Wprowadzenie
Polietylen (PE) i polipropylen (PP) to najważniejsi członkowie grupy polimerów zwanych poliolefinami.
PE to najpowszechniej używany polimer na świecie (ok. 80 milionów ton rocznie), podczas gdy polipropylen (PP) jest produkowany w ilości ok. 50 milionów ton rocznie.
Polimery te są stosowane w najróżniejszych branżach przemysłu, takich jak opakowania do żywności, przemysł samochodowy, farmaceutyczny, produkcja kabli, przewodów, rur itp. Są one szeroko wykorzystywane w branżach, w których drukarki ink jet (CIJ) są używane do kodowania i znakowania.
Tworzywa te mają taką charakterystykę, że efektywne znakowanie na ich powierzchni może być wyzwaniem dla producentów.
Charakterystyka polimeru
Polietylen i polipropylen mają struktury zawierające tylko węgiel i wodór:
Struktura rodzajowa polietylenu i polipropylenu
Struktury te skutkują bardzo niską biegunowością materiału, co oznacza, że trudno jest uzyskać silne powiązanie z innymi chemikaliami (np. tymi wchodzącymi w skład atramentów drukarskich). Innymi słowy, tusz ma problem, by przyczepić się do czegokolwiek na powierzchni polimeru, co skutkuje słabym przywieraniem tuszu. Dodatkowo, krople atramentu mogą nie zwilżać skutecznie powierzchni, przez co oznakowanie może być słabo czytelne lub tusz może się rozmazywać.
W pewnym zakresie problemy te można obejść przez potraktowanie powierzchni PE lub PP ciepłem, wyładowaniem koronowym lub plazmą. Taki proces zwiększa energię podłoża z ok. 30 mN/m do >40 mN/m. Napięcie powierzchniowe atramentu (26-28 mN/m) jest znacznie niższe od tej wartości i dlatego tusz jest w stanie odpowiednio nawilżyć powierzchnię i dobrze do niej przywierać.
Niemniej oznacza to dodatkowy proces na linii produkcyjnej, co często może być niepożądane lub nieodpowiednie. Producenci tuszów do znakowania opakowań muszą zatem opracować tusze, które będą przywierać zarówno do obrobionych, jak i nieobrobionych powierzchni PE i PP.
Zastosowania
PE/PP są bardzo wszechstronne, ponieważ można je bardzo łatwo modyfikować w trakcie produkcji, wytwarzając cały szereg różnych postaci, od cienkich folii po wytrzymałe podzespoły, w takich procesach jak rozdmuchiwanie, formowanie wtryskowe, formowanie rotacyjne i wytłaczanie.
PE jest szeroko stosowany w produkcji opakowań do żywności, takich jak folie, a także poza przemysłem spożywczym, do produkcji butelek i beczek, rur i koszulek kablowych. PE i inne poliolefiny są coraz częściej stosowane w produkcji kabli w miejsce PCW.
PP jest także powszechnie stosowany w wielu branżach, w tym do produkcji sztywnych opakowań (skrzynie kratkowe, wiadra, pudełka na płyty CD/DVD itp.), podzespołów samochodowych, rur, tekstyliów, folii do pakowania żywności, butelek, kołpaków.
PE i PP w produkcji opakowań do żywności
Ważne jest, by opakowania do żywności miały odpowiednią kombinację właściwości; zarówno PE, jak i PP mają właściwości, które spełniają następujące funkcje:
• Łatwość formowania opakowań o różnych kształtach
• Pomagają zachować świeżość żywności (bariera dla powietrza, wilgoci)
• Lekkie i wytrzymałe, chronią żywność
• Wygodne — łatwe do otwierania i lekkie
• Odporne na kwasy i inne chemikalia
• Niski poziom własnych czynników skażających, które mogłyby przejść do żywności
• Ekonomiczne
PE do kabli
Znakowanie na kablach z izolacją z PE stanowi potencjalny problem, gdyż nadruk może rozmazywać się, gdy kabel jest nawijany na szpulę. Jeżeli atrament nie przywiera dobrze do kabla lub gdy nie wyschnie dostatecznie, takie rozmazywanie się może mieć miejsce szczególnie przy dużej szybkości nawijania kabla na szpulę. Nadruk może więc stać się nieczytelny, zaś kabel będzie musiał być ponownie oznakowany lub wyczyszczony, co wiąże się z dodatkowymi kosztami dla producenta.
Należy także uwzględnić fakt, ze kolor nadruku musi być kontrastowy w stosunku do koloru kabla, dlatego wybór czarnego, białego lub innego koloru ma znaczenie dla producenta kabli. Jeżeli dodamy do tego wymóg odporności nadruku na chemikalia używane podczas produkcji lub użytkowania kabla, plus wymagania stawiane przez przepisy w sprawie składu chemicznego tuszów, okaże się, że dobór odpowiedniej metody znakowania staje się bardzo złożony.
Wyznaczniki i trendy w użytkowaniu PP i PE — co warto wiedzieć o znakowaniu?
