количеством влаги или ее отсутствием снаружи бутылки. Подумайте о значении этого в странах, где холодная вода является премией.
Прокомментируйте возможность повторного использования.
Фасселл: барьерные бутылки позволяют клиентам продвигать вариант повторного использования бутылок по цене, которая конкурирует с текущими вариантами одноразового использования, такими как увеличенный срок хранения и экологически чистый дизайн.
В странах, где одноразовые бутылки находятся под угрозой или запрещены, барьерная бутылка будет квалифицироваться как многоразовая бутылка.
Каковы размеры, форма и варианты полимера?
Фасселл: Наши тесты показывают, что все формы и размеры демонстрируют одинаковый положительный сдвиг в производительности. При увеличении объема емкости наблюдается небольшой прирост срока годности и коэффициентов изоляции. Подходит для любого одобренного FDA термопластика.
Фасселл: Мы изучаем все доступные нам варианты.
Насколько он тяжелее стандартной бутылки с водой?
Фасселл: примерно на 0,20 грамма тяжелее, чем стандартная бутылка ПЭТ 0,5 литра со стенками толщиной 0,20 мм.
Каковы ориентировочные затраты на единицу бутылки?
Каков статус разработки и лицензирования?
Фасселл: Мы изготовили около 40 прототипов, некоторые из которых были созданы в моем гараже до того, как я нанял инженерную фирму для изготовления прототипа пресс-формы для производства бутылок для испытаний. Я обсуждаю лицензионное соглашение с несколькими компаниями по производству напитков в Индии. Я связался с несколькими компаниями в Соединенных Штатах, хотя до сих пор не достиг целевой аудитории.
Я также пытаюсь лицензировать эту концепцию для производителей бутылок по всему миру, и я рассматриваю возможность сотрудничества с экспертами по упаковке, которые могут помочь в разработке этого продукта в промышленности.
Что вы узнали о пластике и упаковке из этого опыта?
Фасселл: индустрия медленно меняется.
Что такое барьерная бутылка
В условиях повышения требований к срокам годности одноразовых контейнеров, компании, занимающиеся упаковкой, стараются найти барьер для бутылок из РЕТ с наилучшим соотношением затрат и производительности. Похоже, что верх берут многослойные материалы, но свои ниши заняли также и технологии с однослойными материалами, покрытиями и поглотителями кислорода.
Борьба в области разработки самой рентабельной технологии для создания бутылок из барьерного РЕТ набирает обороты. По всему миру постоянно растущий спрос на одноразовые контейнеры придал новую значимость поискам барьерных решений. Производители смол и прочие поставщики обнаружили целый ряд новых альтернатив: новые барьерные смолы и поглотители кислорода, более экономичные поверхностные покрытия, высокопроизводительные системы для формования многослойных преформ, а также новые однослойные решения.
Пивные применения стартуют
Поскольку многослойная технология используется на протяжении уже целого ряда лет, компании, занимающиеся выдувным формованием, надеялись, что уж теперь-то основной переход к работе с РЕТ будет необратим. Но только в последние два года стечение обстоятельств стимулировало расширение применения пивных бутылок из РЕТ, особенно, в Европе. Хотя многие считают, что рынок созрел для перехода на пластмассу, по-настоящему двери для использования бутылок из барьерного РЕТ широко распахнулись благодаря немецкому законодательству по утилизации отходов, принятом в 2003 году. Закон, который потребовал депозита в 25 ц. для каждого одноразового контейнера, имел непредвиденные последствия: он очень эффективно удалил алюминиевые банки из всех предприятий розничной торговли. Это потому, что РЕТ уже очень широко использовался для упаковки воды и безалкогольных напитков, в значительной степени вытеснив стекло. Затем некоторые розничные сети в Германии отказались организовывать утилизационные цепочки для всех типов контейнеров, и вместо этого создали так называемые «островные решения», которые принимали только контейнеры из РЕТ. Поэтому производители пива поспешили начать разливать пива в бутылки из РЕТ.
