ฟิล์มกั้นที่ขึ้นรูปด้วยความร้อน: การใช้วัสดุ โครงสร้าง และบรรจุภัณฑ์

A ฟิล์มกั้นความร้อน เป็นโครงสร้างพลาสติกหลายชั้นที่ออกแบบมาเพื่อให้ความร้อนและขึ้นรูปเป็นโพรงสามมิติ โดยยังคงคุณสมบัติกั้นก๊าซและความชื้นหลังจากการยืด ความท้าทายทางเทคนิคหลักคือชั้นกั้น—โดยทั่วไป EVOH (เอทิลีนไวนิลแอลกอฮอล์) หรือ PVDC (โพลีไวนิลิดีนคลอไรด์) - มีความเปราะโดยธรรมชาติและมีแนวโน้มที่จะแตกร้าวหรือบางลงเมื่อยืดออก ฟิล์มกั้นที่ขึ้นรูปด้วยความร้อนซึ่งได้รับการออกแบบมาอย่างประสบความสำเร็จจะช่วยแก้ปัญหานี้ได้ด้วยการประกบโพลีเมอร์กั้นระหว่างชั้นโครงสร้างของโพลีโพรพีลีน โพลีเอทิลีน หรือไนลอนที่รับภาระทางกลในระหว่างการขึ้นรูป ช่วยให้ตัวกั้นยืดได้สม่ำเสมอโดยไม่แตกร้าว ผลลัพธ์ที่ได้คือถาด ถ้วย หรือตุ่มที่ขึ้นรูปซึ่งช่วยปกป้องผลิตภัณฑ์ที่ไวต่อออกซิเจน เช่น เนื้อสด ชีส ยาเม็ด และอาหารพร้อมรับประทาน ช่วยยืดอายุการเก็บจากวันเป็นสัปดาห์หรือเป็นเดือน

สถาปัตยกรรมหลายชั้น: เหตุใดฟิล์มกั้นจึงไม่มีขนาดใหญ่โต

ไม่มีโพลีเมอร์ตัวเดียวที่รวมความสามารถในการขึ้นรูปด้วยความร้อนได้ดีเยี่ยม กั้นออกซิเจนสูง กั้นความชื้น ความสามารถในการปิดผนึก และความคุ้มค่าในวัสดุเดียว โพลีโพรพีลีนเทอร์โมฟอร์มอย่างสวยงามและปิดกั้นความชื้น แต่เป็นอุปสรรคออกซิเจนที่ไม่ดี EVOH ปิดกั้นออกซิเจนได้เกือบสมบูรณ์แบบที่ความชื้นต่ำ แต่จะสูญเสียคุณสมบัติการกั้นของมันอย่างมากเมื่อสัมผัสกับความชื้น และแข็งเกินกว่าที่จะก่อตัวเพียงอย่างเดียว วิธีการแก้ปัญหาคือการอัดรีดร่วมหรือการเคลือบชั้นโพลีเมอร์หลายชั้นให้เป็นฟิล์มเดียว โดยแต่ละชั้นจะทำหน้าที่เฉพาะ โครงสร้างฟิล์มกั้นที่ขึ้นรูปด้วยความร้อนโดยทั่วไปเจ็ดถึงเก้าชั้นจะมีลักษณะดังนี้ จากภายนอกสู่ภายใน:

