plastik-ambalaj.com

Esnek Ambalaj Yapılanmasında Delaminasyon Problemi

Özet

Günümüzde üretim teknolojilerinin hızla ilerlemesi ve artan nüfus; üretim endüstrisinin sorunsuz üretim yapabileceği ham madde ihtiyacını arttırmaktadır. Delaminasyon problemi; esnek ambalaj sektöründe oldukça sık karşılaşılabilen bir sorun olup, problemin çözümüne yönelik birçok parametrenin optimize edilmesi gerekmektedir. Delaminasyon, esnek ambalajı oluşturan film katmanlarının kullanılan tutkallar ve/veya diğer yapıştırıcı malzemeler yardımı ile belirlenen standart laminasyon kuvvetlerini sağlayacak şekilde yapışmamış olması, katmanların birbirlerine olan tutunma kuvvetinin beklenenden düşük olması şeklinde tanımlanacak bir problemdir. Bu sorun hem üretim sürecinde, hem paketleme ve dolum hatlarında, hem de dolum ve paketlemeyi takiben yapılan ilave işlemler sonrası karşımıza çıkabilmektedir. Sorunun birçok kök nedeni olabilmektedir; üretim sırasında kullanılan mürekkep ve tutkal sistemleri, baskı ve laminasyon koşulları ya da kullanılan film tiplerine bağlı olarak değişkenlik gösterebilmektedir. Oluşan sorun ile, film katmanlarının ayrılması hava ve nemin açılan boşluklardan içeri girebilmesine, öngörülemeyecek başka problemleri tetikleyerek hasarın büyümesine ve ambalaj sisteminin sağlayacağı ürün raf ömrünün negatif yönde etkilenmesine ve paketin bütünlüğünün bozulmasına neden olabilmektedir. Ek olarak; raftaki ürünün görsel estetiğini sağlayamama, yırtılırken ambalajın düzgün yırtılmaması gibi diğer istenmeyen durumların da tetiklenmesi söz konusudur.

1.Giriş

Modern dünyanın getirisi olarak üretim endüstrisi için verimlilik en esas koşullardan biri olarak karşımıza çıkmaktadır. Verimli üretimin sağlanması için ise ham madde kaynaklı yaşanacak zaman ve işgücü kaybı istenmeyen durumlardır. Esnek ambalaj sektöründe sıklıkla karşılaşılan ve birçok parametreye bağlı olan, film katmanlarının birbirinden ayrılması ile meydana gelen delaminasyon sorununun çözümüne ilişkin yapılacak mevcut durum analizleri ve değişken parametre geliştirmeleri bu nedenle oldukça önem taşımaktadır. 

2.Delaminasyon Problemi

Paketleme makinesinde ısıl çeneler yardımıyla uygulanan basınç ve bazen sıcaklık ile paket formunu alan ambalaj sistemi, uyumlu bir film ve likit serisi kullanılarak ve uygun parametrelerin ayarlandığı üretim koşullarında üretildiği takdirde sorunsuz bir şekilde paket formunu alabilmektedir. Ancak, kullanılan ham maddeler ya da operasyon parametreleri kaynaklı olarak delaminasyon sorunu yaşanan ambalaj sistemlerinde aşağıda şematik gösterimi ve reel örneklerinde görüleceği şekilde film katmanlarında ayrışmalar gözlenecektir (bkz. Görsel 1a-b). Paketleme makinesini simüle edecek şekilde, laminasyon operasyonundan çıkan ve uygulanan tutkalın tamamen kürlenmesi için gereken süreyi tamamlayan bobin numunesi ile yapılan kontroller ve laminasyon kuvveti ölçümlerinde sorunun tespit edilmesi durumunda yapılan yeniden işlemler de üretim sürecinde zaman ve maliyet kayıplarına neden olmaktadır. 

