Film barriera termoformabili: materiali, struttura e usi dell'imballaggio

A film barriera termoformabile è una struttura plastica multistrato progettata per essere riscaldata e modellata in una cavità tridimensionale mantenendo le sue proprietà di barriera ai gas e all'umidità dopo lo stiramento. La sfida tecnica principale è lo strato barriera, in genere EVOH (etilene vinil alcol) o PVDC (cloruro di polivinilidene) - è intrinsecamente fragile e soggetto a screpolature o assottigliamento quando viene allungato. Una pellicola barriera termoformabile progettata con successo risolve questo problema inserendo il polimero barriera tra strati strutturali di polipropilene, polietilene o nylon che sopportano il carico meccanico durante la formatura, consentendo alla barriera di allungarsi uniformemente senza rotture. Il risultato è un vassoio, una tazza o un blister sagomato che protegge i prodotti sensibili all'ossigeno come carne fresca, formaggio, compresse farmaceutiche e piatti pronti, prolungando la durata di conservazione da giorni a settimane o addirittura mesi.

L’architettura multistrato: perché i film barriera non sono mai monolitici

Nessun singolo polimero combina eccellente termoformabilità, elevata barriera all’ossigeno, barriera all’umidità, sigillabilità ed efficienza economica in un unico materiale. Il polipropilene si termoforma magnificamente e blocca l'umidità, ma costituisce una scarsa barriera all'ossigeno. EVOH blocca l'ossigeno quasi perfettamente a bassa umidità ma perde drasticamente le sue proprietà barriera se esposto all'umidità ed è troppo rigido per formarsi da solo. La soluzione è la coestrusione o la laminazione di più strati polimerici in un unico film, ciascuno strato svolgendo una funzione specifica. Una tipica struttura di film barriera termoformabile da sette a nove strati si presenta così, dall'esterno all'interno:

1. Strato esterno di abuso (PP o HDPE): Fornisce durezza superficiale, stampabilità e resistenza al calore per il processo di formatura.
2. Strato di collegamento (polimero innestato con anidride maleica): Lega la poliolefina non polare al polimero barriera polare. Senza questo strato, la struttura si delamina sotto le sollecitazioni della formatura.
3. Strato barriera all'ossigeno (EVOH o PVDC): Il cuore funzionale del film, tipicamente solo Spessore da 3 a 10 micron in una pellicola che può avere una dimensione totale compresa tra 300 e 500 micron. Questo sottile strato barriera è ciò che conferisce alla pellicola la capacità di escludere l'ossigeno.
4. Strato di collegamento (secondo adesivo).
5. Barriera all'umidità e strato sfuso (PP o PE): Protegge l'EVOH dall'umidità, che altrimenti lo plastifica e ne distrugge la barriera all'ossigeno.
6. Strato di collegamento (terzo adesivo).
7. Strato sigillante (LLDPE, EVA o ionomero): Lo strato più interno che si termosalda al film di copertura a temperature tipicamente comprese tra 120°C e 180°C, costituendo la chiusura ermetica.

Lo spessore totale del film e il rapporto di spessore tra gli strati vengono regolati in base al rapporto di stiro della cavità termoformata. Un’applicazione con imbutitura profonda, come un vassoio di piatti pronti con un rapporto profondità/larghezza superiore a 1:3, richiede uno strato barriera più spesso per compensare l’assottigliamento che si verifica negli angoli, che sono i punti di massimo allungamento e minima barriera residua.

Selezione del polimero barriera: EVOH vs. PVDC vs. alternative

La scelta del polimero barriera è la decisione materiale più importante nella progettazione della pellicola perché definisce la velocità di trasmissione dell'ossigeno (OTR) e la sensibilità di tale OTR alle condizioni ambientali. I due polimeri barriera dominanti hanno profili prestazionali fondamentalmente diversi.

EVOH è la barriera scelta per la maggior parte delle applicazioni di imballaggio alimentare grazie alla sua eccezionale barriera all'ossigeno allo stato secco e alla sua compatibilità con i sistemi di strato legante in poliolefina. Tuttavia, il suo tallone d'Achille è la sensibilità all'umidità. Il contenuto di comonomero di etilene, in genere compreso tra 27 e 44% in moli, è un parametro di regolazione: un contenuto di etilene più elevato migliora la resistenza all'umidità e la termoformabilità, ma riduce la barriera assoluta all'ossigeno. Un EVOH con 38% in moli di etilene è un compromesso comune per le pellicole termoformabili perché offre un tasso di trasmissione dell'ossigeno inferiore a 0,5 cc/m²/giorno al 65% di umidità relativa, sufficiente per obiettivi di durata di conservazione compresi tra 10 e 21 giorni per i prodotti a base di carne lavorata.