ПЭТ бутылки: история, свойства, технология производства
* Преобразована в «SIG Corpoplast GmbH», входит в группу компаний «SIG Beverages».
Преимущества ПЭТ многочисленны. Обычная пол-литровая ПЭТ-бутылка весит около 28 г, в то время как стандартная бутылка того же объема, сделанная из стекла, может весить около 350 г. ПЭТ абсолютно прозрачен, бутылка, изгтовленная из этого материала, выглядит чистой, привлекательной, естественная прозрачность материала делает его идеальным для розлива газированной воды. Кроме того, ПЭТ можно окрасить, например, в зеленый или коричневый цвет, для того, чтобы внешний вид продукции максимально соответствовал запросам потребителей. Использование пластиковых бутылок помогает устранить такой неприятный эффект, как бой тары при транспортировке, свойственный стеклотаре, при этом ПЭТ, как и стекло, прекрасно (и полностью) перерабатывается. В целом, в настоящее время ПЭТ-упаковка с ее безграничным инновационным потенциалом и широкими возможностями в смысле дизайна рассматривается, скорее, не как конкурент стеклотаре, а как материал, способный открыть совершенно новые рынки и породить абсолютно новые потребительские приоритеты.
Еще одним недостатком является то, что применение многослойной технологии производства ПЭТ-бутылки ограничивает возможность ее вторичной переработки. В то же время трехслойная технология применяется в Германии, Швейцарии, Швеции, Австралии и Новой Зеландии для утилизации вторичного ПЭТа: он помещается между пленочными слоями нового полиэтилентерефталата. Барьерные свойства такой бутылки ничуть не улучшаются, но с экологической точки зрения такой ход может быть оправдан.
Напыление барьерного слоя
Напыление слоя с повышенными барьерными свойствами является очень дорогостоящим процессом. Для его проведения необходимо добавочно закупать специальное оборудование, в том числе вакуумные машины стоимостью от 1 до 1,5 миллиона Евро.
Но пока эти технологии ввиду их крайней дороговизны не получили широкого распространения. Напыление может быть как внутренним, так и наружным. Внутреннее напыление создается при помощи так называемой «плазменной технологии». По этой методе ПЭТ-бутылку наполняют специальной газовой смесью, после чего воздействуют на нее мощным микроволновым импульсом. В результате этого газовая смесь на ничтожный период времени переходит в состояние плазмы, после чего оседает тончайшим слоем на стенках бутылки. Наиболее известными являются углеродные смеси смеси «Actis», «DLC», а также смеси «Glaskin», «VPP». Кроме этого используется технология напыления на внутреннюю поверхность бутылки кварцевого стекла (технологии фирм «SIG Corpoplast» и «HiCoTec»). Для наружного напыления ПЭТ-бутылка помещается в специальную камеру с газовой смесью, которая осаждается на внешней поверхности тары. Для этого используются спреи «Bairocade», «SprayCoat», «Sealica».
Внесение барьерных добавок
В большинстве своем в качестве добавок используются те же барьерные материалы, которые применяются при изготовлении многослойной тары. Это является наиболее недорогим путем повышения барьерных свойств ПЭТ-бутылки. Чаще всего к полиэтилентерефталату добавляется «Amosorb» (в качестве кислородопоглотителя), нейлон и полиэтиленнафталат (ПЭН). Но тут возникает дилемма: чем большее количество добавок внесено в ПЭТ, тем выше барьерные свойства бутылки и тем дороже она стоит. К тому же большое количество добавок приводит к помутнению ПЭТа. Золотой серединой при использовании ПЭНа в качестве добавки является величина в 8-10%.
Альтернативные материалы
Основным альтернативным материалом для изготовления пластиковой пивной бутылки пока остается полиэтиленнафталат. ПЭН имеет высокие барьерные и термоустойчивые свойства (на порядок выше, чем у ПЭТа), что продлевает срок годности пива и позволяет пастеризовать его. В то же время цена на этот полимер все еще остается довольно высокой (относительно полиэтилентерефталата), что ограничивает его широкое применение. Исключением являются страны, в которых правительство стимулирует использование пивоварами многоразовой пластиковой тары.
