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.