Полиэтилен: сырье, традиционные и инновационные применения полиэтиленовых пленок в упаковке
Полиэтилен является самой массовой пластмассой в производстве упаковки. Являясь одним из старейших полимерных материалов, он остается незаменимым в производстве ряда специальных пленок – термоусадочных, стретч, с твист-эффектом. Также полиэтилен применяется в производстве других видов упаковки – контейнеров, пакетов, канистр и т. д. Несмотря на развитие технологий и внедрение новых материалов, значение полиэтилена не уменьшается, но спрос на него продолжает расти.
История полиэтилена.
В химическом плане полиэтилен (строгое научное название – полиэтен) представляет собой полимер этилена (этена). Полиэтилен был впервые получен немецким ученым Хансом фон Пехманом в 1898 г. Как это часто бывает в химии, открытие произошло по случайности, когда Пехман разогревал диазометан. Его коллеги – Ойген Бамбергер и Фридрих Чирнер охарактеризовали полученное вещество как белую, воскообразную субстанцию. Обнаружив в его составе длинные цепи -CH2-, они назвали материал полиметиленом (что, возможно, более правильно с точки зрения свойств двойной связи между атомами углерода). Также со случайностью было связано открытие пригодного для промышленного применения процесса синтеза полиэтилена в 1933 г. На этот раз открытие сделали англичане  Эрик Фосетт и Реджинальд Джибсон, сотрудники компании Imperial Chemical Industries (ICI). Полиэтилен образовался в тот раз при смешении этилена и бензойного альдегида. Повторить реакцию вначале не удавалось, так как она на самом деле была инициирована присутствовавшей в аппарате примесью кислорода. Однако этого добился в 1935 г. другой химик ICI Майкл Пёррин, создав таким образом технологию, которая легла в основу промышленного производства LDPE с начала 1939 г. В дальнейшем совершенствование технологии проходило в основном за счет внедрения новых катализаторов, которые позволили получать более качественные материалы.
Виды полиэтилена.
Полимеризация полиэтилена достигается различными способами – полимеризация радикалов, с помощью анионных и катионных добавок, ионной координацией. В результате получаются материалы с различными свойствами, которые зависят от протяженности и способа ветвления молекул, особенностей кристаллической структуры и молекулярного веса. Самой распространенной классификацией является деление полиэтилена по плотности и типу ветвления. В упаковке наибольшее распространение имеют полиэтилены высокой, средней и низкой плотности, линейный полиэтилен.
К полиэтиленам высокой плотности ПЭВП (HDPE) относят материал с плотностью свыше 0.941 г/см3. ПЭВП отличается низкой степенью ветвления молекул, а, следовательно, большими межмолекулярными силами и прочностью на разрыв. ПЭВП используется в изготовлении таких видов упаковки, как канистры, емкости для растворителей, контейнеры для мусора.
Полиэтилены средней плотности ПЭСП (MDPE) имеют плотность от 0.926 до 0.940 г/см3. Эти материалы обладают хорошей устойчивостью к ударам и на излом. Кроме того, MDPE менее подвержен царапинам более устойчив к растрескиванию, чем полиэтилен высокой плотности. Среди применений полиэтилена средней плотности – обычная и термоусадочная пленка, мешки, хозяйственные сумки, винтовые колпачки.
Особенностью структуры полиэтилена низкой плотности (ПЭНП, LDPE), полученного полимеризацией свободных радикалов, является большое число коротких и длинных ответвлений, которые не позволяют макромолекулам образовывать кристаллическую структуру. Поэтому связи между ними не столь сильны, а, значит, материал отличается невысокой устойчивостью на разрыв и повышенной пластичностью, высокой текучестью в расплаве. Полиэтилены низкой плотности применяется в изготовлении контейнеров и пленки для обертки и изготовления пластиковых пакетов. Получаемый из ПЭНП укрывной материал и пленки для мусорных мешков достигают толщины до 250 микрон. В изготовлении мешков для покупок используются пленки с вариацией по толщине примерно от 30 до 65 микрон. Для пакетов в магазинах самообслуживания достаточно толщины всего 10 микрон.
Линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП, LLDPE) характеризуется удельным весом 0.915–0.925 г/см3. Его отличает повышенная доля коротких молекулярных ответвлений. LLDPE обычно получают при сополимеризации с короткоцепочечными α-олефинами (1-бутен, 1-гексен, 1-октен). По сравнению с ПЭНП линейный полиэтилен более прочен на разрыв, устойчивее к удару и проколу. Этим линейный полиэтилен сильно напоминает ПЭВП, обладая при этом столь же низкой плотностью и высокой пластичностью, как ПЭНП. Из этого материала можно изготавливать пленки меньшей толщины (до 5 микрон), что дает как экономию материала, так и снижает нагрузку на окружающую среду. При всем при этом линейный полиэтилен требует особой, более сложной технологии переработки. Благодаря прочности, гибкости и неплохой прозрачности LLDPE чаще всего используется в изготовлении упаковочных пленок, хотя он годится и для многих других применений. Вообще, почти весь объем потребляемого в Росси ЛПЭНП идет на изготовление пленок. По данным АКПР, лишь 6% от совокупного потребления материала используется в производстве литьевых изделий, кабельной изоляции и труб. В пленочных применениях основными группами продукции являются стретч-пленки, изготавливаемые на каст-линиях и методом раздува, многослойные термоусадочные пленки и пленки под ламинацию. При этом, как отмечают специалисты АКПР, в таком емком перерабатывающем сегменте как производство пакетов и мусорных мешков в нашей стране ЛПЭНП практически не представлен. По мере развития в России собственных производств линейного полиэтилена, будет расти и его потребление в различных отраслях.
Мономер этилена может полимеризоваться с другими мономерами и ионными композициями, образуя материалы с особыми свойствами. В последние годы большой популярностью пользуется этилен-винил-ацетат (EVA) – так называемый сэвилен. Сэвилен превосходит полиэтилен по прозрачности и эластичности при низких температурах, сопротивлению проколу, устойчивости к изгибу и растрескиванию, обладает повышенной адгезией к различным материалам. Свойства материала меняются в зависимости от содержания винилацетата (варьируется в диапазоне 5-60%). С повышением его доли уменьшаются твердость, теплостойкость, разрушающее напряжение при растяжении, но возрастают эластичность, прозрачность, адгезия.
Из сэвилена с содержанием винилацетата до 15% изготавливают пленки с высокой прозрачностью, более низкой, чем у полиэтилена, температурой плавления и барьерными свойствами по отношению к газам. Сэвилен с содержанием винилацетата 21-30 % используется в качестве покрытия упаковочных бумаги и картона.
Из вышесказанного очевидно, что материалы на основе полиэтилена имеют широчайший спектр применения в упаковке. Получаемые при использовании различной технологии материалы обладают большой вариацией свойств. Значительная часть производимого полиэтилена идет на производство однослойных пленок, однако, он также широко используется в качестве компонентов многослойных пленочных материалов. Полиэтиленовые пленки изготавливают, главным образом, методом раздува, благодаря чему получаются материалы с улучшенными механическими свойствами. При этом имеется возможность комбинации различных типов полиэтилена. Меньшая часть перерабатывается с помощью плоскощелевой экструзии, которая не предусматривает растяжки материала, а, значит, обеспечивает невысокую прочность. Общей чертой для полиэтиленов разных типов является устойчивость к влаге, жирам и активным химическим средам. Существенным недостатком является высокая проницаемость для газов, особенно характерная для ПЭНП. Хотя полиэтилен в принципе обладает не очень хорошими оптическими свойствами (высокая мутность), тонкие пленки (особенно из линейного полиэтилена) получаются достаточно прозрачными. Одним из существенных преимуществ полиэтилена является морозостойкость (до -50°С). ПЭНП начинает размягчаться уже при температуре 70-80°С, для ПЭВП эта температура лежит выше 100°С. Для преодоления этого недостатка в состав материала вводят различные добавки, а также увеличивают толщину стенок материала.
В ближайшем будущем по мере закупки более современного оборудования линейный полиэтилен все больше будет вытеснять ПЭНП не только из однослойных применений, но и в производстве многослойных пленок, как это произошло на Западе.
Рынок сырья для производства полиэтиленовых пленок.
Спрос на полиэтилен (который потребляется не только в упаковке) на российском рынке растет быстрыми темпами. По данным ЗАО «Креон» на протяжении 2002-2007 гг. ежегодный прирост колебался в пределах от 11 до 21%. В 2007 г. объем российского рынка полиэтилена достиг 1535 тыс. т. (см. Диаграмму 1).
