بابک بیوک افشاری / کارشناس ارشد مهندسی شیمی-پلیمر
امروزه پوشش‌های چند لایه به‌عنوان بسته‌بندی‌های منعطف در تولید و عرضه مواد غذایی در سطح جهان به‌وفور استفاده می‌شوند. چسب مورد نیاز برای اتصال لایه‌ها در لمینیت‌ها تحت سلطه سیستم‌های پلی یورتانی هم از نوع حلال پایه و هم فعال‌شونده بدون حلال است. در راستای عدم انتشار حلال‌های آلی «چسب‌های فعال‌شونده بدون حلال» در صنعت بسته‌بندی مواد غذایی به دلیل مزایای قیمتی‌شان بسیار محبوب شده‌اند. اما همین چسب‌ها دو محدودیت فنی دارند:
پیش از بسته‌بندی مواد غذایی، باید پوشش‌های لمینیت ساخته شده با این چسب‌ها را برای چندین روز در انبار نگه‌داری کرد. این زمان انبارداری برای ایجاد و افزایش پیوند‌های چسب بین سطوح لمینیت است تا بتوان برای برش‌های بعدی و فرآیند‌های آب‌بندی کردن بسته‌بندی‌ها اقدام کرد. دلیل دیگر این زمان انبارداری تکمیل واکنش شیمیایی در چسب است زیرا با تکمیل نشدن این واکنش‌ها، مولکول‌های با جرم مولکولی کمتر می‌توانند به سطح داخلی بسته‌بندی مهاجرت کرده و باعث سمی شدن غذا شوند.
عیب دوم چسب‌های فعال‌شونده بدون حلال، معایب ایجاد شده در مشخصات ظاهری لمینیت‌های پرینت شده و همچنین شفاف (بدون پرینت) است که می‌توانند به‌طور قابل توجهی ضعیف‌تر از لمینیت‌های تولید شده با چسب‌های برای اینکه یک چسب بتواند در پوشش‌های لمینیت از خود مقاومت خوبی در برابر تنش‌های کششی و همینطور مقاومت خوبی در برابر جدا شدن لایه‌ها از یکدیگر نشان دهد، باید جرم مولکولی چسب حداقل 10000 واحد دالتون باشد که هر چه این عدد بزرگتر، طول زنجیر پلیمری بیشتر است و هر چه طول زنجیره‌ها بیشتر باشد، درهم تنیدگی‌شان بیشتر شده و در نتیجه مقاومت بیشتری از خود بروز می‌دهند.
چالش اصلی در چسب فعال‌شونده پلی یورتانی، کم بودن جرم مولکولی اولیه در هنگام اعمال چسب و افزایش جرم مولکولی (در واقع طول زنجیره‌های پلیمری) است که طی یک بازه زمانی پس از اعمال‌شان طبق واکنش بین دو جزء پلی یورتان و ایزوسیانات افزایش جرم مولکولی اتفاق می‌افتد. طبق همین نکته، پس از اعمال چسب‌های فعال‌شونده، تا پیش از رسیدن به جرم مولکولی مورد نظر، لایه‌های لمینیت مقاومت بسیار کم و محدودی نسبت به تنش‌های مکانیکی از خود نشان می‌دهند. این موضوع نشانگر یک ریسک بزرگ برای اعمال لایه‌های بعدی بر روی لایه‌های اولیه است، زیرا در ابتدای کار اتصالات حاصل از چسب به‌خوبی شکل نگرفته‌اند و چسبندگی اولیه هنوز ایجاد نشده است و لایه‌ها می‌توانند بر روی هم و در خلاف جهت یکدیگر حرکت کنند.
همین موضوع باعث می‌شود: 1. فرآیند کاری سریع بر روی تولید لمینیت‌ها، 2. لایه‌گذاری و 3. رول کردن و برش دادن رول‌ها، پس از چندین ساعت انبارداری امکان‌پذیر باشد. با این حال باز هم ریسک تلسکوپی شدن رول‌ها وجود دارد. همچنین عملیات آب‌بندی کردن که نیاز به استحکام مکانیکی بالا در لمینیت‌ها دارد پس از چندین روز انبارداری (به‌دلیل افزایش و تکمیل اتصالات چسب) امکان‌پذیر می‌شود.
