Давно уже говорилось, что рано или поздно бутылки из полипропилена вытеснят бутылки из стекла и ПЭТ.
Тем не менее, предсказанного прорыва не произошло. Действительно, полипропилен дешевле и он более термостоек, нежели ПЭТ, но он также обладает и меньшей жесткостью, прозрачностью и барьерными свойствами, он также хуже переносит обработку. Самое скверное то, что медленная скорость обработки ОPP выводит его за рамки конкурентной борьбы в экономическом плане. В настоящее время возрождается интерес рынка к бутылкам и емкостям из ПОЛИПРОПИЛЕНА, и возобновляются разговоры о давно ожидаемом прорыве в этой области. Вновь заявляется, что прозрачные и жесткие контейнеры из полипропилена, которые производятся с помощью установок одноэтапного литья под давлением с раздувом и выяжкой (ISBM) и двухэтапного формования с раздувом и вытяжкой с повторным нагревом (SBM) дают возможность изменить стоимость упаковки воды, сока, пищевых продуктов горячего наполнения, сухих порошков и предметов личной гигиены.
“Мы смотрим на бутылки из полипропилена с надеждой, что произойдет существенное изменение производственных затрат”, - заявляет Сурендра Агаравал, директор по научно-исследовательским и проектно-конструкторским работам компании Kraft Foods, Гленвью, Иллинойс. По сравнению со стеклянными, бутылки из полипропилена легче, меньше бьются и проще в обращении.
У ПЭТ той марки, из которой изготавливаются бутылки, плотность составляет 1.35 г/куб. см., в настоящее время он продается по 63¢/фунт, в то время как плотность статистического сополимера полипропилена, который используется для изготовления ориентированных бутылок, составляет примерно 0.910 г/куб. см., и стоит он примерно 56¢/фунт. Это делает бутылки из полипропилена на 40% дешевле в объемном измерении, по сравнению с бутылками из ПЭТ. Агаравал также отмечает, что бутылки из полипропилена весят меньше, чем бутылки из ПЭТ, а их «практическая прозрачность» такая же, как у бутылок из ПЭТ.
Примерно 57 миллиардов бутылок из ПЭТ были использованы в Северной Америке в 2002 г. До 60,000 бутылок в час можно производить выдувным формованием на высокопроизводительных ротационных установках для SBM с повторным нагревом. Производство же бутылок из полипропилена, напротив, в настоящее время ограничено использованием в нескольких нишах, таким как педиатрические системы питания и пузырьки для таблеток, в основном, в Азии и Южной Америке. Они, по большей части, изготавливаются на одноэтапных установках ISBM, подход, который не прижился для крупномасштабных рынков упаковочных материалов США. Многие источники внутри отрасли со скептицизмом относятся к идее о том, что пропускная способность для преформ из полипропилена и бутылок из полипропилена когда-либо сможет сравняться с производительностью для бутылок из ПЭТ.
Борьба с недостатками полипропилена
До настоящего времени рост производства бутылок из полипропилена сдерживался имевшимися недостатками в области скорости обработки и физических свойств по сравнению со свойствами ПЭТ. Тем не менее, сторонники РР говорят, что эти препятствия теперь преодолены с помощью усовершенствованного оборудования, оптимизированных конструкций преформ и бутылок, усовершенствованных полипропиленовых смол, а также добавок, специально адаптированных для производства бутылок.
“Наши исследования показывают, что использование оборудования с высокой пропускной способностью, а также соответствующих конструкций полипропиленовых преформ и бутылок из полипропилена, позволяют иметь параметры не хуже, чем у ПЭТ, по пропускной способности оборудования, прозрачности, жесткости-твердости, а также органолептическим свойствам”, - заявляет Роберт Портной, разработчик рынков компании ExxonMobil. Он и ряд других сотрудников занимались вопросами соотношения затрат и эффективности на недавней конференции NovaPack 2004. Портной сообщает, что бутылки из полипропилена являются очень конкурентоспособными, если их производить на высокоскоростных ротационных установках SBM с повторным нагревом, таких как установки, производимые компаниями Sidel, SIG Corpoplast, и другими. Конкурирующие поставщики оборудования, тем не менее, считают, что достойными альтернативами являются также одноэтапные установки ISBM и поточные установки SBM с повторным нагревом.
Для успешного распространения бутылок из полипропилена в США могут понадобиться установки выдувного формования с высокой пропускной способностью, такие как эта выдающая 30,000 бутылок в час система ISBM от компании Sipa.
Проблема полипропилена заключается в том, что он более устойчив к поглощению и рассеиванию тепла, чем ПЭТ, в то время как бутылки из полипропилена обычно имеют более толстые стенки. Таким образом, несмотря на более низкую температуру обработки полипропилена (2300 C) на этапе литьевого формования преформ, рабочие циклы более продолжительные. Выдувание бутылок из полипропилена осуществляется при 1300 C, на него затрачивается больше энергии, и циклы формования и охлаждения здесь более длительные, чем при производстве из ПЭТ. В результате скорость пропускаемости для производства из полипропилена ниже почти на 25%, чем для производства из ПЭТ.
Технологическое окно полипропиленов при формовании с раздувом и вытяжкой уже, чем у ПЭТ (5° C против 15° C для ПЭТ), что увеличивает риски простоя и брака. Полипропилен также по-другому вытягивается, это тоже фактор, с которым придется считаться проектировщикам преформ и бутылок. Для того, чтобы получить для полипропилена ту же прозрачность, что и у ПЭТ, необходимо будет оптимизировать ориентацию и степень растяжения. Некоторые участки преформы, такие как основание и горлышко, могут оказаться менее ориентированными, чем сам корпус бутылки, что делает бутылки подверженными образованию вуали.
Более низкая жесткость PP также означает, что у бутылок из полипропилена меньше верхняя и ободковая прочность, чем у бутылок из ПЭТ. А это вместе с более низкими барьерными свойствами против углекислого газа, исключает использование бутылок из полипропилена при упаковке газированных напитков. Для того, чтобы иметь равнозначную жесткость, бутылки из полипропилена должны иметь более толстые стенки, чем их аналоги из ПЭТ. Тем не менее, бутылки из полипропилена обычно получаются легче, чем бутылки из ПЭТ, поскольку более низкая плотность полипропилена компенсирует дополнительную толщину стенок.