Российские производители полиэтилена в последние годы значительно увеличили свое производство, которое все больше ориентируется на потребности внутреннего рынка: при увеличении выпуска год от года наблюдается снижение экспорта. По данным Минпромэнерго, в 2007 г. российскими предприятиями было произведено 1245 тыс. т полиэтилена. Как видно из Диаграммы 2, увеличение производственных мощностей значительно превышает прирост производства, что приводит к снижению коэффициента загрузки (в настоящее время около 85%).
Структура производства полиэтилена в России не в полной мере отвечает потребностям рынка. Об этом можно судить, в частности, по характеру импорта. Доля полиэтилена низкой плотности в импорте оценивается в 16,8% (Диаграмма 3), тогда как в производственной структуре она составляет 55% (2006 г.).
 Российские потребители предпочитают импортировать более технологичные виды полиэтилена – ПЭВП, ЛПЭНП, сэвилен и т. д. Во многом именно несоответствие предлагаемых отечественными производителями материалов потребностям рынка обусловливает постоянный рост импорта. Если в 2000 г. его доля в потреблении составляла 14,3%, то к настоящему времени превышает 30%.
Сфера производства упаковки является основным потребителем полиэтилена – здесь расходуется свыше 1/5 всего присутствующего на рынке материала, обеспечивая 37% потребности отрасли в полимерных материалах (2006 г., Н.В. Назарова, ОАО «НИИТЭХИМ»).
По мнению АКПР, наиболее перспективными направлениями применения полиэтиленовых пленок являются следующие виды: термоусадочные, многослойные «молочные» и двухосно-ориентированные.
Термоусадочные пленки.
Спецификой российского рынка термоусадочной пленок является преобладание однослойных решений и высокая доля сектора продуктовой упаковки. Однако уже сейчас отмечается тенденция роста выпуска многослойных структур, которые обладают большей прочностью, экономны в расходе материала и имеют лучшие оптические свойства. При общем приросте потребления термоусадочной пленки составили в 2006 году на 20% темпы роста спроса на многослойные материалы существенно превышали увеличение потребления однослойных пленок (21% против 15,5%). И, если в настоящее время доля многослойных материалов составляет в общей структуре термоусадочных пленок около четверти (22,9% в 2006 г.), то к 2010 г. эксперты прогнозируют, что соотношение изменится на обратное – для многослойных пленок достигнет 78% (АКПР).
Термоусадочные пленки применяются в упаковке хлебобулочных и кондитерских изделий, мяса и птицы и полуфабрикатов, продуктов химии, парфюмерии и фармацевтики, бумажных и хозяйственных изделий, стройматериалов и т. д. Все шире термоусадка используется во вторичной и групповой упаковке.
Лучшим материалом для производства терноусадочной пленки на настоящий момент является линейный полиэтилен (ЛПЭНП), который позволяет полностью заменить ПВХ.
Пленки для упаковки молока.
Розничная торговля молоком в России остается пока на довольно отсталом уровне. По-прежнему более 1/5 объема продукта продается в розлив. Еще почти 20% фасуется в однослойные и двухслойные пленки (АКПР). Однако все большее применение в упаковке молока и жидких молочных продуктов находят трехслойные и пятислойные пленки с внутренним светоотражающим слоем. Данная технология позволяет существенно увеличить сроки хранения молока, что немаловажно в связи с ростом сетей супермаркетов, для которых продолжительный срок годности является важнейшим условием в выборе поставщика. Очевидно, что в ближайшее время даже в российской глубинке, где все еще велики объемы продаж нефасованного молока, многослойные пленки получат широкое распространение.
Двухосно-ориентированные пленки.
Биаксиально-ориентированные пленки из полиэтилена (БОПЭ) являются хорошей альтернативой другим материалам, например в кондитерской упаковке – в форме пленок с твист-эффектом. До последнего времени эти пленки в России не изготавливались, но поставлялись по импорту, что обусловливает высокую стоимость, а значит ограниченные возможности применения. Однако уже в этом году российские компании внедряют технологию выпуска БОПЭ. Использование в технологии соответствующих добавок позволяет получать пленки с заданными свойствами, что делает излишним ламинирование и нанесение специальных покрытий. Таким образом, в ближайшее время следует ожидать существенных перемен на рынке в связи с расширением использования двухосно-ориентированных полиэтиленовых пленок.
|
