С учетом широкого ассортимента полимерных материалов, многообразия тары и упаковываемой продукции стандартизация приобретает значение большой комплексной проблемы, решение которой начинается с разработки требований, предъявляемых к транспортной таре и включает следующие этапы: выбор базового полимера, оптимизация состава композиции, определение способа производства тары и оптимизация режимов переработки, оценка качества и определение срока службы тары при эксплуатации.
2. Требования, предъявляемые к полимерной таре
Требования к полимерной таре определяются факторами, которые условно можно разделить на внутренние и внешние.
К внутренним факторам относятся: физико-химические свойства, химическая стойкость и износостойкость материалов, из которых изготавливается тара, деформирующее воздействие упаковываемых продуктов и изделий. К внешним факторам относятся: механические нагрузки (статические и ударные, вибрация), климатические условия (солнечная радиация, колебания температуры и относительной влажности воздуха) полимерных ящиков при транспортировке. способность полимерного материала, определяющая качество нанесения печати и внешний вид изделия, обусловливает ее эстетические свойства.
Выполнение всех предъявляемых к таре требований обеспечивается не только выбором необходимого полимерного материала или композиции, но и разработкой технологии изготовления, включая оптимизацию технологических режимов и выбор соответствующего оборудования. Оптимизация состава композиции и технологических режимов процесса переработки позволяет достигать необходимых эксплуатационных характеристик, хорошего внешнего вида получаемой тары, ее высокого качества и долговечности. При этом необходимо обеспечение высокой производительности перерабатывающего оборудования, оптимального расхода сырья, материалов и электроэнергии, максимальной механизации, автоматизации и роботизации технологического процесса, использования вторичного полимерного сырья.
Из всех требований, предъявляемых к полимерной таре, используемой для транспортировки пищевых продуктов, наиболее важными являются санитарно-гигиенические, направленные на сохранение здоровья людей. Пластмассовая тара в виде бочки для рыбной сельскохозяйственной продукции должна быть физиологически безвредной и химически безопасной, так как при контакте с пищевыми средами в них могут мигрировать остаточные мономеры из полимерных материалов, различные низкомолекулярные продукты, стабилизаторы, красители и другие вещества, обладающие токсичностью и наносящие вред здоровью человека.
Существенным требованием, предъявляемым к пластмассовой таре, является ее оптимальная конструкция. Выполнение этого требования позволяет: штабелировать ящики таким образом, чтобы транспортируемая тара занимала минимальные производственные площади при установке на поддоны или при хранении; легко заменять в штабелях вышедшие из обращения ящики при их поломке и переносить их вручную, используя ручки или специальные конструкции, а также перемещать с помощью транспортеров; подвергать мойке и другой санитарной обработке, для чего на верхней кромке ящика делаются сквозные отверстия для удаления промывной воды. Использование модульной конструкции ящика, имеющего различные ребра жесткости, позволяет применять их при больших нагрузках и изготавливать ящики большой вместимости (от 10 до 165 л), расширяя возможности транспортировки и хранения продуктов.
3. Полимерные материалы, используемые для производства транспортной тары
полимерный тара унификация упаковочный
Для производства изделий, сочетающих легкость и прочность (к таким изделиям относится и транспортная полимерная тара), все реже используются полимеры в чистом виде. Для этих целей необходимо применять полимерные материалы в виде композиций. В самом принципе создания таких композиций заложены неограниченные возможности получения материалов с заранее заданными свойствами, отвечающими требованиям эксплуатации.
Основные физико-механические характеристики полимерного композиционного "материала"' во многом определяются свойствами и структурой непрерывной матрицы (базового полимера), характером вводимых добавок и их распределением, г для наполненных композиций — адгезией полимера к наполнителю и свойствами межфазного (граничного) слоя полимер — наполнитель. В качестве наполнителей могут использоваться не только дисперсные или волокнистые минеральные и органические продукты, но и сами полимеры (полимер-полимерные композиции или смеси полимеров). Стремление повысить деформационную стойкость полимерной композиции, предназначенной для производства тары, используемой при повышенных температурах, приводит к выбору жестких линейных полимеров (таких, как ПЭВП, ПП, ПС, ПА). Для сохранения монолитности такой матрицы, особенно в условиях динамического, циклического нагружения и вибрационных воздействий, в том числе при низких (минусовых) температурах, необходимо введение эластифицирующих и модифицирующих добавок в процессе переработки. Этого можно добиться введением в полимерную матрицу низкомолекулярных или олигомерных пластификаторов, а также высокомолекулярных эластифицирующих добавок. При получении наполненных композиций важно обеспечение равномерного распределения наполнителя в полимере с целью достижения однородной структуры получаемого материала и необходимой текучести расплава при формовании тары.
Создание композиции начинается с выбора исходного (базового) полимера.
4. Исходные полимеры
Для производства полимерной тары пригодны следующие термопласты: полиэтилен низкой плотности (ПЭНП), полиэтилен высокой плотности (ПЭВП), полипропилен (ПП), поливинилхлорид (ПВХ), полистирол (ПС), полиамид (ПА), поликарбонат (ПК), полиэтилентерефталат (ПЭТФ).
