روش تولید فیلم پلاستیکی بسته‌بندی + [بررسی مراحل تولید]

فیلم پلاستیکی نوعی بسته‌بندی است که از یک لایه نازک پلیمری شفاف و انعطاف پذیر تولید می‌شود و به ظروف غذا و محصولات می‌چسبد تا یک آب‌بندی محکم ایجاد کند. پلاستیک با ایجاد حفاظت در برابر هوا و با جلوگیری از جذب رطوبت، سلامت محصولات را تضمین می‌کند و عمر مفید آن‌ها را افزایش می‌دهد. در ادامه این مقاله از پوشان پلاستیک، روش تولید فیلم پلاستیکی را بررسی می‌کنیم. 

پلاستیک‌ها پلیمرهای مصنوعی هستند، یعنی از مولکول‌های غول‌پیکر تشکیل شده‌اند که از ترکیب هزاران مولکول کوچک از همان نوع در یک زنجیره طولانی ساخته می‌شوند. این مولکول های کوچک به عنوان مونومر شناخته می‌شوند و به فرآیند ترکیب آنها پلیمریزاسیون گفته می‌شود. پلیمرهای طبیعی شامل مواد آشنا مانند ابریشم، لاستیک و پنبه است.

اولین پلاستیک توسط شیمیدان انگلیسی الکساندر پارکز در سال 1862 ساخته شد که ماده‌ای به نام پارکزین را از پنبه، اسید نیتریک، اسید سولفوریک، روغن کرچک و کافور تولید کرد. دو سال بعد در ایالات متحده جان وسلی هایت این محصول را بهبود بخشید و نام آن را سلولوئید گذاشت. سلولوئید موفقیت فوق‌العاده‌ای بود و برای تولید محصولات مختلف مورد استفاده قرار گرفت، اما بسیار قابل اشتعال بود.

باکلیت اولین پلیمر کاملا مصنوعی (برخلاف سلولوئید که مشتق شده از پلیمر طبیعی سلولز بود) بود که توسط شیمیدان بلژیکی لئو باکلند در سال 1908 از فنل و فرمالدئید تولید شد. بسیاری از پلیمرهای دیگر مانند لاستیک و الیاف مصنوعی (مثل نایلون) در طول قرن بیستم توسعه یافتند.

اولین پلاستیکی که برای بسته‌بندی استفاده شد سلفون بود، مشتق دیگری از سلولز که توسط شیمیدان سوئیسی ژاک براندنبرگر در سال 1911 اختراع شد. این پلاستیک از مزیت شفاف بودن برخوردار بود و در اوایل سال 1924 برای بسته‌بندی استفاده شد. سلفون  تا سال 1963، زمانی که پلی اتیلن از آن سبقت گرفت، رایج‌ترین شکل فیلم پلاستیکی بود.

تاریخچه تولید مواد اولیه فیلم بسته‌بندی

پلی اتیلن به طور تصادفی توسط محققان شرکت بریتانیایی Imperial Chemicals Industries در سال 1933 کشف شد، زمانی که آنها بنزن و اتیلن را در دما و فشار بالا مخلوط کردند. پلی اتیلن برای اولین بار به طور عمده برای مواد عایق الکتریکی استفاده شد. پلی اتیلن در سال 1945 توسط شرکت Visking در ایالات متحده به فیلم تبدیل شد و از آن زمان به بعد محبوبیت آن افزایش یافت.

پلی وینیل کلراید (PVC) قبل از جنگ جهانی دوم تولید و در ابتدا به عنوان یک جایگزین ضعیف برای لاستیک استفاده می‌شد، اما هیچ فیلم پلاستیکی از این ماده تا دهه 1950 ساخته نشد. PVC امروزه در بسیاری از محصولات مختلف مانند لوله‌ها، کفپوش‌ها، کابل‌های برق، کفش و لباس و همچنین پوشش‌های پلاستیکی استفاده می‌شود.

فیلم پلی وینیلیدین کلراید (PVDC) توسط شرکت شیمیایی داو در طول جنگ جهانی دوم برای استفاده نظامی ساخته شد. درجه بالایی از محافظت در برابر رطوبت و مقاومت در برابر روغن‌ها، گریس‌ها و مواد شیمیایی خورنده را ارائه می‌دهد؛ بنابراین برای بسته‌بندی تجهیزات حساس مانند دستگاه‌های نوری و اجزای موتور هواپیما کاربرد دارد. 

