Jednym z tych elementów opakowań, które rzadko zwracają na siebie uwagę – chyba że nie działają prawidłowo – jest folia opakowaniowa. Zazwyczaj wyciek lub uszkodzenie zgrzewu występuje wtedy, gdy folia, pojemnik i warunki zgrzewania nie są ze sobą kompatybilne. Niezależnie od tego, czy jesteś producentem, czy odbiorcą opakowań żywnościowych, znajomość mechanizmu powstawania wytrzymałości zgrzewu oraz umiejętność doboru odpowiedniej folii opakowaniowej do danego produktu stanowi różnicę między dobrze zaprojektowanym opakowaniem a skargą, która może kosztować Cię znaczne kwoty pieniędzy. Niniejszy przewodnik został przygotowany w sposób przejrzysty i łatwy w użyciu – wyjaśnia on praktyczne zmienne mające istotne znaczenie.
Co tak naprawdę dzieje się podczas zgrzewania cieplnego
Proces zgrzewania cieplnego to nie tylko stopienie dwóch powierzchni. Jest to proces kontrolowany, w którym warstwa zgrzewalna folii jest nagrzewana powyżej temperatury mięknięcia, ale poniżej temperatury topnienia lub degradacji, następnie dociskana do odpowiedniej powierzchni i schładzana pod ciśnieniem. Efektem końcowym jest splątanie cząsteczkowe na granicy styku.
Trzy parametry kontrolujące ten proces to temperatura, ciśnienie oraz czas utrzymywania. Wszystkie trzy parametry oddziałują na siebie wzajemnie. Czasem niższą temperaturę można zrekompensować wydłużeniem czasu utrzymywania, ale tylko w ograniczonym zakresie. Jeśli środek uszczelniający będzie niedogrzewany, łańcuchy polimerowe nie ulegną wzajemnej dyfuzji, a uszczelka będzie słaba lub nie będzie się prawidłowo odrywać. Zbyt wysoka temperatura natomiast może spowodować nadmierny przepływ środka uszczelniającego, jego rozcieńczenie na krawędzi uszczelki, degradację środka uszczelniającego, kruche uszczelki oraz wycieki.
Warstwa środka uszczelniającego stanowi zazwyczaj polimer o niższej temperaturze topnienia (np. polietylen, kopolimer etylenu z octanem winylu lub jonomer), który jest współekstrudowany lub laminowany na warstwę konstrukcyjną zapewniającą wytrzymałość, sztywność oraz właściwości barierowe. Warstwa konstrukcyjna nie zapewnia uszczelnienia – wspiera je jedynie. Mylenie tych dwóch warstw jest złym pomysłem, ponieważ nie zadziała to poprawnie.
Wytrzymałość uszczelki to nie jedna liczba
Wytrzymałość zgrzewu często określa się jako wartość średnią w gramach na 25 mm lub niutonach na 15 mm, ale różne zastosowania wymagają różnych trybów uszkodzenia. Pokrywka do posiłku gotowego do spożycia powinna być łatwa do odklejenia i oddzielać się bez odwarstwiania się ani rozrywania. Puszka do przechowywania cieczy musi wytrzymać ciśnienie wybuchowe. Taca do świeżych produktów wymaga zgrzewu, który utrzyma się podczas składowania w stosie, ale otworzy się bez wyrwania włókien.
W praktyce wykonuje się trzy pomiary. Po pierwsze, wytrzymałość na odklejanie to siła potrzebna do rozdzielenia zgrzewu pod określonym kątem. Po drugie, wytrzymałość na wybuch to maksymalne ciśnienie wewnętrzne, jakie zgrzew jest w stanie wytrzymać. Po trzecie, gorąca przyczepność – czyli wytrzymałość zgrzewu w stanie gorącym – ma kluczowe znaczenie w procesach pionowego formowania, napełniania i zgrzewania (VFFS), gdzie zgrzew jest obciążany jeszcze przed jego ostygnięciem. Gorąca przyczepność może stanowić problem na szybkobieżących liniach pakujących, nawet jeśli folia charakteryzuje się dobrą końcową wytrzymałością na odklejanie.
Dobór folii do podłoża pojemnika
Większość awarii uszczelek wynika z kwestii zgodności. Skuteczny klej uszczelniający do tack z polietylenu nie zadziała na tackach z polietylenu tereftalanu, polipropylenu lub tektury. Zasada jest prosta: podobne materiały uszczelnia się do siebie albo klej uszczelniający musi być specjalnie zaprojektowany tak, aby wiązał się z danym podłożem.
Zazwyczaj warstwa uszczelniająca z polietylenu zapewnia dobre i jednolite uszczelnienie tack z polietylenu. Aby zapobiec odkształceniu pojemników wykonanych z polipropylenu, wymagany jest klej uszczelniający topiący się w niższej temperaturze niż sam pojemnik. Kleje uszczelniające oparte na jonomerach stosuje się często do tack z PET i amorficznego PET ze względu na ich dobrą przyczepność i łatwość oddzielania. Tektura i formowana masa włóknista są trudniejsze w uszczelnianiu. Folie muszą tworzyć połączenie z porowatą, włóknistą powierzchnią, a rodzaj powłoki lub dyspersji na tekturze ma kluczowe znaczenie dla powstania uszczelki.