Расширение использования ПЭТ-тары как ориентированной на инновации и обращенной в будущее продукции идет нога в ногу с разработкой и внедрением в производство оборудования для изготовления пластиковых бутылок и розлива в них. Оборудования, оснащенного такими функциями и возможностями, как полностью автоматизированные контроль и отбраковка, задание и изменение всех операционных параметров для каждой бутылки или ее содержимого, сенсорный контроль в режиме реального времени и техническая поддержка со стороны производителя оборудования, осуществляемая через Интернет.
В двухфазном процессе преформа изготавливается на одной машине и лишь затем транспортируется для выдува бутылки на другую, отвечающую за вторую ступень процесса, или помещается на склад, где и хранится, пока не будет востребована. Это иногда имеет смысл, поскольку преформа занимает места примерно в 12 раз меньше, чем готовая бутылка, а кроме того, необходимо учитывать, что одна и та же преформа может быть использована для производства разных бутылок. Поскольку вторая стадия двухфазного процесса значительно короче первой, то в таком варианте возможно добиться очень высокой производительности оборудования, выпускающего конечную продукцию, если только соответствующих преформ будет в достатке. Обычно одна машина производит 1200-1400 бутылок в час.
Производительность оборудования зависит от числа выдувных ячеек в той или иной машине, а также от времени рабочего цикла, которое в свою очередь определяется толщиной стенок преформы и временем ее остывания.
Выдув ПЭТ-бутылки 
Внутренний дизайн и производительность оборудования значительно варьируют в зависимости от производителя, однако основные принципы его работы остаются неизменными. Выбор того или иного оборудования диктуется необходимым и объемами продукции, компоновкой оборудования на уже существующем предприятии и, разумеется, ценой.
Стадии изготовления ПЭТ-бутылки
Высокоскоростная ротационная машина
Для того, чтобы более глубоко исследовать три вышеозначенные стадии выдува бутылки, обратимся к современной ротационной машине для изготовления ПЭТ-бутылок. Ротационные машины обладают преимуществом экономии производственных площадей благодаря своей компактности. Преформы могут загружаться с той же стороны, откуда выходят готовые бутылки, а три остальных стороны машины остаются свободными для доступа и осмотра. Существуют и машины, в которые преформы подаются непосредственно напротив того места, откуда выходят бутылки: такое оборудование предназначено для включения его в цепочку автоматических производственных линий. Возможность расположить ротационную секцию нагрева выше секции выдува и таким образом использовать ресурс высоты, сэкономив площадь, также говорит в пользу компактного внешнего дизайна такого рода оборудования.
Краткий обзор процесса
В обычной высокоскоростной ротационной SBM-машине преформы из основного загрузочного бункера с помощью подъемника поступают в распределитель, в котором они автоматически принимают положение, необходимое для их поступления в систему, а затем по спиральному подъемнику поднимаются наверх. Подающая спираль правильно располагает преформы и переправляет их в основное рабочее отделение машины, где они поступают на подающее зубчатое колесо. Каждая преформа захватывается за кольцо на горлышке специальными цапфами и в перевернутом положении подается на карусель нагрева, которая проносит их сквозь камеру нагрева. Там они приобретают температуру, которая делает их достаточно мягкими для дальнейшего выдува полноразмерной бутылки. Внутри камеры нагрева преформы постоянно вращаются вокруг своей оси, для того, чтобы нагрев был равномерным. По выходе из камеры нагрева разогретые преформы в течение определенного времени оставляются для уравнивания температуры, а затем подаются в открытые формы для выдува бутылок. Формы эти располагаются рядом с камерой нагрева или под ней. Как только форма закрывается, преформа немедленно вытягивается и предварительно надувается. Растягивание выполняется механически с помощью специального растягивающего стержня, который вставляется в горлышко будущей бутылки и опускается вниз, в сторону ее дна. В результате этого размягченная преформа удлиняется. Глубина хода стержня регулируется механически и зависит от размера и формы будущей бутылки. Затем в течение секунды продолжается фаза выдува, проходящая при очень высоком давлении, в ходе которой бутылка приобретает свою окончательную форму. Растягивающий стержень вынимается, бутылка охлаждается, после чего форма открывается и выпускает готовую бутылку.
