Kierrätettävien mono-PP-kalvojen turvallinen käsittely lämpömuovausjärjestelmissä.
Pakkausvalmistajiin kohdistuva paine laminoitujen kalvojen vastuulliseen käsittelyyn kasvaa. Mono-PP-kalvot ovat kierrätettävä vaihtoehto PET-kalvoille. Vaikka mono-PP-kalvojen hyödyt kiertotalouden suhteen ovat ilmeisiä, ne ovat silti haasteellisia pakkaajille. Andreas Dietrich / Weber Food Technology GmbH esitteli Osnabrückin Inno-Meetingissä, miten niitä voidaan käsitellä turvallisesti lämpömuovausjärjestelmissä.
– Dieter Finna
Tällä hetkellä...
… APET/PE- tai boPET/PE-materiaaleista valmistettuja komposiittimateriaaleja käytetään paljon loppukuluttajille tarkoitettujen, viipaloitua makkaraa tai juustoa sisältävien pakkausten valmistukseen. Nämä kalvot tarjoavat hyvän koneen ohjattavuuden sekä korkeat barrier-ominaisuudet. Materiaalien kierrätyksessä ne eivät kuitenkaan täytä hyvän lajiteltavuuden ja kierrätyksen vaatimuksia. Tässä kohtaa mono-PP-kalvojen käyttö tulee esiin. Nämä kalvot ovat 90-98-prosenttista polypropeenia ja niitä voidaan käsitellä lämpömuovausjärjestelmissä. Niiden välillä on kuitenkin usein merkittäviä eroja.
Pakkauslinjojen houkuttelevuutta ja tuottoa voitaisiin parantaa.
Lämpömuovausjärjestelmillä valmistettujen PP-mallien haittapuolena on ennen kaikkea niiden ulkonäkö. Weber Food Technology GmbH:n pakkaussovellusinsinööri Andreas Dietrich kuvailee PP-pakkausten tuloksia usein "vähemmän houkutteleviksi, koska ne näyttävät aaltoilevilta, eivät ole niin hyvin läpinäkyviä ja ne ovat myös pehmeämmän tuntuisia". Nämä tunnistettavat erot johtuvat osittain polypropeenin luonnollisista ominaisuuksista.
Jotkin mono-PP-kalvotyypit muodostavat hyvän, vakaan muodon, vakaan alustan. Päällyskalvo ei kuitenkaan useinkaan ole yhtä tiukasti venytetty kuin boPET-pohjaisilla kalvoilla. Andreas Dietrichin kokemuksen mukaan tämä ilmiö esiintyy erityisesti uudelleen suljettavien päällyskalvojen kohdalla.
Toinen haittapuoli on se, että mono-PP-kalvoja käyttävien pakkauslinjojen tuotantomäärät ovat pienempiä, koska materiaali lämpenee ja jäähtyy hitaammin. Koska PP-kalvosta valmistettujen pakkausten muovaus on jonkin verran monimutkaisempaa, järjestelmän syklitaajuutta on pienennetty niin, että kone toimii hieman pienemmällä nopeudella. Suurten, teollisten juustopakkauslinjojen vähentäminen 12 t/min:stä 11 t/min:iin vähentäminen 400 g:n juustopakkauksissa merkitsee jo sitä, että 20 tunnin tuotantopäivän aikana pakataan 6,5 tonnia vähemmän juustoa, mikä merkitsee yli 8 prosentin laskua.
Erilainen materiaali – erilainen lähestymistapa.
Koska mono-PP-kalvon muovausprosessi eroaa perinteisistä kalvoista materiaalin vuoksi, Andreas Dietrichille on selvää, että materiaalin muutos on otettava huomioon myös pakkauskoneen suunnittelussa ja koneparametreissa. Jos oletetaan, että koneessa on niin sanottu sandwich-lämmitys eli kaksi lämmityslevyä, toinen yläpuolelta ja toinen alapuolelta, suhteellisen lyhyet 1-2 sekunnin lämmitys- ja muovausajat riittävät APET/PE-laminaateille, joiden kalvonpaksuus on 250 µm. Lämpötilat ovat 98 °C - 113 °C. Tämän 15 °C:n muotti-ikkunan ansiosta PET/PE-komposiittien lämmitysvaihtelut eivät ole juurikaan merkittäviä. Markkinoilla olevat koneet on säädetty näihin parametreihin.
Sitä vastoin polypropeenin kalvonpaksuudet ovat yleensä hieman suurempia, koska hieman pehmeämpi rakenne kompensoidaan hieman paksummalla 300 µm:n PP/PP-kalvolla. Tämä puolestaan vaikuttaa lämmitys- ja muovausaikaan, joka hieman paksummalla kalvolla kasvaa noin 2,5 sekuntiin.
Jos kokeet aloitetaan nyt mono-PP-kalvolla, linjojen lämpötilaa mukautetaan usein vain uuden materiaalin mukaan, mutta lämmitys- ja muovausaikoja ei mukauteta. Siitä aiheutuu ulkonäköön poimuja, aaltoja ja epävakaan alustan.
Miten alustoihin tulee poimuja?
Ratkaisujen löytämiseksi on ymmärrettävä, mikä aiheuttaa poimut ja aaltoilun. Ne voivat johtua monista eri tekijöistä. Andreas Dietrichin kokemuksen mukaan tämä voi johtua epäsopivista asetuksista, mutta myös siitä, että käsittelykoneet ovat olleet käytössä useita vuosia, mahdollisesti ilman optimaalista huoltoa, ja ne ovat aina tähän asti käsitelleet PET-kalvoja. PET hiovana aineena kuluttaa lämmityslevyjen, erityisesti alemman lämmityslevyn, teflonpinnoitteen. Tämän seurauksena siitä tulee sileä, eikä sillä ole enää tarttumattomuusominaisuuksia. Vaikka PET:tä voidaan edelleen käsitellä lämpömuovauslaitteilla, polypropeenikalvoissa kalvon ja kuluneen lämmityslevyn väliin jää ilmaa, mikä aiheuttaa kuplia, eräänlaisia ”suonikohjuja”, lämpökuvaan. Nämä näkyvät sitten selvästi pakkauksessa.