Полиэтилен низкой плотности — ПЭНП или ПЭВД (ГОСТ 16337—81) является во всех странах наиболее многотоннажным продуктом. ПЭНП легко формуется, химически стоек, нетоксичен, имеет довольно высокую проницаемость по отношению к маслам и топливам. Изделия из ПЭНП обладают высокой эластичностью, морозостойкостью (до —70 °С), стойкостью к кислотам, щелочам и многим органическим растворителям (до 60 °С), хорошей водостойкостью, газо- и паропроницае-мостью, легко термосвариваются. Достоинством их также является умеренная стоимость. Плотность ПЭНП — до 940 кг/м3. Недостатки ПЭНП — невысокие механическая прочность (до 20 МПа) -и модуль упругости, низкие теплостойкость и стойкость к растрескиванию. Повышения-модуля упругости можно достигнуть; при изготовлении двухслойных материалов, комбинируя полиэтилен с картоном, фольгой и др.
В некоторых странах находят широкое применение двухслойные и двухцветные полиэтиленовые мешки с термосварными швами, внутренний слой которых имеет черный цвет, а наружный — белый. ПЭНП применяется в основном для производства мелкой раздувной и термоформованной тары одноразового использования.
Для производства крупногабаритной транспортной тары ПЭНП непригоден, о чем свидетельствуют результаты прогнозирования его поведения в условиях длительной эксплуатации под нагрузкой при разных температурах.
При эксплуатации тары в условиях статической нагрузки (особенно в режиме хранения) лимитирующим фактором, ограничивающим ее работоспособность, является недлительная прочность, а ползучесть; деформация к моменту разрыва значительно превышает допустимый предел для ПЭНП. По этой причине ПЭНП не рекомендуется использовать для производства транспортной тары, работающей в условиях статической нагрузки. Для изделий, работающих в условиях релаксации напряжений (потребительская тара), сочетание значительной длительной прочности с малой жесткостью является благоприятным. Поэтому ПЭНП в основном используют для получения потребительской тары.
Основные способы изготовления тары из ПЭНП: литье под давлением, экструзия, экструзия с раздувом (раздувное формование), ротационное формование, термоформование.
Полиэтилен высокой плотности — ПЭВП или ПЭНД (ГОСТ 16338). К ПЭВП относятся ПЭ низкого и среднего давления (ПЭНД и ПЭСД). ПЭВП наиболее широко используется для получения тары. Его мировое производство составляет около 10 млн. т в год. Этот полимер является линейным, в отличие от ПЭНП, который имеет разветвленную структуру. ПЭВП используется в тех случаях, когда требуется высокая стойкость к растрескиванию и короблению, глянцевая поверхность изделий, высокая теплостойкость и хорошие прочностные показатели.
Он обладает значительной жесткостью, высокой ударной прочностью, стойкостью к растрескиванию под напряжением, имеет более высокие прочностные и теплофизические характеристики, чем ПЭНП, малые водо-поглощение и газопроницаемость. Его плотность — до 960 кг/м3. ПЭСД также пригоден для производства транспортной тары. ПЭВП перерабатывается экструзией, литьем под давлением, экструзией с раздувом, ротационным формованием.
Полипропилен — ПП (ТУ 6-05-1105—78). В последние годы значительно расширено производство отечественного ПП, который является наряду с ПЭВП одним из наиболее перспективных-полимеров для производства транспортной тары. ПП занимает в настоящее время первое место по темпам роста производства и применения во всем мире. Его мировое производство в настоящее время составляет более 10 млн. т в год. Предполагается, что к 2000 г. ПП станет самым крупнотоннажным из всех термопластов. Растущий интерес к ПП не случаен. Он обусловлен, с одной стороны, благоприятным сочетанием физико-механических, химических, теплофизических и электрических свойств, а также его хорошей перерабатываемостью, а с другой стороны, доступностью необходимого для его производства мономера, более дешевого, чем этилен и стирол, что создает ему прочное конкурентоспособное положение на мировом рынке. Это положение ПП обеспечивается достигнутым уже значительным прогрессом в технологии его производства и интенсивной деятельностью в области ее усовершенствования. ПП вследствие особенностей структуры легче других термопластов подвергается модификации и наполнению с целью совершенствования его эксплуатационных свойств. ПП является одним из наиболее легких полимеров (плотность его составляет 910 кг/м3), поэтому основным его потребителем являются пищевые отрасли промышленности, где он используется не только в производстве пленок, но и для получения флаконов, ящиков; а также транспортной тары. Полипропилен обладает по сравнению с другими полимерами более высокой теплостойкостью, в связи с чем получаемые из него изделия можно подвергать стерилизации. Недостатками ПП являются: низкая светостойкость, а также малая деформируемость при минусовых температурах (низкая морозостойкость). Эти недостатки можно устранить модификацией при создании и переработке композиций на основе ПП. Перерабатывается ПП теми же методами, что и ПЭВП.