Для бутылок из полипропилена также свойственная им проницаемость кислорода и углекислого газа больше, нежели проницаемость ПЭТ, что препятствует их использованию в качестве барьерных контейнеров, если только не будет нанесено покрытие или осуществлено совместное литье с барьерной смолой.
Новые разработки в области материалов позволяют преодолевать некоторые пробелы в эксплуатационных характеристиках бутылок из полипропилена. Одним из средств является осветлитель, такой как Millad 3988, высокопроизводительный продукт с низким содержанием отходов от компании Milliken Chemical. Он широко используется за пределами США при производстве бутылок из полипропилена для витаминов, воды, чая, соков, моющих веществ и фармацевтических препаратов.
“Наш осветлитель предназначен для преодоления основных проблем, возникающих при использовании бутылок из полипропилена”, - заявляет Радж Батло, менеджер по развитию рынков компании Milliken. К числу таких проблем относится дымчатость (в основном, у горла и основания), слишком длительный цикл при изготовлении преформ (с которым мы боремся с помощью усиленного структурообразования), и плохая технологическая стабильность при формование с вытяжкой и раздувом.
Внедрение новых осветленных марок полипропилена компаниями ExxonMobil, Basell, Atofina, и BP Petrochemicals расширило перспективы использования полипропилена при производстве бутылок. Специально предназначенные для формования с раздувом и вытяжкой марки обеспечивают высокую прозрачность и текучесть в сочетании с исключительной сбалансированностью жесткости и твердости. Для производства полипропиленов нового поколения используются катализаторы с низким образованием отходов и не используются нарушающие вязкость пероксиды, которые ранее способствовали образованию органолептических недостатков.
Basell предлагает марку металлоценового полипропилена (mPP) для рынка формования с раздувом и вытяжкой. Metocene X50182, материал со скоростью течения расплава 18, прошел испытания на оборудовании компании Sidel. Это уменьшает дымчатость боковых стенок бутылки до 1.5% и усиливает глянцевость до 82%. Atofina также осуществляет оценку своего mPP для производства бутылок из полипропилена, рассматривая его в качестве кандидата для смешивания с традиционным полипропиленом для повышения прозрачности.
Преимущества бутылок из полипропилена
Одной из немногих компаний, которые действительно производят бутылки полипропилена в Северной Америке, является Container Corp. of Canada (CCC). Норман Готтлиб, руководитель компании, говорит, что сочетание экономических и экологических преимуществ обусловило несколько лет тому назад обращение компании CCC к производству бутылок из полипропилена. Он описывает бутылки EnviroClear как “уни-полимерную” упаковку, в рамках которой корпус из полипропилена сочетается с полипропиленовой крышкой, кольцом одноразового пользования, и колопэткой-этикеткой вокруг горлышка, образуя полностью утилизируемую и полностью состоящую из полипропилена систему. Готтлиб также добавляет, что под крышкой из стандартного полипропилена очень эффективно скрывается имеющее вуаль покрытие горлышка из полипропилена.
“Мы также видим возможности в гидроизолирующем слое, сдавливаемости и способности подвергаться горячей фасовке бутылок из полипропилена,” – говорит Готтлиб. CCC осуществляет выдувное формование бутылок из полипропилена на 250-, 500-, и 600-куб. см. для ароматизированной воды с использованием общей преформы. Компания также производит бутылки из полипропилена для сухих порошков и пищевых продуктов горячей расфасовки, для упаковки которых необходим гидроизолирующий слой, таких как майонез. Выпускаемые СCC бутылки из полипропилена для горячей расфасовки стоят примерно на 35% меньше бутылки из ПЭТ с отверждением при нагревании.
Хотя барьерные свойства против кислорода и углекислого газа бутылок из однослойного ПЭТ весьма скромны, они намного превосходят барьерные свойства однослойных полипропилена. По словам Роберта Миллера из компании Business Development Associates, консультанта в Вифезде, Мэриленд, это ограничивает использование однослойных полипропилена применениями с очень недолгим сроком хранения, в основном, изготовлением бутылок с объемом менее 500 куб. см. для которых не нужен особый газовый барьер. Примерами применений являются упаковки для рынков спортивных напитков, воды, некоторых пищевых продуктов и большинства не пищевых продуктов.
Во-вторых, источником потенциала является превосходная термостойкость полипропилена, которая позволяет выдерживать горячую расфасовку при температуре до 2050 F. Бутылки из ПЭТ могут подвергаться горячей расфасовке только при температуре до 160-1700 F без отверждения при нагревании. Здесь также нужны вакуумные панели для предотвращения оседания, когда температура горячей расфасовки превышает 1800 F. Для большинства применений ПЭТ с горячей расфасовкой требуется отверждение при нагревании, что увеличивает затраты на 20% из-за того, что нужны более толстые стенки и более медленное производство.
Для бутылок из однослойного полипропилена не требуется отверждения при нагревании, и они могут использоваться на многих рынках с горячей расфасовкой пищевых продуктов, особенно, тогда, когда заполнение осуществляется при наибольших температурах горячей фасовки (от 1800 до 2050 F). Это открывает перспективы для барьерной и не барьерной упаковки соков, джемов, желе, маринадов, сальсы, а также соусов на основе томата.
Имеется также и третья группа потенциальных рынков, где для использования бутылок из полипропилена и ПЭТ понадобится дополнительный газовый барьер. До тех пор, пока стоимость барьерного материала будет примерно одинакова для каждого из типов контейнеров, бутылки из барьерного ПОЛИПРОПИЛЕНА будут предпочтительнее в качестве замены стекла, за счет своего внутреннего ценового преимущества.
Три дороги к производству
Для преодоления прежних недостатков полипропилена, связанных с пропускной способностью, компании Bekum и CCC (которые проектируют и реализуют свои собственные установки) модифицировали оборудование для ПЭТ под полипропилена. Они рассматривают поточные линейные системы формования с раздувом и вытяжкой с повторным нагревом с количеством гнезд до восьми как рентабельные установки для производства средних по объему серий применений из полипропилена.