Нагрев
Перед тем, как преформы подаются в секцию нагрева, они еще на подающей спирали проходят проверку автоматической станции контроля качества. Проверяются горлышко, в дальнейшем предназначенное для укупорки крышкой, и поперечное сечение преформы. На этой стадии отбраковываются преформы с дефектным горлышком или продемонстрировавшие недостаточную овальность. В процессе нагрева в типичной SBM-машине преформы, надетые на специальные стержни, следуют через инфракрасную камеру нагрева, в которой приобретают температуру, необходимую для растягивания и выдува. Преформы последовательно проходят через ряд нагревательных блоков, состоящих из инфракрасных нагревателей с рефлекторными пластинами, предотвращающих нагрев определенных участков преформы. Это особенно важно, поскольку, несмотря на то, что нагревается вся преформа кроме горлышка, в процессе выдува требуется, чтобы различные зоны преформы имели разную температуру. Только в таком случае бутылка получится такой, как запланировано. Размер и форма выдуваемой бутылки являются факторами, определяющими так называемый температурный профиль, то есть температурный режим для отдельных участков преформы в процессе ее превращения в бутылку. Производители оборудования должны обеспечивать достаточную гибкость установок температурного режима с тем, чтобы на выходе обеспечивалось наилучшее качество бутылки. Для варьирования температурного профиля каждый нагревательный блок, входящий в состав нагревательной камеры, оснащен девятью отдельными расположенными вертикально друг над другом нагревательными элементами, которые нагревают различные участки преформы. Степень их нагрева регулируется независимо друг от друга с контрольной панели, что позволяет оператору не только задавать тот или иной температурный профиль, но и также постепенно, с прохождением преформы по зоне нагрева, повышать температуру. Участок преформы, прилегающий к горлышку, зачастую требует для нагревало требуемой температуры больше тепла, чем прочие участки. Таким образом, элементы, «ответственные» за эту зону, должны быть мощнее и многочисленнее. Уже полностью сформованное на стадии изготовления преформы горлышко защищается от нагрева экраном с водяным охлаждением. Число нагревательных блоков и скорость прохождения преформы через камеру нагрева зависит от количества выдувных форм в машине и от веса нагреваемых преформ. Поскольку ПЭТ плохо проводит тепло, необходимо охлаждать внешнюю поверхность преформы, когда она находится между нагревательными блоками камеры нагрева. В противном случае поверхность перегрелась бы, что может привести к нежелательной кристаллизации. Это промежуточное охлаждение осуществляется с помощью воздушных насосов, расположенных между каждыми нагревательными блоками. Таким образом, с одной стороны, преформа постепенно подвергается нагреванию, а с другой, ее поверхность постоянно охлаждается.
Уравновешивание
После нагрева для коррекции температурного профиля преформы проходят особую стадию обработки, направленную на уравновешивание температуры (эквилибрацию). Эквилибрация, в сущности, означает распределение температуры ПЭТ в прямой зависимости от толщины стенок. Этот важный этап, который должен быть тщательно просчитан. Если период эквилибрации слишком короток, стенки бутылки получатся неравномерными по толщине. Если период слишком затянется, тщательно выверенный температурный профиль будет нарушен, и в таком случае слишком много тепла поступит в зону горлышка, вызывая деформацию последнего при последующей обработке. Выдув бутылки осуществляется при температуре около 110°С.