مواد اولیه فیلم بسته بندی

بیشتر فیلم‌های پلاستیکی خانگی از پلی اتیلن، پی وی سی یا پی وی دی سی تولید می‌شوند. این پلیمرها همگی از هیدروکربن‌های ساده مانند متان یا اتیلن که از گاز طبیعی یا نفت تولید می‌شوند، به دست می‌آیند. پلی اتیلن مستقیما از اتیلن ساخته می‌شود. PVC از وینیل کلرید، مشتق شده از اتیلن، یا از استیلن، مشتق شده از متان ساخته شده است. PVDC از وینیل کلرید و وینیلیدین کلرید، مشتقاتی از 1،1،2-تری کلرواتان، که به نوبه خود از اتیلن یا استیلن مشتق می‌شود، به دست می‌آید. برخی از فیلم‌های پلاستیکی، از جمله سلفون، از سلولز به دست می‌آیند که از خمیر چوب یا از الیاف ریز تولید می‌شود، الیاف ریز که پس از برداشتن الیاف پنبه‌ای بلندتر توسط پنبه‌کن، به دانه‌های پنبه می‌چسبند. 

بررسی روش تولید فیلم پلاستیکی بسته‌بندی

مرحله اول: فرآوری مواد اولیه

1- مواد شیمیایی مورد نیاز برای سنتز پلیمرها معمولاً از نفت به دست می‌آیند. نفت خام در یک کوره تا حدود 752 درجه فارنهایت (400 درجه سانتیگراد) گرم می‌شود. بخارهای حاصل از نفت به سمت ستونی حرکت می‌کند، یک برج بلند که شامل یک سری اتاقک است. اتاقک‌ها در پایین برج گرم‌تر و در بالا خنک‌تر هستند. مواد مختلفی که نفت را می‌سازند به صورت گاز از داخل محفظه‌ها بالا می‌روند تا زمانی که به دمایی برسند که در آن به مایع تبدیل شوند. از آنجایی که هر ماده نقطه جوش متفاوتی دارد، در محفظه‌های مختلف مایع می‌شوند و می‌توان آنها را جدا و جمع کرد.

2- بیشتر پلیمرها از هیدروکربن‌های بسیار ساده تشکیل می‌شوند که نقطه جوش پایینی دارند. این مواد در ستون مایع نمی‌شوند، بلکه به شکل گازهایی باقی می‌مانند که می‌توانند از بالای برج خارج شوند. آنها همچنین ممکن است از گاز طبیعی که بیشتر متان است به دست آیند. منبع دیگر این مواد شیمیایی، یعنی نفتا، مخلوطی از هیدروکربن‌های مایع است که از یک ستون تقسیم‌کننده به‌دست می‌آید که از بنزین سنگین‌تر، اما از نفت سنگین، سبک‌تر است. 

نفتا تحت فشار حرارت داده می‌شود تا هیدروکربن‌های مایع را به مولکول‌های کوچک‌تر تجزیه کند، فرآیندی که به آن پالایش می‌گویند. یک کاتالیزور اضافه می‌شود تا پالایش در دما و فشار کمتری انجام شود. کاتالیزور ممکن است یک خاک رس طبیعی یا مصنوعی مانند مخلوطی از آلومینا و سیلیس یا یک زئولیت (هر یک از مواد معدنی مختلف حاوی آلومینیوم، سیلیکون، اکسیژن و سایر عناصر در ترکیب با آب) باشد. فراوری در دمای 932 درجه فارنهایت (500 درجه سانتیگراد) تحت فشار حدود 100 کیلو پاسکال انجام می‌شود. سپس نفتای پالایش شده به روشی مشابه در یک ستون تقسیم شده تقطیر می‌شود تا اجزای آن جدا شود.

مرحله دوم: بسپارش یا پلیمریزاسیون

3- پلی اتیلن از اتیلنی که از پالایش به دست می‌آید، پلیمریزه می‌شود. اتیلن در یک محفظه فشار تا حدود 338 درجه فارنهایت (170 درجه سانتیگراد) با فشار حدود 200000 کیلو پاسکال در حضور مقدار کمی اکسیژن گرم می‌شود. اکسیژن اتیلن را به رادیکال‌های آزاد تجزیه می‌کند که با یکدیگر ترکیب می‌شوند و زنجیره‌های پلی اتیلن را تشکیل می‌دهند. حدود یک درصد از گاز غیر واکنشی مانند پروپان برای جلوگیری از طولانی شدن زنجیره‌ها افزوده می‌گردد.