“По умолчанию мы поставляет оборудование для производства бутылок из полипропилена,” – говорит Готтлиб, который рассказывает, что первоначально попытки CCC формовать бутылки из полипропилена, которые предпринимались шесть или семь лет назад, были отложены из-за отсутствия соответствующих установок и инструментария из коммерческих источников. В результате, CCC сама спроектировала патентованную поточную линю установок для SBM с повторным нагревом для работы с полипропилена. Установки компании, которые называются EnviroClear (и на которых можно работать также и с ПЭТ) выполнены партнером из Китая, и предлагаются с числом гнезд от двух до восьми. Стоимость с доставкой установки с четырьмя гнездами в США составляет $250,000. Установка производит 900 бутылок в час на одно гнездо, но для следующего поколения установок ожидается модернизация, которая даст производительность до 1100 бутылок в час. Вскоре будет представлена на рынок модель для изготовления банок с широким горлом. CCC предлагает произведенные в Китае преформы и инструментарий для SBM, имеющий до 32 гнезд, по ценам на 40% - 80% ниже, произведенных в стране.
CCC говорит, что ключевое значение имеет оптимальная конструкция преформы. Её собственные преформы рассчитаны на растяжение на 50% больше, чем при работе с ПЭТ для того, чтобы повысить прозрачность. Недавно CCC начала поставлять преформы и оказывать услуги по созданию экспериментальных моделей бутылок.
К числу применений полипропилена, которые компания ССС намерена представить в течение последующих месяцев, относятся: банки с широким горлом для салатных заправок, маринадов, и порошков, а также выдавливаемые контейнеры для шампуней, полоскателей для рта и лекарственных препаратов. Для увеличения прочности верхней и ободковой частей, ССС вводит азот в пространство над веществом заполнения после того, как фасовка завершится.
Компания Bekum America оснащает свои установки для формования с раздувом и вытяжкой с повторным нагревом (такие как двухгнездные RBU-225) так, чтобы они могли переходить при производстве бутылок с работы на ПЭТ на работу с PP. Несколько лет тому назад, Bekum спроектировала свою первую полностью электрифицированную установку для SBM с повторным нагревом специально для работы с PP. У этой установки на шесть гнезд SB-6 номинальная мощность 7200 бутылок в час, что всего на 15% медленнее, чем при работе с ПЭТ при том же количестве гнезд.
За другой подход к производству ратует Скотт Стил, вице-президент компании Plastic Technologies Inc. (PTI), которая проектирует и создает экспериментальные модели преформ из ПЭТ, инструменты и бутылки. Он утверждает, что самым лучшим способом получить преимущества от производства бутылок из полипропилена является их изготовление на высокопроизводительных ротационных установках для SBM с повторным нагреванием с постоянной производительностью в 1000 бутылок на гнездо в час.
PTI имеет смоделированное на компьютере производство 24-граммовых бутылок из полипропилена на установке компании Sidel с такой скоростью, и в компании предсказывают, что средняя цена за единицу будет на 10¢ ниже, чем за бутылку из ПЭТ. Но при обычных скоростях производства бутылок из полипропилена (600 бутылок на гнездо в час), прогнозируемая цена за единицу будет больше, чем для бутылки из ПЭТ.
По словам Стила, для оптимизации производительности бутылок из полипропилена необходимой строгий технологический контроль. Если выдувать бутылки при температуре слегка ниже температурного диапазона полипропилена, их нельзя будет правильно растягивать, из-за этого возникнет плохая прозрачность или разрыв преформ. Если выдувать бутылки из полипропилена при температуре, превышающей температурное окно, образуются корпуса, горлышки и основания с вуалью, а также создается плохое распределение материала в стенках и липкость бутылок, которое может повлечь за собой нарушение технологического процесса ниже по цепочке. По словам Стила, скорость производства 1000 бутылок на гнездо в час является экономической необходимостью. Для того, чтобы добиться такой скорости, PTI использует лабораторные исследования, а также свое программное обеспечение Virtual Prototyping для прогнозирования воздействия “быстро нагревающих” добавок, которые ускоряют поглощение тепла преформами из ПЭТ.
PTI также осуществляет моделирование методик охлаждения воздуха и воды, которые в настоящее время используются для ускорения обработки бутылки из ПЭТ. Компания PTI установила, что эти технологии можно успешно переносить на производство бутылок из полипропилена, что сделает возможным достижение целевой скорости в техническом и экономическом аспектах.
PPI работала с добавками быстрого нагревания в маточным смесях от компании Colormatrix. По словам коммерческого директора Colormatrix Дэвида Макбрайда, те же самые добавки, которые ускоряют нагревание преформ из ПЭТ так же эффективны и при изготовлении бутылок из полипропилена.
ExxonMobil также осуществляла разработку экспериментальной модели и компьютерное моделирование производства бутылок из полипропилена на ротационных системах для SBM с повторным нагревом. В компании использовали модифицированные установки компании Sidel, специальную конструкцию преформ, а также полипропиленовую смолу со специально адаптированными свойствами, PP9505E1. Этот материал со скоростью течения расплава 30 обладает дымчатостью в 6% при 1 мм в толщину и модулем упругости при изгибе 166,000 ф. на кв. дюйм. У бутылок из полипропилена дымчатость составляет менее 2%.
ExxonMobil создала экспериментальную модель, и сравнила варианты бутылок из ПЭТ и полипропилена объемом 750 куб. см. той же конструкции и массы. Портной описывает преформы из полипропилена как более широкие и длинные, чем варианты из ПЭТ, с меньшей общей степенью растяжения, но лучшим соотношением растяжения в осевом и радиальном направлениях. Преформы из полипропилена имеют тонкостенную конструкцию для ускорения повторного нагревания и охлаждения.
ExxonMobil установила, что производство преформ из полипропилена осуществляется быстрее, чем из ПЭТ, при режиме свободного падения, в то время как роботизированное извлечение дало примерно одинаковую продолжительность цикла. Обычно предсказывали, что формование преформ из полипропилена, смоделированное на компьютере, для формы на 48 гнезд даст более короткие циклы, чем при работе с ПЭТ. Моделирование показало, что бутылки из полипропилена можно выдувать при максимальной мощности на лабораторной установке компании Sidel.