1. ชั้นการละเมิดภายนอก (PP หรือ HDPE): ให้ความแข็งพื้นผิว สามารถพิมพ์ได้ และทนความร้อนสำหรับกระบวนการขึ้นรูป
2. ชั้นผูก (โพลีเมอร์กราฟต์มาลิกแอนไฮไดรด์): เชื่อมโพลีโอเลฟินที่ไม่มีขั้วเข้ากับโพลีเมอร์กั้นขั้ว หากไม่มีชั้นนี้ โครงสร้างจะแยกตัวภายใต้ความเค้นของการขึ้นรูป
3. ชั้นกั้นออกซิเจน (EVOH หรือ PVDC): หัวใจสำคัญของภาพยนตร์โดยทั่วไปเท่านั้น หนา 3-10 ไมครอน ในภาพยนตร์ที่อาจมีขนาดรวม 300 ถึง 500 ไมครอน ชั้นกั้นบางๆ นี้เป็นสิ่งที่ทำให้ฟิล์มสามารถแยกออกซิเจนออกได้
4. ชั้นผูก (กาวที่สอง)
5. แผงกั้นความชื้นและชั้นเทกอง (PP หรือ PE): ปกป้อง EVOH จากความชื้น ซึ่งอาจทำให้พลาสติกกลายเป็นพลาสติกและทำลายกำแพงกั้นออกซิเจน
6. ชั้นผูก (กาวที่สาม)
7. ชั้นเคลือบหลุมร่องฟัน (LLDPE, EVA หรือไอโอโนเมอร์): ชั้นในสุดที่ผนึกความร้อนกับฟิล์มฝาที่อุณหภูมิโดยทั่วไประหว่าง 120°C ถึง 180°C ทำให้เกิดการปิดสนิท

ความหนารวมของฟิล์มและอัตราส่วนความหนาระหว่างชั้นจะถูกปรับตามอัตราส่วนการดึงของช่องเทอร์โมฟอร์ม การใช้งานแบบดึงลึก เช่น ถาดอาหารพร้อมรับประทานที่มีอัตราส่วนความลึกต่อความกว้างเกิน 1:3 ต้องใช้ชั้นกั้นที่หนาขึ้นเพื่อชดเชยการผอมบางที่เกิดขึ้นที่มุม ซึ่งเป็นจุดที่ยืดออกสูงสุดและสิ่งกีดขวางตกค้างขั้นต่ำ

การเลือก แบริเออร์โพลีเมอร์: EVOH กับ PVDC กับทางเลือกอื่น

การเลือกใช้โพลีเมอร์กั้นคือการตัดสินใจเลือกวัสดุที่สำคัญที่สุดเพียงอย่างเดียวในการออกแบบฟิล์ม เนื่องจากเป็นตัวกำหนดอัตราการส่งผ่านออกซิเจน (OTR) และความไวของ OTR นั้นต่อสภาพแวดล้อม โพลีเมอร์กั้นสองชนิดที่โดดเด่นมีโปรไฟล์ประสิทธิภาพที่แตกต่างกันโดยพื้นฐาน

EVOH เป็นอุปสรรคในการเลือกใช้งานบรรจุภัณฑ์อาหารส่วนใหญ่ เนื่องจากมีอุปสรรคออกซิเจนในสภาวะแห้งที่ยอดเยี่ยม และเข้ากันได้กับระบบชั้นผูกโพลีโอเลฟินส์ อย่างไรก็ตาม จุดอ่อนของมันมีความไวต่อความชื้น ปริมาณเอทิลีนโคโมโนเมอร์ (โดยทั่วไปคือ 27 ถึง 44 mol%) เป็นพารามิเตอร์ในการปรับแต่ง: ปริมาณเอทิลีนที่สูงขึ้นจะช่วยเพิ่มความทนทานต่อความชื้นและความสามารถในการขึ้นรูปด้วยความร้อน แต่ช่วยลดอุปสรรคออกซิเจนสัมบูรณ์ EVOH ด้วย เอทิลีน 38 โมล% เป็นการประนีประนอมโดยทั่วไปสำหรับฟิล์มที่ขึ้นรูปด้วยความร้อนได้ เนื่องจากมีอัตราการส่งผ่านออกซิเจนต่ำกว่า 0.5 ซีซี/ตรม./วัน ที่ความชื้นสัมพัทธ์ 65% ซึ่งเพียงพอสำหรับเป้าหมายอายุการเก็บรักษา 10 ถึง 21 วันสำหรับผลิตภัณฑ์เนื้อสัตว์แปรรูป

