3.2.3 Biaksiaalisesti orientoidut kalvot

Pakkausalalla biaksiaalisesti orientoitu polypropyleenikalvo (biaxially oriented polypropylene, BOPP) on käytetyin materiaali; itse asiassa biaksiaalisesti orientoitu polypropyleenikalvo muodostaa kaksi kolmasosaa kaikista biaksiaalisesti orientoiduista kalvoista. Laminoinnissa ne tarjoavat painettavuutta, läpinäkyvän tai mattapintaisen ulkonäön tai liukuominaisuuksia. Kalvo tarjoaa pinnan, joka soveltuu orgaanisten tai epäorgaanisten pinnoitteiden vastaanottamiseen kaasu- ja kosteussulkuominaisuuksia varten. Kalvot tarjoavat myös lämpösuljettavan kerroksen pussien muotoilua ja sulkemista varten tai kerroksen, joka soveltuu liiman vastaanottamiseen joko pinnoittamalla tai laminoimalla. BOPP on kuitenkin hajoamaton materiaali, ja kuten muidenkin fossiilisista polttoaineista peräisin olevien pakkausmateriaalien kohdalla, ne pyritään korvaamaan uusiutuvista luonnonvaroista peräisin olevilla pakkausmateriaaleilla, koska näiden tilaa vievien materiaalien hävittämisestä, kasvihuonekaasujen tuottamisesta ja fossiilisten polttoainevarojen ehtymisestä ollaan huolissaan.

PLA on yksi biohajoavista polymeereistä, jotka soveltuvat biaksiaalisesti orientoitujen kalvojen valmistukseen. BOPLA-kalvoja käytetään laajalti joustavissa pakkaussovelluksissa vaihtoehtona BOPP:lle. BOPLA-kalvot ovat tyypillisesti läpinäkyviä, kirkkaita ja kiiltäviä. Joissakin pakkaussovelluksissa tämä on toivottavaa, jotta grafiikka voidaan painaa visuaalisesti hyvin houkuttelevaksi ja jotta halutut kuvat saadaan korkeaan resoluutioon. PLA:lla, joka on polaarinen polymeeri, on luonnostaan korkea pintaenergia, joka mahdollistaa pakkauksissa käytettävien painovärien ja -värien hyvän kastuvuuden. Lisäksi monikerroksisia BOPLA-kalvoja voidaan muodostaa useiden PLA-pohjaisten polymeerien sulavirtojen koekstruusiolla. Yksi esimerkki voisi olla kaksikerroksinen koekstrudoitu kalvorakenne, jossa kiteistä PLA:ta sisältävä perus- tai ydinkerros ja amorfista PLA:ta sisältävä ohuempi “kuorikerros” koekstrudoidaan ydinkerroksen toiselle puolelle ja orientoidaan sitten kaksiakselisesti kalvoksi. Amorfista PLA-kerrosta käytetään usein kalvon kuumasaumautuvuuden aikaansaamiseksi, koska se on vähemmän kiteinen ja sillä on yleensä alhaisempi Tm kuin korkeamman kiteisyyden omaavalla ydinkerroksella (2010, WO2010148105 A1, TORAY PLASTICS AMERICA INC.).