چسب‌های آب پایه برای تولید لمینیت‌ها
طبق معایب بیان شده برای چسب‌های فعال‌شونده، مزیت‌های دو نوع چسب آب پایه برای ساخت ورق‌های لمینیت و نقاط قوت رقابتی‌شان با چسب‌های پلی یورتانی مرسوم بیان می‌شود.
سال‌های زیادی است که چسب‌های آب پایه به‌عنوان چسب‌های تولید لیمینیت‌ها برای بسته‌بندی‌های منعطف استفاده می‌شوند. آمار استفاده از این چسب‌ها رو به گسترش است که به‌طور مثال در سال 2016 این چسب‌ها سهم 20درصدی از بازار چسب‌های لمینیت را به خود اختصاص دادند.
چسب‌های آب پایه مخصوص تولید لمینیت‌ها، در قالب دیسپرسیون‌های پلی‌یورتانی و آکریلیکی ارایه می‌شوند. این چسب‌ها در دو نوع تک‌جزیی و دوجزیی تولید می‌شوند:
برای تولید بسته‌بندی‌های منعطف با هدف کاربردهای مرسوم، از سیستم‌های آب پایه تک‌جزیی بدون افزودن مواد فعال‌کننده استفاده می‌شود.
برای بسته‌بندی‌های با کیفیت‌های بالاتر از ایزوسیاناتی‌هایی با ساختارهای خطی به‌عنوان عامل‌های اتصالات عرضی به‌عنوان جز دوم استفاده می‌شود که باعث ارتقا مقاومت‌های حرارتی و شیمیایی این چسب‌ها می‌شوند.
ترکنندگی چسب‌های آب پایه
یکی از عوامل تعیین‌کننده در عملکرد خوب چسب‌ها، قابلیت ترَکنندگی (Wetting) چسب مابین دو لایه است. ترکنندگی خوب یعنی تشکیل اتصالات در مقیاس مولکولی بین دولایه که در ادامه باعث به‌دست آمدن چسبندگی کافی می‌شود. چالش اصلی، در ترکنندگی سطوح زبر و لایه‌های حاوی چاپ است. در شکل لایه‌های فیلم (Oriented Polypropylene) OPP دیده می‌شود که لایه چسب از نوع دیسپرسیون آکریلیک است. همانطور که مشاهده می‌شود، این چسب به خوبی سطح زیر حاوی رنگدانه‌ها را به‌خوبی تر کرده است (شکل 2) و در نتیجه باعث تشکیل اتصالات با مقاومت‌های بالا در این لمینیت شده است. اثر دیگر ترکنندگی خوب، نشان دادن براقیت عالی چاپ است.
جرم مولکولی چسب‌های آب پایه
مقایسه جرم مولکولی‌های چسب‌های آب پایه و چسب‌های فعال‌شونده چند نکته مهم را آشکار می‌کند:
1. چسب‌های فعال‌شونده (هم پایه حلال و هم بدون حلال) پس از افزودن جز دوم (سخت‌کننده یا عامل‌های اتصالات عرضی) واکنشی شیمیایی مربوط به بزرگ شدن زنجیره‌های پلیمری‌شان آغاز می‌شود که این واکنشی زمانبر است و عدم رعایت این زمان‌بندی اختلالاتی که قبل‌تر گفته شد را باعث می‌شود.
2. اما چسب‌های پایه آب، پیش از اعمال چسب در فرآیند لمینیت‌سازی و لایه‌گذاری، در حین تولیدشان در راکتور‌های شیمیایی واکنش‌های افزایش طول زنجیره‌های پلیمری‌شان تکمیل شده است. جرم مولکولی چسب‌های آب پایه پلی‌یورتانی به 50000 واحد دالتون و چسب‌های آب پایه آکریلیکی به 500000 واحد دالتون می‌رسد.
3. جرم مولکولی چسب‌های آب پایه بیشتر از سایر چسب‌هاست.
