فیلم های چند لایه بسته بندی مواد غذایی – ظهور چسب بین لایه ای

در مقاله خواص انواع پلیمرها در فیلم  های پلیمری (قسمت اول) به اهمیت فیلم های پلیمری در صنعت بسته  بندی و کاربرد آن ها در این صنعت اشاره شده است. از مهم ترین دسته هایی فیلم های پلیمری، فیلم های چند لایه است. یکی از اهداف اصلی ترکیب پلیمرها در فیلم های چند لایه حفظ کیفیت مواد غذایی و جلوگیری از تبادل رطوبت و اکسیژن است.

بر اساس ویژگی های مذکور در این مقاله،  پلی الفین ها موادی پر کاربرد در این صنعت محسوب می شوند. این مواد مزایایی چون فرایند پذیری، عدم نفوذ رطوبت، خواص حرارتی و مکانیکی مطلوب دارند. با این وجود در برابر نفوذ اکسیژن مقاومت مطلوبی ندارند. بر خلاف این مواد، پلیمری قطبی مانند کوپلیمر اتیلن وینیل الکل (EVOH)، به دلیل ساختار شیمیایی خود، دارای مقاومت در برابر نفوذ اکسیژن است به نحوی که به دلیل بازیافت پذیری و شفافیت در حال جایگزین شدن به جای فیلم های متالایزشده و فویل های آلومینیوم است. بر اساس داده های شکل 1، اضافه شدن این ماده در مرکز فیلم چند لایه (لایه وسط) منجر به بهبود قابل توجه مقاومت اکسیژن نسبت به فیلم تک لایه از مواد پلی الفین (LDPE) می شود.

با این وجود، ترکیب پلیمرهای قطبی مانند EVOH و غیر قطبی مانند PE ها به دلیل ناسازگاری دارای چالش است. به همین دلیل برای ایجاد فیلم چند لایه با چنین ترکیبی نیاز به استفاده از نسل جدیدی از چسب ها یعنی چسب بین لایه ای یا در اصلاح لایه ارتباط دهنده (Tie layer) است تا چسبندگی ضعیف بین این لایه ها را رفع نماید.

ویژگی های فیلم های بسته بندی

فیلم های بسته بندی بایستی دارای چهار عملکرد زیر باشند:

• پایداری شیمیایی و حرارتی
• مقاومت در برابر نفوذ اکسیژن و رطوبت
• خواص مکانیکی بالا (سایش، ضربه، پایداری حجم)
• خواص نوری مطلوب (شفافیت، درخشندگی)

همان گونه که اشاره شد، هدف اصلی در به کارگیری ترکیب پلیمرها در فیلم های چند لایه حفظ کیفیت مواد غذایی و جلوگیری از تبادل رطوبت و اکسیژن است. پلی الفین ها به دلیل خواص مناسب و مقاومت به نفوذ رطوبت در ساختار فیلم چند لایه نقش مهمی را ایفا می کنند. با این وجود برای ایجاد مقاومت به نفوذ اکسیژن در این فیلم چند لایه، از پلیمرهای قطبی مانند پلی آمید یا اتیلن وینیل الکل در لایه مرکزی این فیلم ها استفاده می شود. شکل 2، ساختار معمول یک فیلم ایده آل در صنعت بسته بندی را نشان می دهد. ترکیب لایه پلی الفینی و لایه پلیمر قطبی، فیلم را در هر دو جهت نسبت به نفوذ مقاوم می سازد. چنین فیلمی با جلوگیری از نفوذ اکسیژن و سایر گازها از فاسد شدن مواد غذایی جلوگیری کرده و با حفظ عطر و رطوبت، از تغییر در کیفیت آن مراقبت می نماید.

با مقایسه عملکرد پلیمرها، می توان دریافت که مقاومت اتیلن وینیل الکل به نفوذ اکسیژن به گونه ای است که نرخ نفوذ اکسیژن در ضخامت یک میلی متر، دارای کیفیت یکسان با ضخامت ده متر پلی اتیلن است. نمودار عملکرد پلیمرها نسبت به مقاومت در برابر نفوذ اکسیژن در شکل 3 مشاهده می شود. بر اساس این شکل، اغلب پلی الفین ها به دلیل ساختار شیمیایی خود داری عملکردی بسیار ضعیف در برابر اکسیژن هستند. بر خلاف این مواد، اغلب پلیمرهای قطبی مانند پلی وینیل الکل، اتیلن وینیل الکل، PVDC و پلی آمیدها دارای عملکرد مناسب به عنوان مواد مانع نفوذ در برابر اکسیژن هستند که در بین این مواد با توجه به شرایط فرایندی، هزینه و سازگاری با محیط زیست، اتیلن-وینیل الکل نسبت به سایر پلیمرها دارای الویت به عنوان لایه مقاوم به اکسیژن در فیلم های مواد غذایی است.