Что же касается эксплуатационных характеристик для бутылок полипропилена, ExxonMobil обнаружила органолептические свойства, равные свойствам ПЭТ. Верхняя прочность была несколько ниже, чем для бутылок из ПЭТ той же массы, но все же она была вполне достаточной для многих применений. Прочность бутылок из полипропилена при воздействии падающего груза была ниже, чем у бутылок из ПЭТ, но все же достаточной для бутылок из однослойного полипропилена для охлажденных применений.
Руководство Sipa считает, что имеющаяся у компании “полутора этапная” интегрированная установка для ISBM является эффективным тпэтьим вариантом для производства бутылок из ОРP. Конструкция этой установки сочетает этапы литьевого формования преформ и выдувание бутылок, которые механически отделены друг от друга, но соединены воедино интегральным робототехническим устройством извлечения и линейным конвейером. Джон Элвард, коммерческий вице-президент компании Sipa, говорит, что вариант модели FX20/80E, адаптированный для работы с полипропилена, имеет скорость 30,000 бутылок в час. В установке используется специальный шнек и модернизированная печь для повторного нагрева. В компании Sipa предпочитают использование более толстых и хорошо растягивающихся преформ из полипропилена, заявляя, что они дают превосходную прозрачность и распределение толщины стенок. Там утверждают, что так легче осуществлять погрузку-разгрузку, и что повторный нагрев преформ из полипропилена протекает быстрее. Sipa создала экспериментальные модели большого количества контейнеров из полипропилена для воды, молока и продуктов горячей расфасовки.
Nissei ASB сообщает, что вариант их одноэтапной платформы для ISBM, приспособленной для производства бутылок из полипропилена, прокладывает себе дорогу на рынки США, особенно, при производстве применений, для которых нужен гидроизолирующий барьер, или которые должны выдерживать температуры автоклава (например, упаковка медицинских устройств). Установки ASB-650EX3 для работы с полипропилена компании Nissei снабжены специальным барьерным шнеком, станцией предварительного выдерживания для обработки преформ, и независимыми задвижками и таймерами для приведения в действие воздуха для выдувания каждого из гнезд.
Скоро появятся барьерные бутылки из полипропилена
Компания Pechiney Plastics Packaging Inc. со штаб-квартирой в Чикаго, в настоящее время часть Alcan, производит бутылки из трехслойного ориентированного барьерного PP/EVOH/PP на модернизированном ротационном оборудовании для SBM с повторным нагревом компании Sidel. PPPI модифицирует полипропиленовые поверхностные покрытия так, чтобы они прочно прилипали к барьерам из EVOH без использования связующих слоев. Бутылки Gamma Clear компании PPPI изготавливаются в моделях на 16 и 26 унций. У последней широкое горлышко (63 мм) и устойчивость к воздействию температуры 2050 C при стоимости, конкурентной по отношению к стеклу и ПЭТ.
“Нашей основной задачей является замена стекла в применениях, требующих длительного срока хранения, хорошего кислородного барьера и более высоких температур горячей расфасовки”, - говорит Джон Хёпер, вице-президент по маркетингу компании PPPI. Первой целью является соус для пасты, в настоящее время обычно упаковываемый в стеклянную тару и фасуемый при 1950 C. Для этой упаковке в противном случае потребовалась бы дорогостоящая бутылка из барьерного ПЭТ с отверждением при нагревании. “Бутылки из полипропилена представляют собой более дешевую альтернативу стеклянным емкостям в доминирующем размере в 26 унций на этом рынке бутылок емкостью в 800 миллионов бутылок в год», - рассказывает Хёпер, который планирует представление для коммерческого использования на 2005 г. Бутылки из ПЭТ могут предназначаться для горячей расфасовки при температуре до 1800 C с помощью использования устойчивых к вакууму панелей и конструкций со смыканием и захватом. Бутылки из полипропилена могут выдерживать горячую расфасовку и при более высоких температурах и без этих устройств, что позволяет освободить место для маркировки и дает большую свободу действий на рынке. PPPI считает, что ее бутылки из PP/EVOH имеют большой потенциал развития при использовании для упаковки сальсы, яблочного соуса и других продуктов горячей расфасовки.
Kortec оценивает потенциал контейнеров из многослойного полипропилена. Джон Кермет, вице-президент по маркетингу, считает, что они скорее дополняют контейнеры из барьерного ПЭТ, нежели составляют ему конкуренцию. Он прогнозирует новые использования термостойких полипропилена при производстве пищевых пастеризуемых и стерилизуемых продуктов горячей расфасовки, которые теперь упаковываются в металлические и стеклянные банки. Бутылки из барьерного полипропилена могли бы заменить стальные банки за счет наличия у них свойства прозрачности.
Еще одним способом внедрения контейнеров из барьерных полипропилена является приспосабливание технологий нанесения покрытий, которые уже разработаны для бутылок из ПЭТ. Компания PPG Industries заявляет, что ее эпоксидно-аминовое покрытие Bairocade улучшает кислородный барьер бутылок из полипропилена при стоимости, сопоставимой со стоимостью ПЭТ с покрытием. Покрытия напыляются на внешнюю сторону бутылок, а затем отверждаются при нагревании.
Майк Гэйджик, менеджер глобальных продаж компании PPG, говорит, что к концу года следует ожидать коммерческого использования Bairocade для изготовления бутылок из OPР. PPG может менять рецептуры покрытий и толщину слоя для того, чтобы получить кислородный барьер, равный барьеру контейнеров из ПЭТ, однослойных или с усиленными барьерными свойствами. “Барьерные свойства бутылок из полипропилена улучшаются за счет нашего термоотверждающегося покрытия, которое наносится при более высокой температуре, чем на ПЭТ, что способствует отверждению”, - говорит Гэйджик.
При производстве бутылок из полипропилена для хорошей адгезии покрытия необходимы обработка плазмой, пламенем или коронным разрядом. По словам Гэйджика, эти технологии можно включить в поточную линию с минимальными дополнительными затратами. Компанией ССС была разработана патентованная технология нанесения покрытия методом погружения для улучшения свойств кислородного барьера бутылок из полипропилена. “Наша гибкая технология нанесения покрытия методом погружения является эффективным вариантом для производства бутылок меньшего размера, не сферических и с причудливой формой”, - говорит Готтлиб. CCC разработала установку для обработки от 3600 до 5600 бутылок в час.