Jotta tällainen biopohjainen polymeeri soveltuisi käytettäväksi monissa välipalapakkaussovelluksissa, on toivottavaa, että biopohjainen polymeerikalvo vastaa mahdollisimman monia ominaisuuksia, joista BOPP tunnetaan, kuten kuumasaumautuvuus, painettavuus, hallittu kitkakerroin (COF), metalloitavuus, kaasusulku jne. Koska BOPLA-kalvolla on yleensä huonommat lämpökutistumisominaisuudet koneessa ja poikittaissuunnassa kuin BOPP-kalvolla, BOPLA-laminaatti ei välttämättä toimi yhtä hyvin BOPP-laminaateille optimoidulla pakkauskoneella. On todettu, että pussien valmistukseen BOPP-laminaatteja varten suunnitellulla pakkauskoneella on tiettyjä odotuksia kuumasaumauksen asetusarvojen ja pussien valmistusnopeuksien suhteen. On myös havaittu, että pelkän BOPP-laminoinnin korvaaminen pelkällä BOPLA-laminoinnilla voi joissakin tapauksissa johtaa pussin vääristymiseen kuumasaumattujen alueiden ympärillä, nimittäin pussin päätysaumoissa ja pussin takasaumassa. Vaikka BOPLA-kalvoissa kuumasaumauskerroksena käytetyllä tyypillisellä amorfisella PLA:lla on yleensä alhaisempi Tm ja alhaisempi saumauksen käynnistymislämpötila kuin tavanomaisilla propyleenipohjaisilla kuumasaumaushartseilla (esim. propyleenin, eteenin ja/tai butyleenin kopolymeereillä), tyypillisissä BOPP-laminointeja varten suunnitelluissa pakkauslaitteissa kuumennetut saumauspalkit ovat BOPLA-laminointien kannalta tavanomaisesti liian kuumia ja aiheuttavat vääristymiä saumatuille alueille. Monet elintarvikepakkausyritykset eivät voi hyväksyä tätä esteettisesti. BOPLA-laminaattien vääristymien välttämiseksi ratkaisuihin kuuluu kuumasaumauspalkin lämpötilan asetusarvon alentaminen tai pakkauskoneen pussinvalmistusnopeuden alentaminen. On kuitenkin havaittu, että kuumasaumauspalkkien lämpötilan säätö ja johdonmukaisuus ovat hyvin vaihtelevia ja riittämättömiä vääristymäongelmien luotettavaan hallintaan, erityisesti suuressa määrässä pakkauskoneita, joissa voi olla erilaisia malleja ja malleja; ja pussinvalmistusnopeuden alentaminen ei yleensä ole hyväksyttävää pussitetun tuotteen yksikkökustannuksiin liittyvien kysymysten vuoksi. Yksi ratkaisu voisi olla BOPLA-kalvojen lämpöstabiilisuuden parantaminen; toinen ratkaisu voisi olla BOPLA-kalvojen sulkemisalueen parantaminen alentamalla amorfisen PLA-saumausainekerroksen sulkemisen käynnistymislämpötilaa siten, että korkeat pussinvalmistusnopeudet voidaan säilyttää alhaisemmilla sulkupalkkien asetuslämpötiloilla (2010, WO2010148105 A1, TORAY PLASTICS AMERICA INC.).

JPH0623836 A (1994, SHIMADZU CORP.) paljastaa PLA:sta valmistettujen orientoitujen kalvojen valmistuksen. Prosessi alkaa PLA-sulasta, joka pursotetaan ja jäähdytetään nopeasti. Tämä esikalvo voidaan sen jälkeen venyttää yksiakselisesti tai venyttää peräkkäin tai samanaikaisesti kaksiakselisesti; venytystä seuraa valinnaisesti lämpökovettuminen. Venytyslämpötila on PLA:n Tg:n ja kiteytymislämpötilan välissä. Venytys johtaa lujuuden lisääntymiseen ja korkeampaan Youngin moduuliin lopullisessa kalvossa.

WO0130889 A1 (2001, MITSUBISHI PLASTICS INC.) paljastaa yksikerroksisen BOPLA-kalvon, joka on kuumasaumautettavissa käyttäen PLA:ta, jonka tietty varastointikimmomoduuli 120 °C:ssa on 100-230 MPa. Yksikerroksisen kuumasaumattavan kalvon käyttö voi kuitenkin aiheuttaa muita ongelmia kalvon käsittelyssä, prosessoinnissa ja kalvon tarttumisessa laitteiden osiin (2010, WO2010148105 A1, TORAY PLASTICS AMERICA INC.).

WO02087851 A1 (2002, TRESPAPHAN GMBH) paljastaa biologisesti hajoavan lämpömuovatun pakkausmateriaalin, joka on valmistettu BOPLA-kalvosta. Kalvo koostuu PLA-pohjakerroksesta, jossa on vähemmistökomponenttina termoplastista polymeeriä, kuten polypropeenia, polyeteeniä, PET:tä tai poly(butyleenitereftalaattia) (PBT), tyypillisesti 0,2-1 painoprosenttia pohjakerroksesta. Tällainen koostumus soveltuu erityisesti lämpömuovaukseen pneumaattisen vedon tai muun mekaanisen muokkauksen avulla. BOPLA-kalvosta valmistetaan läpipainopakkaus. Keksintö ei kuitenkaan sovellu suurille, yli kuuden TDX:n poikittaisorientaationopeuksille (TDX). Tällaisilla polyolefiineillä on tyypillisesti korkeampi Tm kuin amorfisella PLA:lla, ja lisäksi ne perustuvat fossiilisiin polttoaineisiin ja ovat biohajoamattomia (2010, WO2010148105 A1, TORAY PLASTICS AMERICA INC.).