Il processo di termoformatura e il suo effetto sull'integrità della barriera

La termoformatura di una pellicola barriera comporta il riscaldamento della pellicola fino al suo punto di rammollimento, in genere Da 130°C a 170°C per film a base di polipropilene —e quindi spingendolo contro uno stampo raffreddato utilizzando il vuoto, l'aria compressa o un tappo meccanico. La pellicola si allunga biassialmente, con il grado di allungamento che varia notevolmente attraverso la cavità formata. L'area della flangia piatta rimane non allungata e conserva il suo spessore di barriera originale. Le pareti laterali subiscono un allungamento moderato e gli angoli inferiori sperimentano l'allungamento massimo, spesso con rapporti di disegno dell'area superiori a 3:1.

La metrica di qualità critica è il spessore minimo residuo della barriera nel punto più sottile della cavità formata. Questo si trova tipicamente nel raggio dell'angolo inferiore, dove la pellicola viene stirata simultaneamente sia nella direzione della macchina che in quella trasversale. Se lo strato originale di EVOH ha uno spessore di 8 micron e l'angolo presenta un rapporto di disegno dell'area di 3,5:1, lo spessore di EVOH in quell'angolo sarà di circa 2,3 micron. Sotto più o meno Da 1,5 a 2 micron , lo strato EVOH comincia a perdere la sua continuità; si formano microvuoti e fori di spillo e la velocità di trasmissione dell'ossigeno in quell'area locale può aumentare di uno o due ordini di grandezza. Questa è la modalità di guasto dominante dei vassoi barriera: non un degrado uniforme della barriera, ma un guasto localizzato agli angoli dove il prodotto entra in contatto con la confezione e dove l'ingresso di ossigeno provoca scolorimento e deterioramento.

Controllo della formazione plug-assist e della distribuzione dei materiali

Per ottenere una distribuzione uniforme del materiale e preservare l'integrità della barriera, le pellicole barriera termoformabili vengono quasi sempre lavorate utilizzando la formatura assistita da plug. Un tappo preriscaldato, in genere realizzato in schiuma sintattica, alluminio rivestito in PTFE o un composito termicamente isolante, spinge la pellicola ammorbidita nella cavità dello stampo prima che venga applicato il vuoto o la pressione. Il tappo entra in contatto con la pellicola e spinge il materiale nel fondo della cavità, contrastando la naturale tendenza della pellicola ad assottigliarsi preferenzialmente nelle pareti laterali e ad accumulare materiale in eccesso nella flangia. Una geometria del tappo ben progettata, combinata con un controllo preciso della velocità del tappo e della temperatura, può ridurre la variazione di spessore nella parte formata ±30% senza plug assist fino a ±10% o superiore con un profilo della spina ottimizzato.

Il materiale del tappo e la sua finitura superficiale influiscono direttamente sullo strato barriera della pellicola. Un tappo troppo caldo si attaccherà allo strato sigillante e creerà segni di trascinamento che assottigliano localmente la pellicola. Un tappo troppo freddo raffredderà la pellicola e ne impedirà un allungamento uniforme. La temperatura della spina viene generalmente mantenuta a Da 60°C a 100°C per film barriera a base di PP , significativamente al di sotto della temperatura di formazione del film, per creare un gradiente di temperatura controllato che stabilizza il processo di stiro. La superficie del tappo deve essere lucidata o rivestita con un basso coefficiente di attrito, inferiore a 0,2 contro lo strato sigillante caldo, per consentire alla pellicola di scivolare dolcemente senza incepparsi.

Prestazioni della barriera post-formatura e shock della storta

La prestazione barriera di un vassoio termoformato non è una proprietà statica; cambia durante il ciclo di vita del prodotto. Il vassoio formato deve sopravvivere al riempimento, alla sigillatura e, in alcuni casi, al trattamento termico come la pastorizzazione, il riempimento a caldo o la sterilizzazione in storta senza perdere l'integrità della barriera. Elaborazione della storta a 121°C per 30 minuti impone uno shock termico e meccanico estremo sul film barriera. Gli strati polimerici assorbono umidità, l'EVOH si gonfia e la sua barriera all'ossigeno si degrada temporaneamente e l'espansione termica differenziale degli strati può causare la delaminazione tra gli strati alle interfacce degli strati di collegamento.

Per le applicazioni sterilizzabili, il design della pellicola deve essere aggiornato. L'EVOH viene sostituito o integrato con una barriera resistente alla storta come Nylon MXD6 o strato di PET rivestito con SiOx protetto da strati aggiuntivi di polipropilene . Gli strati leganti devono essere formulati per il mantenimento dell'adesione alle alte temperature. Lo spessore totale della pellicola viene generalmente aumentato dal 20% al 30% rispetto a una versione senza storta per mantenere lo spessore minimo della barriera dopo l'allungamento aggiuntivo e il ciclo termico. Una pellicola barriera sterilizzabile deve dimostrare, attraverso test di integrità della confezione secondo ASTM F2095 o equivalente, che il tasso di trasmissione dell'ossigeno dopo la storta non è aumentato di più di un fattore due rispetto al valore pre-storta.