4- PVC از وینیل کلرید پلیمریزه می‌شود که می‌توان آن را با مخلوط کردن استیلن با اسید کلریدریک یا اتیلن با کلر به دست آورد. البته اتیلن بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد زیرا از پالایش نفتا به دست می‌آید. در صورت استفاده از استیلن، ابتدا باید با حرارت دادن متان تا حدود 2732 درجه فارنهایت (1500 درجه سانتیگراد) یا از طریق واکنش‌های شیمیایی مختلف دیگر سنتز شود. وینیل کلرید را با آب مخلوط کرده و هم می‌زنند تا یک سوسپانسیون تشکیل شود، همانطور که روغن و سرکه برای تشکیل سس سالاد مخلوط می‌شوند. مواد معلق مختلفی مانند نشاسته و ژلاتین برای جلوگیری از جدا شدن مخلوط اضافه می‌گردد. دمای سوسپانسیون به حدود 104 درجه فارنهایت (40 درجه سانتیگراد) یا 122 درجه فارنهایت (50 درجه سانتیگراد) افزایش می‌یابد و یک آغازگر، معمولاً یک پراکسید آلی، برای شروع واکنش اضافه می‌شود. مولکول‌های وینیل کلرید با یکدیگر واکنش داده و زنجیره‌های PVC را تشکیل می‌دهند. مخلوط سرد شده و ذرات PVC از آب در سانتریفیوژ جدا شده و در اجاق خشک می‌شوند.

5- PVDC مخلوطی از حدود 15٪ وینیل کلرید و حدود 85٪ وینیلیدین کلرید پلیمریزه شده است. برای تولید وینیلیدین کلرید، ابتدا تری کلرواتان ۱،۱،۲ از مخلوط کردن استیلن، اسید کلریدریک و کلر یا با مخلوط کردن اتیلن و کلر ساخته می‌شود. سپس تری کلرواتان ۱،۱،۲ با هیدروکسید کلسیم یا هیدروکسید سدیم واکنش داده و وینیلیدین کلرید تولید می‌کند. پلیمریزاسیون PVDC تقریباً مانند PVC است.

6- پلی اتیلن به طور طبیعی انعطاف‌پذیر است، اما به PVC و PVDC باید مواد نرم کننده اضافه شود، در غیر این صورت سخت و سفت خواهند شد. از استرهای آلی و معدنی مختلف می‌توان به عنوان نرم کننده استفاده کرد. به طور کلی نرم کننده مایع به آرامی به پودر پلیمر خشک اسپری و تا حدود 302 درجه فارنهایت (150 درجه سانتیگراد) حرارت داده می‌شود تا یک مخلوط همگن تشکیل گردد.

مرحله سوم: تولید فیلم بسته‌بندی پلاستیکی

7- فیلم پلاستیکی با اکستروژن ساخته می‌شود. در این فرآیند گرانول‌های پلاستیک تا زمانی که در حدود 212 درجه فارنهایت (100 درجه سانتیگراد) برای پلی اتیلن و حدود 392 درجه فارنهایت (200 درجه سانتیگراد) برای PVC و PVDC ذوب شوند، گرم می‌شوند. سپس مایع از طریق یک قالب عبور داده می‌شود تا یک لوله از پلاستیک گرم و قابل کشش تشکیل شود. در فواصل زمانی معین، هوای فشرده به سمت لوله متحرک دمیده می‌شود تا حباب‌های بزرگی ایجاد گردد. این کار باعث کشش پلاستیک به نازکی دلخواه می‌گردد.