Delaminasyon problemini yaratacak sebepler ana hatlarıyla aşağıdaki gibi listelenebilmektedir; 

-Yüzey gerilimi problemleri 

-Tutkalın yeterli kürlenmemesi

-Tutkalın hazırlanması sırasında yapılan hatalar 

-Kullanılan tutkal tipinin uyumsuzluğu

-Film içeriğindeki kayganlaştırıcı ajanlarının migrasyon davranışları 

Esnek ambalaj endüstrisinde sıklıkla kullanılan poliüretan bazlı tutkallar, farklı yapıdaki filmler ile rahatlıkla uygulama alanı bulabilen ve kalıcı olarak kürlendiğinde hem neme hem de diğer birtakım çözücülere karşı güçlü bir direnç kazandıran mukavemet ve dayanıklılık özelliklerine sahiptir. Katı yapısına rağmen sağladığı esneklik avantajı, farklı yapılarda iyi yapışma direnci sağlaması, hızlı kürlenme süresi, düşük sıcaklıklarda reaksiyon verebilmeleri, sağladığı iyi kimyasal ve yağ direnci gibi avantajları ile sıklıkla tercih edilen poliüretan bazlı tutkalların vazifesini en iyi şekilde yerine getirebilmesi için uygulama yüzeylerinin temiz olması, yapıştırma yapılacak yüzeylerde fiziksel ya da kimyasal işlem uygulanması, kullanılacak tutkalın fiziksel ve kimyasal özelliklerinin uygun olması, uygulama şartlarının (sıcaklık, nem vb. parametrelerin) uygun olması gibi özelliklerin sağlanması gerekmektedir. Bir esnek ambalaj sistemi tasarlanırken seçilecek film, mürekkep ve tutkal gibi bileşenlerin birbiri ile uyumu ve nihai ürünün istenen amaca uygunluğu düşünülerek ilgili hammaddelerin seçilmesi oldukça önemlidir. 

2.1 Yüzey gerilimi problemleri

Laminasyon işleminde temel olarak filmler ile tutkal arasındaki etkileşim ve tutkalın molekül yapısından kaynaklı mukavemet önem taşır. Yüzey gerilimi, likit maddenin moleküllerinin kohezif doğası nedeniyle, bir sıvının yüzeyinin bir dış kuvvete direnmesine izin veren özelliği olarak tanımlanabilmektedir (2). Tutkalın filme temas ettiği noktada bir temas açısı oluşur. Eğer büyük bir temas açısı var ise bu durum sıvı-katı çekim kuvvetlerinin azlığının, küçük bir temas açısı ise bu kuvvetlerinin büyük olduğunun göstergesidir. Bu verilere dayanarak açı büyüdükçe tutkalın yüzeyi ıslatmasının zor, yapışmanın zayıf olabileceği söylenebilmektedir. Çekim kuvvetlerini arttırmak, laminasyon filmlerinin uygun korona değerinde olması ve inline korona uygulaması yapılarak ya da uygulanacak likitlerin yüzey gerilimlerinin kullanılacak katkılar vasıtasıyla düşürülmesi ile sağlanmaktadır.

2.2 Tutkalın yeterli kürlenmemesi

Kullanılan tutkal sistemine bağlı olarak, laminasyon operasyonunun tamamlanmasının ardından yeniden proses edilebilmesi için belirli bir süre beklenmesi ve kürlenme sürecini tamamlaması delaminasyon sorununun yaşanmaması için oldukça önemlidir. 

Tavsiye edilen şekilde laminasyon işlemi için hazırlanan tutkal ile tutkal uygulama gramajının optimum aralıkta yapıldığı laminasyon uygulamasının ardından, film sisteminin iki ya da daha fazla katmandan oluşmasına ve kullanılan tutkal sisteminin var ise içeriğindeki solvent yapısına bağlı olarak kimyasal reaksiyonların uygun bir şekilde tamamlanması için laminasyon operasyonu sonrası tanımlanan bekleme süresi, ‘kür süresi’ olarak tanımlanmaktadır. Delaminasyon sorununun yaşanmaması adına, laminasyon operasyonundan çıkan, uygun tansiyon uygulaması ile üretilmiş lamine yapının uygun sıcaklık ve nem koşullarının sağlandığı ortamda optimize edilmiş kür süresi boyunca bekletildiğinin takip edilmesi oldukça önemli bir parametredir. 

