Барьерные плёнки на биооснове

Гибкая упаковка существует, чтобы не подпускать к пище кислород, водяной пар и жир. Причина того, что она почти всегда ламинат — и, стало быть, почти всегда проблема переработки и компостирования, — кроется в одном противоречии физики полимеров.

Проницаемость есть произведение двух свойств

Газ проходит сквозь плотную полимерную плёнку по механизму растворения-диффузии: он растворяется в полимере со стороны высокой концентрации, диффундирует сквозь него отдельными молекулами, перескакивающими между временными зазорами в упаковке цепей, и десорбируется с другой стороны.

Значит, проницаемость есть произведение растворимости — сколько газа полимер способен вобрать — на коэффициент диффузии, то есть насколько быстро газ движется, оказавшись внутри. Хорошему барьеру нужны низкими обе величины, а управляются они разным. Коэффициент диффузии снижают плотная упаковка цепей, высокая кристалличность, жёсткость цепи и температура стеклования выше рабочей. Растворимостью правит химическое подобие газа и полимера.

Компромисс по полярности и есть вся проблема

Кислород мал и неполярен. В полярных полимерах он растворяется плохо, поэтому лучшие кислородные барьеры сильно полярны: ЭВОН, поливиниловый спирт, полиамид и полярные биополимеры — крахмал, целлюлоза, хитозан, белки. У них высокая плотность энергии когезии и развитая сеть водородных связей, которая заодно плотно упаковывает цепи и держит коэффициент диффузии низким.

Вода мала и полярна. Она охотно растворяется ровно в тех же полимерах. Хуже того, поглощённая вода разрывает межцепные водородные связи, обеспечивавшие плотную упаковку, и работает пластификатором, снижая температуру стеклования и повышая подвижность цепей. Кислородный барьер плёнки из ЭВОН или крахмала способен упасть на порядок с ростом относительной влажности. Барьер разрушается именно тем, от чего его самого надо защищать.

Наоборот, неполярные полиолефины — ПЭ, ПП — обладают отличным барьером по водяному пару, поскольку вода в углеводороде не растворяется, и плохим по кислороду — по той же причине, приложенной к кислороду.

Ни один полимер не хорош в обоих отношениях, и это структурный факт, а не пробел в каталоге материалов. Отсюда и ламинат: полиолефиновый или восковой слой против воды, полярный слой против кислорода, связующие слои между ними, а для самых высоких требований часто ещё металлизированный или неорганически покрытый слой.

Почему ламинаты становятся проблемой конца жизни

Многослойная конструкция химически представляет собой несколько материалов, соединённых неразделимо. Механической переработке нужен поток одного полимера; ламинат в такой поток не сортируется. С компостированием лишь немногим легче, поскольку каждый слой обязан пройти стандарт самостоятельно: компостируемый сложный полиэфир с тонким неразлагаемым барьерным покрытием проваливается целиком.

Пути наружу — все суть стеснённые версии того же компромисса. Полностью компостируемые ламинаты сочетают ПЛА или ПБАТ с полярным биослоем, сохраняя архитектуру, но делая каждый слой сертифицируемым. Плёнки на основе целлюлозы — регенерированная целлюлоза и её производные — дают хороший кислородный барьер и собственную разлагаемость, а против влаги требуют покрытия. Белковые и полисахаридные покрытия, нанесённые тонким слоем на компостируемую подложку, добавляют кислородный барьер без отдельного конструкционного слоя. Восковые и липидные слои дают барьер по воде из возобновляемого материала.

Каждое из этого — реальный продукт. Ни одно не уходит от лежащей в основе физики: кислород обязано остановить нечто полярное, и это нечто обязано быть высушено чем-то неполярным.

В любом заявлении такого рода стоит проверить две вещи. Барьерные данные, приведённые без указания относительной влажности, для полярной плёнки непригодны — именно от этой переменной они и зависят. И сертификаты компостируемости называют среду: плёнка, сертифицированная для промышленного компостирования при 58 °C, ничего не заявляет о садовой куче.