پلاستیک نازک به سرعت سرد می‌شود و حباب بین غلتک‌های فلزی فرو می‌ریزد تا یک لایه فیلم تشکیل شود. این فیلم به دور یک غلتک فلزی بزرگ پیچیده می‌شود تا یک رول را تشکیل دهد که ممکن است حتی چندین کیلومتر پوشش پلاستیکی را در خود جای دهد. سپس لایه پلاستیکی روی این رول‌ها باز شده و به طول مناسب (معمولاً حدود 15 متر) و عرض (حدود 0.33 متر) بریده می‌شود و دوباره روی لوله‌های مقوایی کوچک پیچیده می‌شوند. این غلتاندن، باز کردن و چرخاندن مجدد باعث می‌گردد تا فیلم پلاستیکی مقداری بار منفی الکتریسیته ساکن پیدا کند که به چسبیدن بهتر آن کمک می‌کند. مصرف کننده نهایی می‌تواند هنگام استفاده، طول مورد نظر را پاره و از آن استفاده کند.

مرحله پایانی: کنترل کیفیت

انواع آزمایشات استاندارد برای اطمینان از کیفیت و ساختار فیلم پلاستیکی طراحی شده است. مهمترین آنها، آزمایشات برای تعیین مقدار نفوذپذیری، مقاومت در برابر ضربه و استحکام پارگی است.

نفوذپذیری بخار آب با پر کردن ظرف با کلرید کلسیم، یک ماده بسیار جاذب آب، اندازه گیری می‌شود. روی آن با یک نمونه پلاستیک پوشانده شده و وزن می‌گردد. سپس ظرف را در محفظه‌ای با دما و رطوبت کنترل شده قرار می‌دهند. پس از مدت زمان معینی، ظرف دوباره وزن می‌شود. تغییرات وزن مشخص می‌کند که چقدر بخار آب از پلاستیک عبور کرده است. این آزمایش را می‌توان با پر کردن ظرف با آب به جای کلرید کلسیم و اندازه گیری کاهش وزن انجام داد تا میزان بخار آب خارج شده را مشاهده کرد. این آزمایشات در دمای 73 درجه فارنهایت (23 درجه سانتیگراد) با رطوبت نسبی 50 درصد، در 90 درجه فارنهایت (32 درجه سانتیگراد) با رطوبت نسبی 50 درصد و در 100 درجه فارنهایت (38 درجه سانتیگراد) با رطوبت نسبی 90 درصد انجام می‌شود.

نفوذپذیری گاز با قرار دادن نمونه‌ای از پوشش پلاستیکی بین دو محفظه اندازه گیری می‌شود. محفظه بالایی شامل فشار 100 کیلو پاسکال و محفظه پایینی حاوی خلاء متصل به لوله‌ای حاوی جیوه مایع است. همانطور که هوا در محفظه بالایی از پوشش پلاستیکی عبور می‌کند، فشار در محفظه پایینی را افزایش می‌دهد و سطح جیوه را مجبور به کاهش می‌کند. تغییر سطح نشان می‌دهد که چه مقدار هوا به پلاستیک نفوذ کرده است.

مقاومت در برابر ضربه با انداختن وزنه‌هایی با اندازه افزایش یافته روی نمونه‌های آزمایشی اندازه‌گیری می‌شود تا نیمی از آنها شکسته شوند و در این مرحله وزن ثبت می‌شود. همچنین می‌توان آن را با پر کردن کیسه‌های ساخته شده از پوشش پلاستیکی در حال آزمایش با ماسه و انداختن آنها روی یک سطح سخت از ارتفاعات رو به افزایش تا زمانی که ترکید، اندازه گیری کرد. سپس ارتفاعی که این اتفاق می‌افتد ثبت می‌شود. مقاومت در برابر ضربه نیز با شلیک یک توپ فولادی کوچک که توسط هوای تحت فشار از داخل یک ورقه پلاستیکی به حرکت در می‌آید و اندازه گیری میزان کاهش سرعت پلاستیک توسط پلاستیک اندازه گیری می‌گردد.

قدرت پارگی شامل قدرت شروع پارگی (نیروی لازم برای شروع پارگی) و قدرت انتشار پارگی (نیروی لازم برای ادامه پارگی) است. برای اندازه گیری قدرت شروع پارگی، نمونه‌ای به شکل V کم عمق بین دو لبه کشیده می‌شود تا زمانی که شروع به پاره شدن کند. این شکل غیر معمول برای ایجاد یک زاویه 90 درجه انتخاب شده است که نقطه شروع کنترل شده‌ای را برای پارگی فراهم می‌کند. قدرت انتشار پارگی را با جدا کردن یک نمونه حاوی یک شکاف پیش برش اندازه می‌گیرند.

منبع