Inne czynniki wpływające na zgodność obejmują zanieczyszczenia. Obecność smaru, wilgoci, okruszków lub proszku w strefie uszczelniania osłabia połączenie. Folie o grubszych warstwach uszczelniających i wyższym przepływie w temperaturze topnienia tolerują pewne zanieczyszczenia; jednak żadna folia nie zapewnia niezawodnego uszczelnienia przez warstwę oleju. Dlatego w zastosowaniach gastronomicznych często stosuje się etap oczyszczania lub usuwania zanieczyszczeń przed uszczelnianiem.
Grubość, struktura i wymagania barierowe
Innym ważnym czynnikiem jest struktura folii, która wpływa na wytrzymałość połączenia. Cienka warstwa uszczelniająca umożliwia szybkie uszczelnienie, ale może zostać wypchnięta pod wysokim ciśnieniem. Grubsza warstwa uszczelniająca zapewnia większą ilość materiału do dyfuzji z innymi materiałami oraz wyższą odporność na zanieczyszczenia, ale wymaga więcej ciepła do aktywacji. Folie współekstrudowane, zawierające oddzielną warstwę uszczelniającą, warstwę łączącą oraz warstwę barierową, zapewniają najwyższą kontrolę procesu, ale wymagają wąskich okien uszczelniania.
Sytuacja jest skomplikowana przez wymagania dotyczące warstw barierowych. Gdy folia musi zapobiegać przenikaniu tlenu lub wilgoci, warstwę barierową zwykle oddziela się od warstwy uszczelniającej, aby nie ulec uszkodzeniu podczas procesu zgrzewania. Folie zawierające folię aluminiową lub warstwy metalizowane mogą być dobrze zgrzewane, jednak połączenie musi być wystarczająco wytrzymałe, aby zapobiec odwarstwianiu się warstwy barierowej od warstwy uszczelniającej. Miejsca zgrzewania w takich strukturach nie zawsze są punktem awarii; najczęściej awaria występuje raczej w miejscu połączenia poszczególnych warstw.
Badania i rozwiązywanie problemów w praktyce
Praktyczny program badania wytrzymałości zgrzewu rozpoczyna się od zgrzewania serii próbek w różnych temperaturach przy stałym ciśnieniu i czasie utrzymywania, a następnie pomiaru siły odrywania. Krzywa wykazuje zwykle wzrost do osiągnięcia plateau, po czym następuje spadek. Docelowe okno pracy niekoniecznie odpowiada najwyższemu punktowi plateau – jest to raczej środek plateau, ponieważ zapewnia to zapas na normalne wahania.
Jeśli zabezpieczenie nie działa poprawnie, daje to wskazówkę, gdzie wystąpił błąd. Niska wytrzymałość i czyste odrywanie wskazują na niewystarczające nagrzanie lub brudną powierzchnię zabezpieczania. Jeśli zabezpieczenie pęka wraz z uszkodzeniem podłoża, oznacza to nadmierną siłę zabezpieczenia lub użycie niekompatybilnego kleju. Rozdzielenie się zabezpieczenia pomiędzy warstwami folii wskazuje na wadę koekstruzji lub kleju. Przeciekające zabezpieczenie w niskich temperaturach może wynikać z niewystarczającej siły nacisku lub zbyt krótkiego czasu chłodzenia.
Xiamen Xiefa Packing Co., Ltd. współpracuje z klientami z sektorów handlu detalicznego, gastronomii, przemysłu oraz usług hotelarskich w celu dostosowania folii do zabezpieczania termicznego do różnych rodzajów tack, kubków, woreczków i pojemników. Firma posiada ponad 50 patentów na projekty produktów, własny warsztat do produkcji form oraz ponad 2000 własnych SKU, które wspierają niestandardową drukowanie, konstrukcję, dobór materiałów i akcesoriów, projektowanie, a nawet bezpłatne próbki do oceny. Wytrzymałość zabezpieczenia jest właściwością całego systemu, dlatego najlepsze rezultaty uzyskuje się, testując folię i pojemnik razem, w warunkach rzeczywistych.
Wniosek
Folia do zgrzewania cieplnego nie jest towarem, który powinien być wybierany wyłącznie na podstawie ceny. Wytrzymałość zgrzewu jest wynikiem współdziałania temperatury, ciśnienia, czasu zgrzewania, składu chemicznego warstwy zgrzewalnej, podłoża oraz zanieczyszczeń. Gdy znane są czynniki wpływające na proces zgrzewania, zakupujący i użytkownicy opakowań mogą dobierać folie zapewniające niezawodne zgrzewanie, niezawodne otwieranie oraz skuteczną barierę w całym łańcuchu dystrybucji. Najlepszym podejściem jest traktowanie folii i pojemnika jako jednego systemu opakowaniowego, wykorzystanie rzeczywistych pomiarów do określenia okna zgrzewania oraz analiza trybu uszkodzenia w przypadku wystąpienia problemów.