Barriera al vapore acqueo e ruolo degli strati esterni

Sebbene la barriera all’ossigeno riceva la massima attenzione, la velocità di trasmissione del vapore acqueo (WVTR) è altrettanto importante per la qualità del prodotto. La perdita di umidità dei prodotti freschi provoca avvizzimento e perdita di peso. L'accumulo di umidità nei prodotti secchi come cracker o polveri farmaceutiche provoca incrostazioni e deterioramento. Gli strati esterni in polipropilene di una pellicola barriera forniscono un'eccellente barriera all'umidità; PP ha un WVTR di circa Da 0,5 a 1,0 g/m²/giorno a 38°C e 90% di umidità relativa per una pellicola da 500 micron, che è un ordine di grandezza migliore del solo EVOH. Anche lo strato sigillante deve contribuire alla barriera contro l'umidità, soprattutto nella zona della flangia dove la vaschetta formata viene sigillata con la pellicola di copertura. Qualsiasi ingresso di umidità attraverso l'area di saldatura verrà intrappolato nello spazio di testa della confezione, aumentando l'umidità relativa locale e degradando progressivamente la barriera all'ossigeno EVOH dal bordo verso l'interno.

Tendenze di riciclabilità e sostenibilità

La struttura multimateriale e multistrato che conferisce alle pellicole barriera termoformabili le loro prestazioni rappresenta anche il loro principale problema ambientale. La combinazione di polipropilene, polietilene, EVOH e adesivi di strato di collegamento è incompatibile con i flussi di riciclaggio meccanico. Gli strati non possono essere separati in modo economico e il materiale rimacinato misto ha proprietà meccaniche scadenti e non è adatto per applicazioni a contatto con gli alimenti. Il settore sta rispondendo alla pressione normativa, in particolare al regolamento sugli imballaggi e sui rifiuti di imballaggio dell'Unione Europea, con diversi cambiamenti tecnologici.

L'approccio più promettente è lo sviluppo di film barriera monomateriale in poliolefina , dove l'intera struttura è a base di polipropilene o polietilene, compreso uno strato barriera a base di poliolefine. EVOH a base di PP è già altamente compatibile con il flusso di riciclo del PP quando il contenuto di EVOH è inferiore al 5% in peso e gli strati di collegamento sono PP-g-MAH. Lo strato barriera è incapsulato all'interno della matrice PP e non interrompe il processo di riciclaggio meccanico. Il secondo approccio prevede la sostituzione delle pellicole barriera con rivestimenti sottili e trasparenti di SiOx o AlOx depositati sotto vuoto su un substrato in PP o PET. Questi rivestimenti hanno uno spessore inferiore a 100 nanometri e non interferiscono con il riciclaggio. Il limite rimane la loro sensibilità alle fessurazioni durante la termoformatura, che attualmente ne limita l'uso ad applicazioni di imbutitura poco profonda con rapporti di imbutitura inferiori a 1,5:1.

Test di qualità dei pacchetti barriera formati

La verifica che un vassoio barriera termoformato soddisfi le specifiche di durata di conservazione richiede una combinazione di test fisici e chimici sulla parte formata, non solo sulla pellicola piatta. La scheda tecnica del produttore del film fornisce la velocità di trasmissione dell'ossigeno del film piatto, ma l'OTR del vassoio formato può essere da due a cinque volte superiore a seconda del rapporto di stiro e dell'uniformità del processo di formatura.

I test critici per i pacchetti barriera formati includono:

• Misurazione OTR dell'intero pacchetto (ASTM F1307): Misura il tasso di ingresso di ossigeno dell'intera confezione sigillata, catturando l'effetto combinato del vassoio formato, della pellicola di copertura e dell'integrità della sigillatura. Questa è la misura più vera delle prestazioni di barriera del prodotto.
• Misurazione dello spessore degli angoli: Le sezioni trasversali degli angoli del vassoio formato vengono esaminate al microscopio per misurare lo spessore residuo dello strato barriera nel punto di massimo assottigliamento. Questo è correlato all'OTR dell'intero pacchetto per stabilire una specifica minima accettabile per lo spessore degli angoli.
• Test di penetrazione del colorante (ASTM F3039): Una soluzione colorante viene applicata all'interno della cavità formata e l'esterno viene esaminato per verificare la penetrazione del colorante attraverso fori di spillo o crepe nello strato barriera. Questo è un test pass-fail che rileva la rottura dello strato barriera.
• Convalida della durata di conservazione in condizioni accelerate: Le confezioni sigillate riempite con il prodotto vero e proprio o con un simulante vengono conservate a temperatura e umidità elevate, in genere 38°C e 90% di umidità relativa per i prodotti alimentari e gli attributi di qualità del prodotto vengono monitorati nel tempo. La concentrazione di ossigeno nello spazio di testa della confezione, misurata da un sensore ottico non distruttivo, è l'indicatore più diretto dell'integrità della barriera durante il periodo di conservazione.