با این وجود، پلیمرهای قطبی (EVOH، PA) و پلیمرهای غیرقطبی (PE، PP، PS) از نظر ساختاری متفاوت و دارای ناسازگاری هستند. در شکل 4 میزان سازگاری و تمایل مواد مختلف نسبت به هم قابل مشاهده است.

به همین دلیل، برای ترکیب شدن این پلیمرهای ناسازگار در لایه های مختلف، به لایه نازکی از چسب واکنشگر یا غیر واکنشگر با عاملیت دوگانه نیاز است تا استحکام چسبندگی بین لایه های ناسازگار را مطابق نمودار در شکل  5 افزایش دهد.

مکانیزم چسبندگی این چسب با لایه های قطبی، عامل تفاوت آن با چسب های معمولی است. این چسب به دلیل ترکیبات موجود در آن قابلیت ایجاد برهم کنش شیمیایی (در سطح مشترک چسب/ لایه پلیمر قطبی) را مطابق شکل 6 دارد. بر این اساس نیروهای سطحی شیمیایی مانند نیروهای کوالانسی و هیدروژنی قادر به ایجاد چسبندگی بین چسب و پلیمر خواهند بود.

برای تولید فیلم های چند لایه، فرایند کواکستروژن به عنوان بهترین فرایند در نظر گرفته می شود. در این فرایند دو یا چند پلیمر با هم اکسترود می شوند تا فیلم ترکیبی حاصل شود. چنین امکانی منجر به ایجاد یک فیلم با عاملیت و عملکرد مختلف می شود. مطابق شکل 7، برای ایجاد فیلم توسط این فرایند دو روش قالبی (cast) و دمشی (blown) کاربرد دارند.

بر اساس فرایند تولید و ترکیبات مورد استفاده در این چسب، پارامترهای مختلفی می توانند بر چسبندگی بین لایه ای اثرگذار باشند. به عنوان مثال افزایش دما و زمان در فرایند تولید به چسبندگی بهتر لایه ها و افزایش ضخامت چسب و مقدار عاملیت نیز به برهم کنش شیمیایی بیشتر کمک می کند. هم چنین هر فرایندی در مرحله تولید که منجر به آرایش یافتگی در زنجیرهای چسب شود، به افت در چسبندگی منجر می شود. ترکیبات چسب بین لایه ای بایستی به گونه ای طراحی شوند که این افت در اثر آرایش یافتگی حداقل باشد. تاثیر این پارامترها به صورت کیفی در شکل 8 مشخص شده است.

طراحی این چسب ها به گونه ای است که چسبندگی بین انواع زمینه ها و کاربردهای متنوع را در بر می گیرد. به عنوان مثال ساختارهای مناسب برای فیلم مطلوب برای برخی از مواد غذایی در شکل 9 ذکر شده است.

در نهایت برای انتخاب چسب مناسب بایستی به لایه های مورد استفاده در فیلم، استحکام مورد نیاز، ملزومات فیزیکی، هزینه، پارامترهای فرایندی و کاربرد فیلم توجه نمود. هم چنین ترکیبات چسب بین لایه ای به گونه ای طراحی می شوند که تعادلی بین چسبندگی و شفافیت با انعطاف پذیری مورد نیاز در فیلم های منعطف و غیر منعطف مطابق شکل 10 ایجاد شود. شرکت آریا پلیمر پیشگام تولید کننده چسب های بین لایه ای برای انواع لایه های مختلف است. جهت آشنایی با این چسب ها با کارشناسان آریا پلیمر تماس حاصل فرمایید.

منابع:

1. Sangaj, N.S. and V. Malshe, Permeability of polymers in protective organic coatings. Progress in Organic coatings, 2004. 50(1): p. 28-39
2. Mokwena, K.K. and J. Tang, Ethylene vinyl alcohol: a review of barrier properties for packaging shelf stable foods. Critical reviews in food science and nutrition, 2012. 52(7): p. 640-650
3. Morris, B.A., Tie layer technology for multilayer coextrusion of single-use biopharma bags. 2017
4. Poisson, C., et al., Optimization of PE/binder/PA extrusion blow‐molded films. II. Adhesion properties improvement using binder/EVA blends. Journal of applied polymer science, 2006
5. Ebnesajjad, S. and C. Ebnesajjad, Surface treatment of materials for adhesive bonding. 2013: William Andrew
6. Butler, T.I. and B.A. Morris, PE-based multilayer film structures, in Multilayer flexible packaging. 2016, Elsevier. p. 281-310
7. Kamykowski, G.W., Factors affecting adhesion of tie layers between polypropylene and polyamides. Journal of Plastic Film & Sheeting, 2000. 16(3): p. 237-246