Тем не менее, предсказанного прорыва не произошло. Действительно, полипропилен дешевле и он более термостоек, нежели ПЭТ, но он также обладает и меньшей жесткостью, прозрачностью и барьерными свойствами, он также хуже переносит обработку. Самое скверное то, что медленная скорость обработки ОPP выводит его за рамки конкурентной борьбы в экономическом плане. В настоящее время возрождается интерес рынка к бутылкам и емкостям из ПОЛИПРОПИЛЕНА, и возобновляются разговоры о давно ожидаемом прорыве в этой области. Вновь заявляется, что прозрачные и жесткие контейнеры из полипропилена, которые производятся с помощью установок одноэтапного литья под давлением с раздувом и выяжкой (ISBM) и двухэтапного формования с раздувом и вытяжкой с повторным нагревом (SBM) дают возможность изменить стоимость упаковки воды, сока, пищевых продуктов горячего наполнения, сухих порошков и предметов личной гигиены.
“Мы смотрим на бутылки из полипропилена с надеждой, что произойдет существенное изменение производственных затрат”, - заявляет Сурендра Агаравал, директор по научно-исследовательским и проектно-конструкторским работам компании Kraft Foods, Гленвью, Иллинойс. По сравнению со стеклянными, бутылки из полипропилена легче, меньше бьются и проще в обращении.
У ПЭТ той марки, из которой изготавливаются бутылки, плотность составляет 1.35 г/куб. см., в настоящее время он продается по 63¢/фунт, в то время как плотность статистического сополимера полипропилена, который используется для изготовления ориентированных бутылок, составляет примерно 0.910 г/куб. см., и стоит он примерно 56¢/фунт. Это делает бутылки из полипропилена на 40% дешевле в объемном измерении, по сравнению с бутылками из ПЭТ. Агаравал также отмечает, что бутылки из полипропилена весят меньше, чем бутылки из ПЭТ, а их «практическая прозрачность» такая же, как у бутылок из ПЭТ.
Примерно 57 миллиардов бутылок из ПЭТ были использованы в Северной Америке в 2002 г. До 60,000 бутылок в час можно производить выдувным формованием на высокопроизводительных ротационных установках для SBM с повторным нагревом. Производство же бутылок из полипропилена, напротив, в настоящее время ограничено использованием в нескольких нишах, таким как педиатрические системы питания и пузырьки для таблеток, в основном, в Азии и Южной Америке. Они, по большей части, изготавливаются на одноэтапных установках ISBM, подход, который не прижился для крупномасштабных рынков упаковочных материалов США. Многие источники внутри отрасли со скептицизмом относятся к идее о том, что пропускная способность для преформ из полипропилена и бутылок из полипропилена когда-либо сможет сравняться с производительностью для бутылок из ПЭТ.
Борьба с недостатками полипропилена
До настоящего времени рост производства бутылок из полипропилена сдерживался имевшимися недостатками в области скорости обработки и физических свойств по сравнению со свойствами ПЭТ. Тем не менее, сторонники РР говорят, что эти препятствия теперь преодолены с помощью усовершенствованного оборудования, оптимизированных конструкций преформ и бутылок, усовершенствованных полипропиленовых смол, а также добавок, специально адаптированных для производства бутылок.
“Наши исследования показывают, что использование оборудования с высокой пропускной способностью, а также соответствующих конструкций полипропиленовых преформ и бутылок из полипропилена, позволяют иметь параметры не хуже, чем у ПЭТ, по пропускной способности оборудования, прозрачности, жесткости-твердости, а также органолептическим свойствам”, - заявляет Роберт Портной, разработчик рынков компании ExxonMobil. Он и ряд других сотрудников занимались вопросами соотношения затрат и эффективности на недавней конференции NovaPack 2004. Портной сообщает, что бутылки из полипропилена являются очень конкурентоспособными, если их производить на высокоскоростных ротационных установках SBM с повторным нагревом, таких как установки, производимые компаниями Sidel, SIG Corpoplast, и другими. Конкурирующие поставщики оборудования, тем не менее, считают, что достойными альтернативами являются также одноэтапные установки ISBM и поточные установки SBM с повторным нагревом.
Для успешного распространения бутылок из полипропилена в США могут понадобиться установки выдувного формования с высокой пропускной способностью, такие как эта выдающая 30,000 бутылок в час система ISBM от компании Sipa.
Проблема полипропилена заключается в том, что он более устойчив к поглощению и рассеиванию тепла, чем ПЭТ, в то время как бутылки из полипропилена обычно имеют более толстые стенки. Таким образом, несмотря на более низкую температуру обработки полипропилена (2300 C) на этапе литьевого формования преформ, рабочие циклы более продолжительные. Выдувание бутылок из полипропилена осуществляется при 1300 C, на него затрачивается больше энергии, и циклы формования и охлаждения здесь более длительные, чем при производстве из ПЭТ. В результате скорость пропускаемости для производства из полипропилена ниже почти на 25%, чем для производства из ПЭТ.
Технологическое окно полипропиленов при формовании с раздувом и вытяжкой уже, чем у ПЭТ (5° C против 15° C для ПЭТ), что увеличивает риски простоя и брака. Полипропилен также по-другому вытягивается, это тоже фактор, с которым придется считаться проектировщикам преформ и бутылок. Для того, чтобы получить для полипропилена ту же прозрачность, что и у ПЭТ, необходимо будет оптимизировать ориентацию и степень растяжения. Некоторые участки преформы, такие как основание и горлышко, могут оказаться менее ориентированными, чем сам корпус бутылки, что делает бутылки подверженными образованию вуали.
Более низкая жесткость PP также означает, что у бутылок из полипропилена меньше верхняя и ободковая прочность, чем у бутылок из ПЭТ. А это вместе с более низкими барьерными свойствами против углекислого газа, исключает использование бутылок из полипропилена при упаковке газированных напитков. Для того, чтобы иметь равнозначную жесткость, бутылки из полипропилена должны иметь более толстые стенки, чем их аналоги из ПЭТ. Тем не менее, бутылки из полипропилена обычно получаются легче, чем бутылки из ПЭТ, поскольку более низкая плотность полипропилена компенсирует дополнительную толщину стенок.