กระบวนการเทอร์โมฟอร์มและผลกระทบต่อความสมบูรณ์ของแผงกั้น

การสร้างฟิล์มกั้นด้วยความร้อนนั้นเกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนแก่ฟิล์มจนถึงจุดอ่อนตัว โดยทั่วไป 130°C ถึง 170°C สำหรับฟิล์มที่ทำจากโพลีโพรพีลีน —จากนั้นบังคับเข้ากับแม่พิมพ์ที่ระบายความร้อนด้วยสุญญากาศ อากาศอัด หรือปลั๊กเชิงกล ฟิล์มยืดออกในแนวแกน โดยระดับการยืดจะแตกต่างกันไปอย่างมากทั่วทั้งช่องที่เกิดขึ้น พื้นที่หน้าแปลนแบนยังคงไม่ยืดออกและยังคงความหนาของแผงกั้นเดิมไว้ ผนังด้านข้างมีการยืดออกปานกลาง และมุมด้านล่างจะยืดออกได้มากที่สุด โดยมักจะมีอัตราส่วนพื้นที่เกิน 3:1

ตัวชี้วัดคุณภาพที่สำคัญคือ ความหนาของสิ่งกีดขวางที่เหลือขั้นต่ำ ที่จุดที่บางที่สุดของโพรงที่ก่อตัว โดยทั่วไปจะพบได้ที่รัศมีมุมด้านล่าง โดยที่ฟิล์มจะถูกยืดออกทั้งในตัวเครื่องและทิศทางตามขวางพร้อมๆ กัน หากชั้น EVOH เดิมมีความหนา 8 ไมครอน และมุมมีอัตราส่วนพื้นที่ 3.5:1 ความหนาของ EVOH ในมุมนั้นจะอยู่ที่ประมาณ 2.3 ไมครอน ด้านล่างประมาณ 1.5 ถึง 2 ไมครอน เลเยอร์ EVOH เริ่มสูญเสียความต่อเนื่อง ช่องว่างขนาดเล็กและรูเข็มก่อตัวขึ้น และอัตราการส่งผ่านออกซิเจนในพื้นที่นั้นสามารถเพิ่มขึ้นได้หนึ่งหรือสองลำดับความสำคัญ นี่คือโหมดความล้มเหลวหลักที่โดดเด่นของถาดกั้น: ไม่ใช่การเสื่อมสภาพของสิ่งกีดขวางอย่างสม่ำเสมอ แต่เป็นความล้มเหลวเฉพาะที่ที่มุมที่ผลิตภัณฑ์สัมผัสกับบรรจุภัณฑ์ และจุดที่ออกซิเจนเข้าไปทำให้เกิดการเปลี่ยนสีและการเน่าเสีย

Plug-Assist Forming และการควบคุมการกระจายวัสดุ

เพื่อให้เกิดการกระจายวัสดุที่สม่ำเสมอและรักษาความสมบูรณ์ของแผงกั้น ฟิล์มกั้นที่ขึ้นรูปด้วยความร้อนมักได้รับการประมวลผลโดยใช้การขึ้นรูปโดยใช้ปลั๊กช่วย ปลั๊กที่ให้ความร้อนล่วงหน้า—โดยทั่วไปทำจากโฟมซินแท็กติก อลูมิเนียมเคลือบ PTFE หรือคอมโพสิตฉนวนความร้อน—จะดันฟิล์มที่นิ่มลงในโพรงแม่พิมพ์ก่อนที่จะใช้สุญญากาศหรือแรงดัน ปลั๊กจะสัมผัสกับฟิล์มและบังคับวัสดุให้เข้าที่ด้านล่างของช่อง เพื่อต่อต้านแนวโน้มตามธรรมชาติของฟิล์มที่จะบางเป็นพิเศษในผนังด้านข้าง และสะสมวัสดุส่วนเกินไว้ในหน้าแปลน รูปทรงของปลั๊กที่ออกแบบมาอย่างดี ผสมผสานกับความเร็วของปลั๊กและการควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำ สามารถลดการเปลี่ยนแปลงของความหนาทั่วทั้งส่วนที่ขึ้นรูปได้ ±30% โดยไม่มีปลั๊กช่วยถึง ±10% หรือดีกว่า ด้วยโปรไฟล์ปลั๊กที่ปรับให้เหมาะสม