Lisäesteenä on, että PP-kalvo laajenee huomattavasti kuumana. Lämpömuovauslaitteessa kalvo ensin kuumennetaan ja kuljetetaan sen jälkeen yhden työvaiheen verran eteenpäin kuumana, jotta se voidaan muovata. Lämmitys- ja muovaustyökalujen sulkeminen aiheuttaa tietynlaisen ongelman. Pehmeä, lämmin kalvo, joka luonnostaan venyy hieman, ja muotin sulkemisen yhteydessä tapahtuva ilman liike saavat kalvon venymään eräänlaiseksi kuplaksi, joka puristuu tasaiseksi, kun muotti suljetaan. Tästä syntyy usein myös poimuja. PP:n osalta tämä veto ja siten kuplien muodostuminen pyritään välttämään sopivilla teknisillä toimenpiteillä.
Lämpökuvat paljastavat syyt prosessiparametreissä.
Eri lämmitys- ja muovausaikojen vaikutus pakkauksen ulkonäköön näkyy kuvista, jotka Weber on ottanut kaksoisoptisella lämpökameralla heti muovausasemalta poistumisen jälkeen.
Ensimmäisessä lämpökuvassa näkyy raja-arvoinen tulos, joka perustuu APET-kalvokomposiittien muodonmuutosparametreihin, jossa vain lämpötilaa on säädetty. Seuraavassa taas näkyy optimoitu tulos, jossa kaikki prosessivaiheet on optimoitu PP-kalvon osalta. Tämän pakkauksen valmistuksessa käytettyjen prosessiparametrien vertailu selventää, mitkä parametrit edistävät pakkauksen optimointia, ja että PP-monokalvosta valmistettuja pakkauksia voidaan optimoida.
Keskeinen parametri pakkausta muotoiltaessa on paineen muodostuminen, mikä on erityisen tärkeää, kun käsitellään mono-PP-kalvoja. Jos se on liian matala ja liian hidas, kalvo ei muovaudu kunnolla. Pakkauksessa on suuria lämpötilaeroja, tässä esimerkissä jopa 21 astetta pakkauksen keskiosan ja rivoituksen välillä. Tuloksena on materiaalin jännittyminen ja lopulta aaltoilu.
Toinen lämpökuva osoittaa, että jos muovausprosessi on säädetty optimaalisesti — lämmitys- ja muovausajat ovat 2,5 sekuntia, lämmityslämpötila on 135 °C, paineen nousu muovauksen aikana on 1 baaria 0,2 sekunnissa ja jäähdytys on säädetty tehokkaasti — lämpötilaerot pakkauksen keskikohdan ja rivoituksen välillä voidaan laskea noin 7 °C:een.
Pakkaussuunnittelun vaikutus.
Käsittelyparametrien lisäksi myös pakkaussuunnittelulla on tärkeä rooli. PP-kalvoa käytettäessä pakkauksessa ei saa olla liian pieniä yksityiskohtia. Vasemmalla olevassa esimerkissä ripojen säde on R8 mm ja syvyys 2 mm. Mitä pienemmiksi säteet muuttuvat, sitä vaikeampi niitä on muovata ja sitä aaltoilevampi pakkauksesta voi tulla. Tällainen malli voidaan toteuttaa hyvin rivoituksen avulla.
Myös kulmasäteillä on tärkeä tehtävä. Oikealla olevassa esimerkissä niiden säde on R9 mm, mikä on hyvä arvo. Jos nämä ovat liian pieniä, pakkaus menettää vakauttaan, vääntyy helpommin ja muuttuu aaltoilevaksi.
Ja se toimii.
"Yksi tekijä hyvään tulokseen mono-PP-kalvojen kanssa on hyvä ja tarkka lämmitys sandwich-lämmittimellä, joka pitää lämpötilan mahdollisimman vakaana. Tämä edellyttää pisintä mahdollista lämmitysaikaa, noin 2,5 sekuntia.”
Toinen tekijä on erittäin nopea muovaus. Tämä saavutetaan muotin paineen nopealla nostolla, mutta sen on oltava mahdollista myös itse kalvon avulla. Kalvon on muovauduttava vain 0,2 sekunnissa. Kalvon alapuolella on -0,7 baarin alipaine, joka johtuu muottityhjiöstä. Lisäksi ylhäältä tulevan nopean paineen nousun vuoksi syntyy +1,0 baarin ylipaine. Yhteensä absoluuttinen paine-ero on 1,7 baaria. Puristusajan ja siten myös jäähdytysajan on oltava mahdollisimman pitkä. Yleisesti ottaen lämmittämisen, muovaamisen ja jäähdyttämisen tavoitteena on saavuttaa pakkauksessa mahdollisimman alhainen ja tasainen lämpötila. Näin lämpötilaerot pakkauksen keskikohdan ja reunojen välillä voidaan vähentää esimerkiksi 7 °C:een.
Kolmas tekijä on sopiva mono PP-kalvo. ”Kaikilla kalvoilla ei saa haluttua lopputulosta”, osaa Andreas Dietrich kertoa käytännön kokemuksestaan. Jos edellä mainitut parametrit otetaan huomioon, mono-PP-kalvosta voidaan valmistaa tarkasti muotoiltuja pakkauksia 12 sykliä/minuutissa markkinoiden vaatimusten mukaisesti.
Valitse osasto