Для бутылок из полипропилена также свойственная им проницаемость кислорода и углекислого газа больше, нежели проницаемость ПЭТ, что препятствует их использованию в качестве барьерных контейнеров, если только не будет нанесено покрытие или осуществлено совместное литье с барьерной смолой.
Новые разработки в области материалов позволяют преодолевать некоторые пробелы в эксплуатационных характеристиках бутылок из полипропилена. Одним из средств является осветлитель, такой как Millad 3988, высокопроизводительный продукт с низким содержанием отходов от компании Milliken Chemical. Он широко используется за пределами США при производстве бутылок из полипропилена для витаминов, воды, чая, соков, моющих веществ и фармацевтических препаратов.
“Наш осветлитель предназначен для преодоления основных проблем, возникающих при использовании бутылок из полипропилена”, - заявляет Радж Батло, менеджер по развитию рынков компании Milliken. К числу таких проблем относится дымчатость (в основном, у горла и основания), слишком длительный цикл при изготовлении преформ (с которым мы боремся с помощью усиленного структурообразования), и плохая технологическая стабильность при формование с вытяжкой и раздувом.
Внедрение новых осветленных марок полипропилена компаниями ExxonMobil, Basell, Atofina, и BP Petrochemicals расширило перспективы использования полипропилена при производстве бутылок. Специально предназначенные для формования с раздувом и вытяжкой марки обеспечивают высокую прозрачность и текучесть в сочетании с исключительной сбалансированностью жесткости и твердости. Для производства полипропиленов нового поколения используются катализаторы с низким образованием отходов и не используются нарушающие вязкость пероксиды, которые ранее способствовали образованию органолептических недостатков.
Basell предлагает марку металлоценового полипропилена (mPP) для рынка формования с раздувом и вытяжкой. Metocene X50182, материал со скоростью течения расплава 18, прошел испытания на оборудовании компании Sidel. Это уменьшает дымчатость боковых стенок бутылки до 1.5% и усиливает глянцевость до 82%. Atofina также осуществляет оценку своего mPP для производства бутылок из полипропилена, рассматривая его в качестве кандидата для смешивания с традиционным полипропиленом для повышения прозрачности.
Преимущества бутылок из полипропилена
Одной из немногих компаний, которые действительно производят бутылки полипропилена в Северной Америке, является Container Corp. of Canada (CCC). Норман Готтлиб, руководитель компании, говорит, что сочетание экономических и экологических преимуществ обусловило несколько лет тому назад обращение компании CCC к производству бутылок из полипропилена. Он описывает бутылки EnviroClear как “уни-полимерную” упаковку, в рамках которой корпус из полипропилена сочетается с полипропиленовой крышкой, кольцом одноразового пользования, и колопэткой-этикеткой вокруг горлышка, образуя полностью утилизируемую и полностью состоящую из полипропилена систему. Готтлиб также добавляет, что под крышкой из стандартного полипропилена очень эффективно скрывается имеющее вуаль покрытие горлышка из полипропилена.
“Мы также видим возможности в гидроизолирующем слое, сдавливаемости и способности подвергаться горячей фасовке бутылок из полипропилена,” – говорит Готтлиб. CCC осуществляет выдувное формование бутылок из полипропилена на 250-, 500-, и 600-куб. см. для ароматизированной воды с использованием общей преформы. Компания также производит бутылки из полипропилена для сухих порошков и пищевых продуктов горячей расфасовки, для упаковки которых необходим гидроизолирующий слой, таких как майонез. Выпускаемые СCC бутылки из полипропилена для горячей расфасовки стоят примерно на 35% меньше бутылки из ПЭТ с отверждением при нагревании.
Хотя барьерные свойства против кислорода и углекислого газа бутылок из однослойного ПЭТ весьма скромны, они намного превосходят барьерные свойства однослойных полипропилена. По словам Роберта Миллера из компании Business Development Associates, консультанта в Вифезде, Мэриленд, это ограничивает использование однослойных полипропилена применениями с очень недолгим сроком хранения, в основном, изготовлением бутылок с объемом менее 500 куб. см. для которых не нужен особый газовый барьер. Примерами применений являются упаковки для рынков спортивных напитков, воды, некоторых пищевых продуктов и большинства не пищевых продуктов.
Во-вторых, источником потенциала является превосходная термостойкость полипропилена, которая позволяет выдерживать горячую расфасовку при температуре до 2050 F. Бутылки из ПЭТ могут подвергаться горячей расфасовке только при температуре до 160-1700 F без отверждения при нагревании. Здесь также нужны вакуумные панели для предотвращения оседания, когда температура горячей расфасовки превышает 1800 F. Для большинства применений ПЭТ с горячей расфасовкой требуется отверждение при нагревании, что увеличивает затраты на 20% из-за того, что нужны более толстые стенки и более медленное производство.
Для бутылок из однослойного полипропилена не требуется отверждения при нагревании, и они могут использоваться на многих рынках с горячей расфасовкой пищевых продуктов, особенно, тогда, когда заполнение осуществляется при наибольших температурах горячей фасовки (от 1800 до 2050 F). Это открывает перспективы для барьерной и не барьерной упаковки соков, джемов, желе, маринадов, сальсы, а также соусов на основе томата.
Имеется также и третья группа потенциальных рынков, где для использования бутылок из полипропилена и ПЭТ понадобится дополнительный газовый барьер. До тех пор, пока стоимость барьерного материала будет примерно одинакова для каждого из типов контейнеров, бутылки из барьерного ПОЛИПРОПИЛЕНА будут предпочтительнее в качестве замены стекла, за счет своего внутреннего ценового преимущества.
Три дороги к производству
Для преодоления прежних недостатков полипропилена, связанных с пропускной способностью, компании Bekum и CCC (которые проектируют и реализуют свои собственные установки) модифицировали оборудование для ПЭТ под полипропилена. Они рассматривают поточные линейные системы формования с раздувом и вытяжкой с повторным нагревом с количеством гнезд до восьми как рентабельные установки для производства средних по объему серий применений из полипропилена.