วัสดุปลั๊กและพื้นผิวส่งผลโดยตรงต่อชั้นกั้นของฟิล์ม ปลั๊กที่ร้อนเกินไปจะเกาะติดกับชั้นเคลือบหลุมร่องฟันและสร้างรอยลากที่ทำให้ฟิล์มบางลง ปลั๊กที่เย็นเกินไปจะทำให้ฟิล์มเย็นลงและป้องกันไม่ให้ยืดตัวสม่ำเสมอ โดยทั่วไปอุณหภูมิของปลั๊กจะคงอยู่ที่ 60°C ถึง 100°C สำหรับฟิล์มกั้นที่ใช้ PP ซึ่งต่ำกว่าอุณหภูมิการขึ้นรูปของฟิล์มอย่างมาก เพื่อสร้างการไล่ระดับอุณหภูมิที่ควบคุมได้ ซึ่งจะทำให้กระบวนการยืดคงตัว พื้นผิวปลั๊กควรได้รับการขัดเงาหรือเคลือบโดยมีค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำ — ต่ำกว่า 0.2 กับชั้นเคลือบหลุมร่องฟันร้อน — เพื่อให้ฟิล์มลื่นได้อย่างราบรื่นโดยไม่ต้องพันกัน

ประสิทธิภาพของแผงกั้นหลังการขึ้นรูปและการกระแทกแบบรีทอร์ต

ประสิทธิภาพการกั้นของถาดที่ขึ้นรูปด้วยความร้อนไม่ใช่คุณสมบัติคงที่ มันเปลี่ยนแปลงไปตลอดวงจรชีวิตของผลิตภัณฑ์ ถาดที่ขึ้นรูปจะต้องผ่านการบรรจุ การปิดผนึก และในบางกรณี การประมวลผลด้วยความร้อน เช่น การพาสเจอร์ไรซ์ การบรรจุแบบร้อน หรือการฆ่าเชื้อแบบรีทอร์ท โดยไม่สูญเสียความสมบูรณ์ของอุปสรรค โต้กลับการประมวลผลที่ 121°C เป็นเวลา 30 นาที ทำให้เกิดความร้อนและแรงกระแทกทางกลอย่างรุนแรงบนฟิล์มกั้น ชั้นโพลีเมอร์ดูดซับความชื้น EVOH จะขยายตัวและอุปสรรคออกซิเจนจะลดลงชั่วคราว และการขยายตัวทางความร้อนที่แตกต่างกันของชั้นอาจทำให้เกิดการแยกชั้นระหว่างชั้นที่ส่วนต่อประสานชั้น

สำหรับการใช้งานแบบเปลี่ยนกลับได้ จะต้องอัปเกรดการออกแบบฟิล์ม EVOH ถูกแทนที่ด้วยหรือเสริมด้วยแผงกั้นที่ต้านทานการโต้กลับ เช่น ไนลอน MXD6 หรือชั้น PET ที่เคลือบ SiOx ได้รับการปกป้องโดยชั้นโพลีโพรพีลีนเพิ่มเติม . ชั้นผูกจะต้องได้รับการกำหนดสูตรสำหรับการยึดเกาะที่อุณหภูมิสูง โดยทั่วไปความหนาของฟิล์มทั้งหมดจะเพิ่มขึ้น 20% ถึง 30% เมื่อเทียบกับเวอร์ชันที่ไม่รีทอร์ต เพื่อรักษาความหนาของสิ่งกีดขวางขั้นต่ำหลังจากการยืดเพิ่มเติมและการหมุนเวียนด้วยความร้อน ฟิล์มกั้นที่สามารถคืนสภาพได้ต้องแสดงให้เห็นว่าผ่านการทดสอบความสมบูรณ์ของบรรจุภัณฑ์ตามมาตรฐาน ASTM F2095 หรือเทียบเท่าว่าอัตราการส่งผ่านออกซิเจนหลังจากการรีทอร์ตไม่ได้เพิ่มขึ้นมากกว่าสองเท่าเมื่อเทียบกับค่ารีทอร์ตก่อน