Tysiące czynników, zarówno środowiskowych jak i prawnych, decyduje o użyciu PP i PE zastosowaniach do znakowania i pakowania. Czynniki te dotyczą zarówno tworzywa użytego w produkcie i w opakowaniu, a także tuszu użytego do ich znakowania. Dodatkowo, istnieją normy, które mają wpływ na materiały w drukarce, która dostarcza tusz.
Środowisko
Obecnie występuje tendencja stosowania poliolefin, które są postrzegane jako bardziej przyjazne dla środowiska, niż niektóre inne tworzywa sztuczne, jak np. PCW, czy poliwęglany. Produkcja, użytkowanie i koniec cyklu życia poliolefin generalnie wymaga mniejszych ilości niebezpiecznych substancji chemicznych. PE i PP można także łatwo poddać recyklingowi na dużą skalę; są to materiały termoplastyczne, co oznacza, że można je wielokrotnie przetapiać i wytwarzać z nich nowe produkty.
Ani PE, ani PP nie są łatwo biodegradowalne (to wyzwanie dla wszystkich popularnych tworzyw sztucznych). Prowadzone są prace nad opracowaniem metod produkcji PE i PP z surowców odnawialnych (innych niż ropa naftowa), jednak są one na razie zbyt kosztowne, by znalazły szersze zastosowanie.
Przepisy i normy
Pod uwagę trzeba wziąć szereg norm i dyrektyw, które mają wpływ na zastosowane tworzywa sztuczne, atramenty do znakowania oraz maszyny, które ich dostarczają.
Opakowania do żywności — istnieje zbiór przepisów i wytycznych, które ograniczają użycie pewnych chemikaliów w tuszach używanych do znakowania opakowań do żywności, w tym:
Rozporządzenie (WE) nr 1935/2004 Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 27 października 2004 r. w sprawie materiałów i wyrobów przeznaczonych do kontaktu z żywnością
Szwajcarskie przepisy SR 817.023.21, które zyskały szerokie uznanie w branży opakowań do żywności; zawierają one pozytywną listę substancji dozwolonych do stosowania w tuszach do znakowania opakowań do żywności
Lista wykluczeń EuPIA — definiuje substancje, których nie wolno stosować w znakowaniu opakowań do żywności
Metale ciężkie — stosowanie do znakowania regulują przepisy:
Dyrektywa w sprawie opakowań 94/62/WE
Dyrektywa RoHS 2011/65/UE w sprawie ograniczenia stosowania niektórych niebezpiecznych substancji w sprzęcie elektrycznym i elektronicznym, w tym takim, jak urządzenia do znakowania
Normy przemysłu elektronicznego — obejmują one skład atramentów stosowanych do znakowania w przemyśle elektronicznym, a także znakowane materiały, takie jak kable:
IEC 61249-2-21, norma opisująca podzespoły elektroniczne wolne od halogenów. W razie pożaru, tworzywa sztuczne zawierające halogeny uwalniają toksyczne i korozyjne gazy, takie jak chlorowodór, który z kolei tworzy kwas solny, gdy wejdzie w kontakt z wodą. Kable wolne od halogenów, czasami określane jako niskodymne, bezhalogenowe (ang. Low Smoke Zero Halogen, LSZH) redukują ilość toksycznych i korozyjnych gazów emitowanych podczas spalania. Mogą one być stosowane w miejscach o słabej wentylacji, takich jak samoloty, wagony kolejowe oraz w kablowych systemach przesyłu sygnałów w podziemnych tunelach. Norma IEC definiuje kabel wolny od halogenów jako zawierający < 900 ppm bromu i chloru. Kable z PCW nie spełniają tych wymogów, jednak spełniają je kable z PE, PP i innych poliolefin. Atrament użyty do znakowania także musi je spełniać.
Implikacje dla znakowania
Tak więc PE i PP stają się coraz bardziej popularne w branży opakowań do żywności i w przemyśle kablowym. Jednak ze względu na ich strukturę chemiczną, znakowanie na nich z użyciem drukarek atramentowych może być trudne lub nadruk może stać się nieczytelny na skutek jego rozmazania.
To jednak nie oznacza, że znakowanie tuszem na PE i PP jest nieodpowiednie — w rzeczywistości jest wprost przeciwnie. Oba materiały można formować w niemal dowolne kształty, tak więc bezkontaktowa technika znakowania, np. CIJ (ang. Continuous Ink Jet) sprawdza się idealnie, gdyż tusz jest dosłownie „wystrzeliwany” na powierzchnię. Produkty o nieregularnych kształtach można czytelnie znakować, do tego pod dowolnym kątem.
Większość producentów drukarek CIJ zapewnia szeroką gamę tuszów, które mogą przywierać do wielu materiałów, w tym do PE i PP. Każdy materiał ma własny zestaw unikatowych właściwości i zadaniem chemika jest opracowanie takiego atramentu, który zagwarantuje, że nadruk pozostanie na miejscu, a jednocześnie spełni wiele różnych wymogów środowiskowych i prawnych w zakresie składu tuszu. Dzięki opracowywanym nowym materiałom spełniającym wymogi tych dyrektyw, producenci mogą dalej pracować nad nowymi atramentami, by być zawsze o krok dalej w grze.
Dr Richard Marsden — główny chemik, Linx Printing Technologies Ltd.