“По умолчанию мы поставляет оборудование для производства бутылок из полипропилена,” – говорит Готтлиб, который рассказывает, что первоначально попытки CCC формовать бутылки из полипропилена, которые предпринимались шесть или семь лет назад, были отложены из-за отсутствия соответствующих установок и инструментария из коммерческих источников. В результате, CCC сама спроектировала патентованную поточную линю установок для SBM с повторным нагревом для работы с полипропилена. Установки компании, которые называются EnviroClear (и на которых можно работать также и с ПЭТ) выполнены партнером из Китая, и предлагаются с числом гнезд от двух до восьми. Стоимость с доставкой установки с четырьмя гнездами в США составляет $250,000. Установка производит 900 бутылок в час на одно гнездо, но для следующего поколения установок ожидается модернизация, которая даст производительность до 1100 бутылок в час. Вскоре будет представлена на рынок модель для изготовления банок с широким горлом. CCC предлагает произведенные в Китае преформы и инструментарий для SBM, имеющий до 32 гнезд, по ценам на 40% - 80% ниже, произведенных в стране.
CCC говорит, что ключевое значение имеет оптимальная конструкция преформы. Её собственные преформы рассчитаны на растяжение на 50% больше, чем при работе с ПЭТ для того, чтобы повысить прозрачность. Недавно CCC начала поставлять преформы и оказывать услуги по созданию экспериментальных моделей бутылок.
К числу применений полипропилена, которые компания ССС намерена представить в течение последующих месяцев, относятся: банки с широким горлом для салатных заправок, маринадов, и порошков, а также выдавливаемые контейнеры для шампуней, полоскателей для рта и лекарственных препаратов. Для увеличения прочности верхней и ободковой частей, ССС вводит азот в пространство над веществом заполнения после того, как фасовка завершится.
Компания Bekum America оснащает свои установки для формования с раздувом и вытяжкой с повторным нагревом (такие как двухгнездные RBU-225) так, чтобы они могли переходить при производстве бутылок с работы на ПЭТ на работу с PP. Несколько лет тому назад, Bekum спроектировала свою первую полностью электрифицированную установку для SBM с повторным нагревом специально для работы с PP. У этой установки на шесть гнезд SB-6 номинальная мощность 7200 бутылок в час, что всего на 15% медленнее, чем при работе с ПЭТ при том же количестве гнезд.
За другой подход к производству ратует Скотт Стил, вице-президент компании Plastic Technologies Inc. (PTI), которая проектирует и создает экспериментальные модели преформ из ПЭТ, инструменты и бутылки. Он утверждает, что самым лучшим способом получить преимущества от производства бутылок из полипропилена является их изготовление на высокопроизводительных ротационных установках для SBM с повторным нагреванием с постоянной производительностью в 1000 бутылок на гнездо в час.
PTI имеет смоделированное на компьютере производство 24-граммовых бутылок из полипропилена на установке компании Sidel с такой скоростью, и в компании предсказывают, что средняя цена за единицу будет на 10¢ ниже, чем за бутылку из ПЭТ. Но при обычных скоростях производства бутылок из полипропилена (600 бутылок на гнездо в час), прогнозируемая цена за единицу будет больше, чем для бутылки из ПЭТ.
По словам Стила, для оптимизации производительности бутылок из полипропилена необходимой строгий технологический контроль. Если выдувать бутылки при температуре слегка ниже температурного диапазона полипропилена, их нельзя будет правильно растягивать, из-за этого возникнет плохая прозрачность или разрыв преформ. Если выдувать бутылки из полипропилена при температуре, превышающей температурное окно, образуются корпуса, горлышки и основания с вуалью, а также создается плохое распределение материала в стенках и липкость бутылок, которое может повлечь за собой нарушение технологического процесса ниже по цепочке. По словам Стила, скорость производства 1000 бутылок на гнездо в час является экономической необходимостью. Для того, чтобы добиться такой скорости, PTI использует лабораторные исследования, а также свое программное обеспечение Virtual Prototyping для прогнозирования воздействия “быстро нагревающих” добавок, которые ускоряют поглощение тепла преформами из ПЭТ.
PTI также осуществляет моделирование методик охлаждения воздуха и воды, которые в настоящее время используются для ускорения обработки бутылки из ПЭТ. Компания PTI установила, что эти технологии можно успешно переносить на производство бутылок из полипропилена, что сделает возможным достижение целевой скорости в техническом и экономическом аспектах.
PPI работала с добавками быстрого нагревания в маточным смесях от компании Colormatrix. По словам коммерческого директора Colormatrix Дэвида Макбрайда, те же самые добавки, которые ускоряют нагревание преформ из ПЭТ так же эффективны и при изготовлении бутылок из полипропилена.
ExxonMobil также осуществляла разработку экспериментальной модели и компьютерное моделирование производства бутылок из полипропилена на ротационных системах для SBM с повторным нагревом. В компании использовали модифицированные установки компании Sidel, специальную конструкцию преформ, а также полипропиленовую смолу со специально адаптированными свойствами, PP9505E1. Этот материал со скоростью течения расплава 30 обладает дымчатостью в 6% при 1 мм в толщину и модулем упругости при изгибе 166,000 ф. на кв. дюйм. У бутылок из полипропилена дымчатость составляет менее 2%.
ExxonMobil создала экспериментальную модель, и сравнила варианты бутылок из ПЭТ и полипропилена объемом 750 куб. см. той же конструкции и массы. Портной описывает преформы из полипропилена как более широкие и длинные, чем варианты из ПЭТ, с меньшей общей степенью растяжения, но лучшим соотношением растяжения в осевом и радиальном направлениях. Преформы из полипропилена имеют тонкостенную конструкцию для ускорения повторного нагревания и охлаждения.
ExxonMobil установила, что производство преформ из полипропилена осуществляется быстрее, чем из ПЭТ, при режиме свободного падения, в то время как роботизированное извлечение дало примерно одинаковую продолжительность цикла. Обычно предсказывали, что формование преформ из полипропилена, смоделированное на компьютере, для формы на 48 гнезд даст более короткие циклы, чем при работе с ПЭТ. Моделирование показало, что бутылки из полипропилена можно выдувать при максимальной мощности на лабораторной установке компании Sidel.