2.3 Tutkalda ana madde/sertleştirici karışım oranında yapılan hatalar

Poliüretan bazlı çift komponentli tutkalların kürlenme sürecinde izosiyanat ve poliol gruplarının reaksiyonu gerçekleşmektedir. Poliol bileşeni, yapısında izosiyanat bileşeni ile reaksiyona girecek serbest -OH grupları bulundurmaktadır. İzosiyanat bileşeni ise poliol sistem ile karşılaştığında onunla kimyasal reaksiyona girecek serbest -NCO gruplarını taşıyan kimyasallardır ve tutkalın ana maddesini oluştururlar. Oluşan reaksiyonda (bkz. Görsel 3) sıvı iki bileşenin içeriğindeki -OH ve -NCO grupları arasında bağlar oluşmakta ve karmaşık bir yapı ortaya çıkmaktadır. Tersinir olmayan bu reaksiyonun sağlıklı bir şekilde gerçekleşmesi için optimum tutkal karışım koşullarının sağlanması, delaminasyon sorununun yaşanmaması adına oldukça önemlidir. 

2.4 Kullanılan mürekkep ve tutkal serisinin uyumsuzluğu

Esnek ambalaj sisteminin iki temel bileşeni olan mürekkep ve tutkal içeriklerinin birbirleri ile uyumsuz olması, delaminasyon oluşumu için en temel nedenlerden biridir. Bir esnek ambalaj sistemi geliştirilirken, kullanılacak mürekkep ve tutkal sistemlerinin içerdiği kimyasalların ya da solventlerin kimyasal etkileşimi mutlaka incelenmelidir.

Baskıda kullanılan mürekkebin baskı yapılan film yapısı ile uyumlu olması ve iyi bir adezyon sağlamış olması; ardından yapılan tutkal uygulamasında likit tutkal içeriğinin kürlenmiş mürekkep için çözücü olmayacak karakterde olması ve mürekkep yüzeyinin tamamını örterek pinhol sorununun önüne geçilmesi mutlaka kontrol edilmesi gereken parametrelerdendir. 

2.5 Film içeriğindeki kayganlaştırıcı ajanlarının migrasyon davranışları

Geliştirilmesi istenen üründe delaminasyon sorununun yaşanmaması için incelenecek bir diğer önemli parametre ise LDPE, LLDPE ve diğer poliolefinlerin üretimlerinde yer alan en önemli bileşenlerden ikisi olan kayganlaştırıcı ve anti blok ajanlarıdır. Kayganlaştırıcı ajanları, bir filmin diğer filmler ya da metal yüzeyler üzerindeki kayma hareketinin kolay ya da kıyasla daha zor olmasını belirleyen ajanlardır. 

Sürtünme katsayısı (COF), esnek ambalaj endüstrisinde kendi üzerinde ve/veya başka bir yüzey üzerinde kayan bir filmin sürtünme özelliklerini ölçmek için yaygın olarak kontrol edilen bir parametredir. Sürtünme katsayısının değişmesi, kayganlaştırıcı ve anti blok ajanlarının ambalaj sistemi içerisindeki davranışı ile birebir ilişkilidir. 

Kayganlaştırıcı ajanının türüne göre, film sistemi içerisindeki migrasyon davranışı da farklılık göstermektedir. Anti blok ajanları ise sarılı bobinin açılması aşamasında görev almaktadır ve çoğunlukla migrasyon davranışları zayıftır. Genel olarak kayganlaştırıcı ajanları film katmanları arasında hareket edebilirken; anti blok ajanları sarılı haldeki bobinde film bloklaşmasını engellemek üzere iki film katmanı arasında bir mikro boşluk oluşturur (bkz. Görsel 4). 

Kayganlaştırıcı ve anti blok ajanı olarak kullanılan katkılar çoğunlukla farklı kimyasallar olup; kimi zaman birbirlerinin çalışmalarına antogonistik (sönümleyici) etki gösterirlerken, kimi zaman da bu etkileri sinerjistik (destekleyici) yönde olmaktadır. Geliştirilecek üründe kullanılan filmlerin içeriğindeki kayganlaştırıcı ve anti blok ajanlarının türü ve konsantrasyonu bu nedenle oldukça önemlidir. 