อุปสรรคไอน้ำและบทบาทของชั้นนอก

แม้ว่าตัวกั้นออกซิเจนจะได้รับความสนใจมากที่สุด แต่อัตราการส่งผ่านไอน้ำ (WVTR) ก็มีความสำคัญต่อคุณภาพของผลิตภัณฑ์ไม่แพ้กัน การสูญเสียความชื้นจากผักผลไม้สดทำให้เหี่ยวเฉาและน้ำหนักลดลง ความชื้นที่เพิ่มขึ้นในผลิตภัณฑ์แห้ง เช่น แครกเกอร์หรือผงยาทำให้เกิดการเกาะตัวและการเน่าเสีย ชั้นนอกโพลีโพรพีลีนของฟิล์มกั้นช่วยป้องกันความชื้นได้ดีเยี่ยม PP มี WVTR ประมาณ 0.5 ถึง 1.0 กรัม/ตรม./วัน ที่ 38°C และ 90% RH สำหรับฟิล์มขนาด 500 ไมครอน ซึ่งดีกว่า EVOH เพียงอย่างเดียว ชั้นปิดผนึกจะต้องมีส่วนช่วยกั้นความชื้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในบริเวณหน้าแปลนที่ถาดที่ขึ้นรูปถูกผนึกไว้กับฟิล์มฝา ความชื้นใดๆ ที่ไหลผ่านบริเวณซีลจะถูกขังอยู่ในพื้นที่ส่วนหัวของบรรจุภัณฑ์ ซึ่งจะทำให้ความชื้นสัมพัทธ์ในพื้นที่เพิ่มขึ้น และทำให้แผงกั้นออกซิเจน EVOH ลดลงจากขอบด้านในอย่างต่อเนื่อง

แนวโน้มความสามารถในการรีไซเคิลและความยั่งยืน

โครงสร้างหลายชั้นที่ใช้วัสดุหลายชั้นทำให้ฟิล์มกั้นที่ขึ้นรูปด้วยความร้อนมีประสิทธิภาพการทำงานยังเป็นความรับผิดชอบต่อสิ่งแวดล้อมที่ยิ่งใหญ่ที่สุดอีกด้วย การรวมกันของโพลีโพรพีลีน โพลีเอทิลีน EVOH และกาวแบบมัดชั้นเข้ากันไม่ได้กับกระแสการรีไซเคิลเชิงกล ไม่สามารถแยกชั้นในราคาประหยัดได้ และการบดลับด้วยวัสดุผสมมีคุณสมบัติเชิงกลต่ำ และไม่เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องสัมผัสกับอาหาร อุตสาหกรรมกำลังตอบสนองต่อแรงกดดันด้านกฎระเบียบ—โดยเฉพาะอย่างยิ่งกฎระเบียบด้านบรรจุภัณฑ์และของเสียจากบรรจุภัณฑ์ของสหภาพยุโรป—ด้วยการเปลี่ยนแปลงทางเทคโนโลยีหลายประการ

แนวทางที่มีแนวโน้มมากที่สุดคือการพัฒนา ฟิล์มกั้นโพลีโอเลฟินชนิดวัสดุเดียว โดยที่โครงสร้างทั้งหมดขึ้นอยู่กับโพลีโพรพีลีนหรือโพลีเอทิลีน รวมถึงชั้นกั้นที่เป็นโพลีโอเลฟิน EVOH ที่ใช้ PP นั้นเข้ากันได้สูงกับกระแสการรีไซเคิล PP เมื่อเนื้อหา EVOH ต่ำกว่า 5% โดยน้ำหนัก และชั้นที่ผูกกันคือ PP-g-MAH ชั้นกั้นถูกห่อหุ้มไว้ภายในเมทริกซ์ PP และไม่รบกวนกระบวนการรีไซเคิลเชิงกล แนวทางที่สองคือการแทนที่ฟิล์มกั้นด้วยการเคลือบ SiOx หรือ AlOx ที่ฝากสูญญากาศแบบบางและโปร่งใสบนพื้นผิว PP หรือ PET สารเคลือบเหล่านี้มีความหนาน้อยกว่า 100 นาโนเมตร และไม่รบกวนการรีไซเคิล ข้อจำกัดยังคงมีความไวต่อการแตกร้าวในระหว่างการเทอร์โมฟอร์ม ซึ่งปัจจุบันจำกัดการใช้งานกับการใช้งานแบบดึงตื้นที่มีอัตราส่วนการดึงต่ำกว่า 1.5:1