Что же касается эксплуатационных характеристик для бутылок полипропилена, ExxonMobil обнаружила органолептические свойства, равные свойствам ПЭТ. Верхняя прочность была несколько ниже, чем для бутылок из ПЭТ той же массы, но все же она была вполне достаточной для многих применений. Прочность бутылок из полипропилена при воздействии падающего груза была ниже, чем у бутылок из ПЭТ, но все же достаточной для бутылок из однослойного полипропилена для охлажденных применений.
Руководство Sipa считает, что имеющаяся у компании “полутора этапная” интегрированная установка для ISBM является эффективным тпэтьим вариантом для производства бутылок из ОРP. Конструкция этой установки сочетает этапы литьевого формования преформ и выдувание бутылок, которые механически отделены друг от друга, но соединены воедино интегральным робототехническим устройством извлечения и линейным конвейером. Джон Элвард, коммерческий вице-президент компании Sipa, говорит, что вариант модели FX20/80E, адаптированный для работы с полипропилена, имеет скорость 30,000 бутылок в час. В установке используется специальный шнек и модернизированная печь для повторного нагрева. В компании Sipa предпочитают использование более толстых и хорошо растягивающихся преформ из полипропилена, заявляя, что они дают превосходную прозрачность и распределение толщины стенок. Там утверждают, что так легче осуществлять погрузку-разгрузку, и что повторный нагрев преформ из полипропилена протекает быстрее. Sipa создала экспериментальные модели большого количества контейнеров из полипропилена для воды, молока и продуктов горячей расфасовки.
Nissei ASB сообщает, что вариант их одноэтапной платформы для ISBM, приспособленной для производства бутылок из полипропилена, прокладывает себе дорогу на рынки США, особенно, при производстве применений, для которых нужен гидроизолирующий барьер, или которые должны выдерживать температуры автоклава (например, упаковка медицинских устройств). Установки ASB-650EX3 для работы с полипропилена компании Nissei снабжены специальным барьерным шнеком, станцией предварительного выдерживания для обработки преформ, и независимыми задвижками и таймерами для приведения в действие воздуха для выдувания каждого из гнезд.
Скоро появятся барьерные бутылки из полипропилена
Компания Pechiney Plastics Packaging Inc. со штаб-квартирой в Чикаго, в настоящее время часть Alcan, производит бутылки из трехслойного ориентированного барьерного PP/EVOH/PP на модернизированном ротационном оборудовании для SBM с повторным нагревом компании Sidel. PPPI модифицирует полипропиленовые поверхностные покрытия так, чтобы они прочно прилипали к барьерам из EVOH без использования связующих слоев. Бутылки Gamma Clear компании PPPI изготавливаются в моделях на 16 и 26 унций. У последней широкое горлышко (63 мм) и устойчивость к воздействию температуры 2050 C при стоимости, конкурентной по отношению к стеклу и ПЭТ.
“Нашей основной задачей является замена стекла в применениях, требующих длительного срока хранения, хорошего кислородного барьера и более высоких температур горячей расфасовки”, - говорит Джон Хёпер, вице-президент по маркетингу компании PPPI. Первой целью является соус для пасты, в настоящее время обычно упаковываемый в стеклянную тару и фасуемый при 1950 C. Для этой упаковке в противном случае потребовалась бы дорогостоящая бутылка из барьерного ПЭТ с отверждением при нагревании. “Бутылки из полипропилена представляют собой более дешевую альтернативу стеклянным емкостям в доминирующем размере в 26 унций на этом рынке бутылок емкостью в 800 миллионов бутылок в год», - рассказывает Хёпер, который планирует представление для коммерческого использования на 2005 г. Бутылки из ПЭТ могут предназначаться для горячей расфасовки при температуре до 1800 C с помощью использования устойчивых к вакууму панелей и конструкций со смыканием и захватом. Бутылки из полипропилена могут выдерживать горячую расфасовку и при более высоких температурах и без этих устройств, что позволяет освободить место для маркировки и дает большую свободу действий на рынке. PPPI считает, что ее бутылки из PP/EVOH имеют большой потенциал развития при использовании для упаковки сальсы, яблочного соуса и других продуктов горячей расфасовки.
Kortec оценивает потенциал контейнеров из многослойного полипропилена. Джон Кермет, вице-президент по маркетингу, считает, что они скорее дополняют контейнеры из барьерного ПЭТ, нежели составляют ему конкуренцию. Он прогнозирует новые использования термостойких полипропилена при производстве пищевых пастеризуемых и стерилизуемых продуктов горячей расфасовки, которые теперь упаковываются в металлические и стеклянные банки. Бутылки из барьерного полипропилена могли бы заменить стальные банки за счет наличия у них свойства прозрачности.
Еще одним способом внедрения контейнеров из барьерных полипропилена является приспосабливание технологий нанесения покрытий, которые уже разработаны для бутылок из ПЭТ. Компания PPG Industries заявляет, что ее эпоксидно-аминовое покрытие Bairocade улучшает кислородный барьер бутылок из полипропилена при стоимости, сопоставимой со стоимостью ПЭТ с покрытием. Покрытия напыляются на внешнюю сторону бутылок, а затем отверждаются при нагревании.
Майк Гэйджик, менеджер глобальных продаж компании PPG, говорит, что к концу года следует ожидать коммерческого использования Bairocade для изготовления бутылок из OPР. PPG может менять рецептуры покрытий и толщину слоя для того, чтобы получить кислородный барьер, равный барьеру контейнеров из ПЭТ, однослойных или с усиленными барьерными свойствами. “Барьерные свойства бутылок из полипропилена улучшаются за счет нашего термоотверждающегося покрытия, которое наносится при более высокой температуре, чем на ПЭТ, что способствует отверждению”, - говорит Гэйджик.
При производстве бутылок из полипропилена для хорошей адгезии покрытия необходимы обработка плазмой, пламенем или коронным разрядом. По словам Гэйджика, эти технологии можно включить в поточную линию с минимальными дополнительными затратами. Компанией ССС была разработана патентованная технология нанесения покрытия методом погружения для улучшения свойств кислородного барьера бутылок из полипропилена. “Наша гибкая технология нанесения покрытия методом погружения является эффективным вариантом для производства бутылок меньшего размера, не сферических и с причудливой формой”, - говорит Готтлиб. CCC разработала установку для обработки от 3600 до 5600 бутылок в час.
Комментариев нет:
Отправить комментарий