Özellikle PE film kullanılan esnek ambalaj yapılarında, filmin çok katmanlı bir ambalaj sisteminde kullanılması durumunda kayganlaştırıcı ajanlarının migrasyon davranışı ve diğer bileşenler ile olan etkileşimi nedeniyle delaminasyon sorunu yaşanabilmektedir. 

3.Sonuç

Gıda israfı, hijyen gerekliliği ve artan nüfus göz önüne alındığında esnek ambalaja olan talep son üç senede ivmelenerek artmıştır. Sürdürülebilirliğin ve verimli üretim yöntemlerinin rekabetçi piyasadaki en önemli yürütücü kuvvetleri oluşturduğu esnek ambalaj sektöründe talebin hızlı ve sorunsuz olarak karşılanması için de üretim süreçlerinin hatasız bir şekilde gerçekleşmesi esastır. Gerek ambalaj üretimi süreçlerinde, gerek dolum ve paketleme hatlarında, gerekse dolum sonrası süreçte karşılaşılabilen ve ürüne kazandırdığı raf ömrü özelliklerini negatif yönde etkileme riski olan delaminasyon problemi, esnek ambalaj sektöründe geliştirilen ambalaj sistemlerinde yaşanabilecek temel sorunlar listelendiğinde ilk sıralarda yer almaktadır. 

Delaminasyon probleminde hem ham maddelerin birbirleri ile etkileşiminin hem de üretim parametrelerinin değerlendirilmesi ve kök neden analizinin doğru şekilde yapılmasıyla problem nedeni saptanarak kalıcı çözüm sağlanacaktır.

Bu kök neden analizi kapsamında; 

-Tutkalın uygulandığı film üzerinde uygun bir yayılım sağlayarak etkin bir şekilde görevini yerine getirebilmesi için kullanılan laminasyon filminin uygun yüzey gerilimi değerinde olmasının sağlanması, ya da kullanılan likitlerin yüzey gerilimlerini düşürerek yayılımlarını iyileştirecek katkı takviyesi ile uygulanması

-Kullanılan tutkal serisi için tavsiye edilen şekilde hazırlanan tutkalın uygulandığı laminasyon operasyonu sonrasında poliüretan oluşum reaksiyonunun tamamlanması için gerekli olan kür süresinin takip edilmesi

-Birbirleri ile uyumlu kimyasal içeriklere sahip mürekkep ve tutkal serilerin kullanımı

-Ambalaj sisteminde kullanılan özellikle yüksek film kalınlığına sahip PE filmler olmak üzere filmlerin içerdiği kayganlaştırıcı ajanı konsantrasyonunun optimize edilmiş olması önemli kontrol noktalarıdır.  

Delaminasyon problemine ilişkin yapılacak mevcut durum analizleri ve değişken parametre geliştirmeleri, esnek ambalaj üretim süreçlerindeki sürekliliğin sağlanabilmesi adına katma değer katan çalışmalar olarak oldukça önem taşımaktadır.   

4.Kaynaklar

1.Baker, Matt., 2009, Analysis of Peelable Film in Food Packaging, 2008-09 Italian Packaging Technology Awards Program.

2.Surface Tension and Water | U.S. Geological Survey (usgs.gov) (Accessed on 22.04.2022)

3.Poliüretan Tutkallar - Turkchem (Accessed on 22.04.2022)

4.Polyurea (izoankara.com) (Accessed on 22.04.2022)

5.Keck-Antoine, K., Lievens, E., Bayer, J., Mara, J., Jung, D.-S., & Jung, S.-L. (2016). Additives to design and improve the performance of multilayer flexible packaging. Multilayer Flexible Packaging, 53–76. https://doi.org/10.1016/b978-0-323-37100-1.00005-3

Burçin Yalçın Özkan

Bak Ambalaj Ar-Ge Uzmanı

Nazlı Ulutaş

Bak Ambalaj Ar-Ge Mühendisi

Esen Uslu

Bak Ambalaj Ar-Ge Mühendisi

Erdal Aydın

Bak Ambalaj Ar-Ge

Uzman Yardımcısı

Mine Kulalı

Bak Ambalaj Ar-Ge Mühendisi

Özge Tekin

Bak Ambalaj Ar-Ge Mühendisi