WO0234818 A1 (2002, MITSUBISHI PLASTICS IND) paljastaa BOPLA-kalvon, joka sisältää epäorgaanisia hiukkasia, joiden keskimääräinen hiukkaskoko on 0,1-5 μm ja joiden keskimääräinen pinnankarheus (Ra) on 0,01 < Ra ≤ 0,08. BOPLA-kalvon väitetään omaavan tyydyttävät luisto-ominaisuudet, jotka ovat paremmat kuin tavallisilla BOPLA-kalvoilla, estävän mutkittelua tai rypistymistä, säilyttävän jäykkyyden, lujuuden ja alhaisen lämpökutistuvuuden sekä mahdollisesti läpinäkyvyyden.

WO2005007403 A1 (2005, MITSUBISHI PLASTICS INC.) paljastaa monikerroksisen BOPLA-kalvon, joka koostuu kahdesta kerroksesta, jotka koostuvat kiteisen ja amorfisen PLA:n vaihtelevista sekoituksista, jossa toisessa kerroksessa amorfinen PLA on enemmistökomponenttina ja toisessa kerroksessa amorfinen PLA on vähemmistökomponenttina. Lämpösuljettava kerros olisi oletettavasti se kerros, jossa on enemmistö amorfista PLA:ta. Olisi odotettavissa, että amorfista PLA:ta ja kiteistä PLA:ta sisältävän sekoitetun kerroksen kuumasaumauksen käynnistymislämpötila olisi huonompi kuin kokonaan amorfisen PLA-kerroksen.

CA2472420 A1 (2005, BIAX INTERNATIONAL INC.) paljastaa monikerroksisen koekstrudoidun BOPLA-kalvon, jossa käytetään amorfista PLA:ta, joka on kuumasaumautuva. BOPLA-kalvo koostuu PLA-kopolymeeriä olevasta ydinkerroksesta ja vähintään yhdestä lisäkerroksesta, jonka Tm on sama tai alempi kuin ytimen Tm. Ainakin yhteen uloimpaan ihokerrokseen lisätään pallomainen hiukkanen, joka on valmistettu ristisilloitetusta polymeeristä, joka valitaan mieluiten polymetyylisilseskviokaanin ja akryylihartsin, kaikkein mieluiten polymetyylisilseskviokaanin, hiukkaskoon ollessa 2-6 μm, joukossa 0,05-0,6 painoprosenttia ihokerroksesta. BOPLA-kalvon väitetään parantavan käsittelyä ja rainan käsittelyä, ja sen lisähyötyjä ovat COF:n väheneminen, tukkeutumisen väheneminen, kuumasaumautuvuuden lisääminen, parempi painettavuus, metalloitujen kerrosten parempi tarttuvuus, staattisen staattisuuden yllättävä väheneminen ja kalvojen pölyämisen väheneminen.

US2012333047 A (2009, TORAY PLASTICS AMERICA INC.) paljastaa BOPLA-laminaattikalvon, joka sisältää ensimmäisen amorfisen PLA:n kuumasaumauskelpoisen kerroksen ja toisen ydinkerroksen, joka sisältää kiteisen PLA:n seoksen ja 2-10 painoprosenttia ydinkerroksen etyleeniakrylaattikopolymeeriä. Laminaattikalvolla on ominaisuus suuntautua poikittaissuunnassa yli 6 kertaa alkuperäistä leveyttään, tyypillisesti 8-10 kertaa alkuperäistä leveyttään, ja se on erinomaisen käyttökelpoinen ja suhteellisen vähäsumuinen. Laminaattikalvossa voi lisäksi olla lisäkerroksia, kuten kolmas PLA-pohjainen kerros, joka on sijoitettu lämpösuljettavan kerroksen vastakkaiselle puolelle ydinkerrosta, metallikerros tai niiden yhdistelmiä.

WO2010148105 A1 (2010, TORAY PLASTICS AMERICA INC.) paljastaa BOPLA-kalvon, joka käsittää ydinkerroksen, joka käsittää PLA:ta, ja lämpösuljettavan kerroksen, joka käsittää amorfista PLA:ta, ja modifiointiaineen, joka käsittää PCL:n tai PBAT:n. Polymeerilisäaineiden käyttö vähemmistökomponenttina kalvon formuloinnissa mahdollistaa sen, että BOPLA-kalvo muuttuu kuumasaumauskelpoiseksi alhaisemmissa saumauslämpötiloissa pakkaussovelluksia varten, antaa alhaisen sameuden ja hyvän optisen kirkkauden sekä säilyttää biologisen hajoavuuden.