การทดสอบคุณภาพของบรรจุภัณฑ์ที่ขึ้นรูปแล้ว

การตรวจสอบว่าถาดกั้นที่ขึ้นรูปด้วยความร้อนเป็นไปตามข้อกำหนดอายุการเก็บรักษานั้น จำเป็นต้องมีการทดสอบทางกายภาพและทางเคมีร่วมกันกับส่วนที่ขึ้นรูป ไม่ใช่แค่บนแผ่นฟิล์มเรียบเท่านั้น เอกสารข้อมูลของผู้ผลิตฟิล์มระบุอัตราการส่งผ่านออกซิเจนของฟิล์มเรียบ แต่ OTR ของถาดที่ขึ้นรูปอาจสูงกว่าสองถึงห้าเท่า ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนการดึงและความสม่ำเสมอของกระบวนการขึ้นรูป

การทดสอบที่สำคัญสำหรับบรรจุภัณฑ์ที่ขึ้นรูปแล้วประกอบด้วย:

• การวัด OTR ทั้งแพ็คเกจ (ASTM F1307): วัดอัตราการซึมของออกซิเจนของบรรจุภัณฑ์ที่ปิดสนิททั้งหมด โดยจับผลรวมของถาดที่ขึ้นรูป ฟิล์มที่ฝา และความสมบูรณ์ของซีล นี่คือการวัดประสิทธิภาพของสิ่งกีดขวางของผลิตภัณฑ์อย่างแท้จริงที่สุด
• การวัดความหนาของมุม: ภาพตัดขวางของมุมถาดที่ขึ้นรูปจะถูกตรวจสอบด้วยกล้องจุลทรรศน์เพื่อวัดความหนาของชั้นกั้นที่เหลือ ณ จุดที่การทำให้ผอมบางที่สุด ซึ่งสัมพันธ์กับ OTR ทั้งแพ็คเกจเพื่อสร้างข้อกำหนดความหนาของมุมขั้นต่ำที่ยอมรับได้
• การทดสอบการเจาะสีย้อม (ASTM F3039): สารละลายสีย้อมถูกนำไปใช้กับด้านในของโพรงที่เกิดขึ้น และด้านนอกจะถูกตรวจสอบว่ามีสีย้อมซึมผ่านรูเข็มหรือรอยแตกในชั้นกั้นหรือไม่ นี่คือการทดสอบ Pass-Fail ที่ตรวจจับการแตกของชั้นกั้น
• การตรวจสอบอายุการเก็บรักษาภายใต้สภาวะเร่งด่วน: บรรจุภัณฑ์ปิดผนึกที่บรรจุผลิตภัณฑ์จริงหรือผลิตภัณฑ์จำลองจะถูกเก็บไว้ที่อุณหภูมิและความชื้นสูง โดยทั่วไป 38°C และ 90% RH สำหรับผลิตภัณฑ์อาหาร—และคุณลักษณะด้านคุณภาพผลิตภัณฑ์จะได้รับการตรวจสอบเมื่อเวลาผ่านไป ความเข้มข้นของออกซิเจนในพื้นที่ส่วนหัวของบรรจุภัณฑ์ ซึ่งวัดโดยเซ็นเซอร์ออปติคอลแบบไม่ทำลาย เป็นตัวบ่งชี้โดยตรงที่สุดถึงความสมบูรณ์ของสิ่งกีดขวางตลอดช่วงอายุการเก็บรักษา