همانطور که گفته شد جرم مولکولی پایین، نشان‌دهنده پتانسیل بالای چسب برای آلوده کردن مواد غذایی است. زیرا می‌توانند به سطح در تماس با مواد غذایی، مهاجرت کرده و منجر به آلودگی مواد غذایی شوند. در نتیجه اگر از زاویه‌ای دیگر به این تفاوت نگاه کنیم (شکل 3)، چسب‌های آب پایه برای ساخت لمینیت‌ها در مقایسه با چسب‌های حلال پایه و بدون حلال میزان بسیار کمتری اجزای بحران‌زا برای سلامتی انسان‌ها دارند.
مزیت کلیدی چسب‌های آب پایه در ایجاد مقاومت اولیه بلافاصله پس از اعمال‌شان است. مقاومت چسبندگی این چسب‌ها نه به‌واسطه تکمیل واکنش شیمیایی که به سبب تکمیل فرآیند ترکنندگی و ایجاد اتصالات در لایه‌های لمینیت است.
جمع‌بندی مزیت‌های چسب‌های آب پایه
از این‌رو مزایای دیسپرسیون‌های آب پایه در تولید لمینیت‌ها برای بسته‌بندی‌های غذایی را می‌توان اینگونه بیان نمود:
1. این چسب‌های دارای مقاومت اولیه بسیار مناسب بلافاصله پس از اعمال چسب هستند که به همین خاطر می‌توان بدون ریسک حرکت کردن لایه‌ها، عملیات لایه‌گذاری در ساخت لمینیت‌ها را انجام داد.
2. فرآیند پلیمر شدن و افزایش زنجیره چسب‌های آب پایه به‌طور کامل پیش از استفاده‌شان انجام شده است. این موضوع باعث دو مزیت است:
* لمینیت‌های تولیدشده با چسب‌های آب پایه بلافاصله پس از تولیدشان، بدون نیاز به زمان انبارداری، قابل استفاده در صنعت بسته‌بندی مواد غذایی هستند.
* حضور مواد با جرم مولکولی کم به حداقل می‌رسد؛ در واقع ریسک حضور عامل‌های آلوده‌کننده را به حداقل می‌رسد.
و می‌توان گفت این چسب‌ها شعار «ساخت لمینیت و تحویل در یک روز» را به واقعیت بدل کرده‌اند.
3. فیلم تشکیل شده از این چسب‌ها وضوح قابل مقایسه‌ای با چسب‌های حلال پایه دارند که براقیت چاپ را معیوب نمی‌کنند (به‌شرطی که توسط دستگاه‌های مناسب چاب انجام شود).
4. با حفظ و ارتقا خواص این چسب‌ها، قیمت قابل رقابتی با چسب‌های مرسوم پیشین در این صنعت دارند.
5. افزودن درصد کمی عوامل اتصالات عرضی آب پایه متشکل از ایزوسیانات‌های خطی، منجر به ارتقا قابل توجهی در خواص شیمیایی و حرارتی می‌شود که همین موضوع امکان استفاده از لمینیت‌ها در محصولات با درجه کیفیت‌های بالاتر را فراهم می‌کند. این عوامل اتصال عرضی پارامترهای سمیت و ایمنی چسب‌های آب پایه را به خطر نمی‌اندازند.
این چسب‌ها در ساخت بسته‌بندی‌های منعطف Retortable (شکل 4) استفاده می‌شوند. این نوع بسته‌بندی مقاومت شگفت‌انگیزی در مقابل حرارت، نفوذ آب و مواد شیمیایی دارند. به گونه‌ای که مواد غذایی داخل این بسته‌بندی‌ها در دمای 130 درجه سانتیگراد به مدت 30 دقیقه در حرارت قرار می‌گیرند و تبدیل به مواد غذایی آماده خوردن و نیمه‌پخت شده می‌شوند. چسب‌های آب پایه مورد استفاده در این لمینیت‌ها خواص مورد نظر را مهیا می‌کنند.
مطالب بیان شده حاصل مطالعه تحقیقات روز دنیا و در راس‌شان تحقیقات انجام شده توسط مجموعه BASF کشور آلمان در سال 2016 است. پیشنهاد می‌شود تحقیقات انجام شده توسط این شرکت برای استفاده هر چه بهتر از چسب‌های آب پایه مورد مطالعه قرار بگیرند.