Выдув и вытягивание
Разогретые преформы затем поступают по наклонному подающему колесу в секцию выдува, которая в нашем случае расположена непосредственно под секцией нагрева. Подающее устройство следит за тем, чтобы преформы были правильно расположены относительно форм, в которые они поступают с большой скоростью. Время, необходимое для разогрева преформы, значительно большее, чем то, что требуется для вытягивания и выдува. Это ведет к тому, что в нагревательной камере преформ всегда больше, чем в формах, поэтому колесный транспортировщик является необходимым приспособлением в высокоскоростной SBM-машине.
«Классическая» форма для ПЭТ-бутылки
Состоит из трех частей: двух боковых стенок, открывающихся в вертикальной плоскости, и базы, двигающейся вверх и вниз. Как только преформа занимает соответствующее положение, форма закрывается. Подвижная база (дно) двигается вверх, а стенки замыкаются вокруг нее. Все это происходит одновременно: три составные части соединяются накрепко. В то же самое время растягивающий стержень начинает свое движение вниз. Поскольку он занимает положение, необходимое для начала растяжения преформы, в тот момент, когда форма захлопывается, рабочий цикл занимает меньше времени и потери тепла сокращаются. Преформа растягивается в вертикальной плоскости и предварительно выдувается под давлением в 25 бар. Бутылка на этой стадии выдувается до 80-90% своего полного размера. Поскольку очень важно не повредить горлышко, машины снабжены специальными насадками, через которые подается воздух. Они выполнены в форме колокола и предохраняют горлышко и прилегающую к нему часть от повреждений. Затем подается высокое (40 бар) давление, и на этой стадии бутылка приобретает свою окончательную форму. Прижимаясь к холодным стенкам формы, бутылка охлаждается, становится достаточно жесткой и, таким образом, уже готова немедленно покинуть форму, когда та откроется. Во избежание искривления стенок давление внутри бутылки стабилизируется до открытия формы.
Быстрая смена форм
В машине, которую мы выбрали в качестве примера, как и в большинстве SBM-машин, используются стандартные трехчастные формы, которые монтируются на транспортировщик форм и могут быть быстро заменены другими, предназначенные для выпуска других бутылок. Вытягивающий стержень контролируется с помощью шаблона, и глубина его хода легко изменяется в зависимости от глубины формы. По подсчетам, SBM-машина с 10 формами может быть переналажена на выпуск другой разновидности бутылки в течение 30 минут тремя техниками. В течение этого времени проводится смена всех необходимых настроек. Даже если предполагается выпускать совершенно иную бутылку с другой формой горлышка, переналадка не займет больше часа.
Контроль
Работа всех важнейших элементов как описанной выше ротационной машины, так и «линейной» машины, таких, как отделение выдува, нагревательное колесо, транспортер преформ и механизм, подающий нагретые преформы из нагревательной камеры в отделение для выдува бутылок, должна быть четко синхронизирована с помощью единой системы контроля. Необходимо также, чтобы каждый из этих элементов мог быть снят независимо от других для обслуживания и переналадки. Этот механизм особенно важен для ротационных машин. Управление машиной производится с помощью сенсорной панели. В современных машинах, как правило, установочные параметры для разных типов бутылки хранятся в памяти и могут быть немедленно активизированы простым нажатием кнопки. Естественно, в процессе эксплуатации оборудование немного разлаживается, но параметры нагрева и выдува автоматически приводятся в нормальный режим. Система контроля постоянно следит за работой машины, сигнализируя оператору о любых сбоях. Удаление бракованных преформ также осуществляется автоматически, причем проводится без остановки машины. Если вследствие удаления преформы форма остается пустой, давление в нее не подается, как и в том случае, когда форма закрылась неправильно. Сенсорная контрольная система может быть электронными средствами защищена от доступа посторонних.
На постсоветской территории ПЭТ-бутылка в массовом порядке не утилизируется. Пока делались только отдельные попытки выпускать из вторичного ПЭТа тротуарную плитку и были разработаны (но не воплощены в жизнь) технологии по производству из переработанного полиэтилентерефталата различных утеплителей и строительных материалов.
По материалам журнала «Пивное дело» и «Промышленной энциклопедии»