Использование био-клеев в устойчивой упаковке

Глобальная упаковочная промышленность претерпевает глубокие преобразования, поскольку бренды, регуляторы и потребители требуют более экологически ответственных решений. Среди многих инноваций, возникающих в этом пространстве, био-клейки выделяются как ключевой фактор действительно устойчивой упаковки. В отличие от традиционных клеев, полученных из конечных ископаемых видов топлива, био-варианты формулируются из возобновляемых биологических ресурсов, таких как крахмалы растений, лигнин и белки. Эти материалы не только снижают зависимость от нефтехимических веществ, но и предлагают улучшенную биоразлагаемость и более низкую токсичность, что делает их важным компонентом в движении к круговой экономике.

Рост устойчивой упаковки и роль клеев

Упаковка составляет почти 40% мирового спроса на пластик, и клеи, используемые в этих упаковках, часто остаются незамеченными. Тем не менее, клеевые составы могут значительно повлиять на пригодность к вторичной переработке и компостируемость упаковки. Традиционные синтетические клеи, многие из которых основаны на акриловом, полиуретановом или этиленвинилацетате, могут загрязнять потоки переработки, создавать токсичные пары во время сжигания и сохраняться на свалках в течение десятилетий. Клеи на основе биоматериалов, напротив, предназначены для разрушения в условиях промышленного компостирования или для чистого удаления во время переработки бумаги. По мере того, как Европейский союз, Северная Америка и другие регионы ужесточают правила в отношении отходов упаковки, принятие клеев на основе биоматериалов ускоряется. Согласно отчету Смитера 2021, ожидается, что глобальный рынок клеев на основе биоматериалов будет расти со скоростью соединения более 8% до 2027 года, что в значительной степени обусловлено упаковочными приложениями.

Что такое био-основы клея?

Био-клейки - это вещества, которые получают, по крайней мере, часть своего химического состава из возобновляемых источников биомассы. Термин "био-на основе" автоматически не означает биоразлагаемый - хотя многие био-клейки предназначены для этого - но он указывает на снижение зависимости от невозобновляемых ресурсов. Сырье, используемое в этих клеях, часто является побочным продуктом других отраслей промышленности, таких как кукурузный крахмал из сельского хозяйства, лигнин из целлюлозы или соевый белок из нефтедобычи. Это не только создает второй срок службы для потоков отходов, но и уменьшает углеродный след самого клея.

Основные сырьевые материалы и их источники

Формулировка био-клея — это не просто вопрос замены синтетического полимера на натуральный. Химики должны тщательно балансировать прочность адгезии, время работы, вязкость, скорость сушки и устойчивость к влаге и температуре. Следовательно, многие коммерческие био-клейки на самом деле являются гибридными составами, которые сочетают высокий процент содержания био-содержащих веществ с небольшим количеством синтетических полимеров для удовлетворения требований к производительности. Цель состоит в том, чтобы максимизировать возобновляемое содержание без ущерба для функциональных свойств, от которых зависят производители упаковки.

Преимущества био-основы клеев в упаковке

Переход на био-клеи мотивирован сочетанием экологических, экономических и безопасных преимуществ. Ниже мы подробно рассмотрим наиболее существенные преимущества.

1. Снижение углеродного следа и зависимость от ископаемого топлива

Традиционные синтетические клеи производятся из сырой нефти или природного газа. Их производство выделяет значительные парниковые газы и способствует истощению невозобновляемых ресурсов. Био-клейки, с другой стороны, хранят углерод, который был захвачен растениями во время роста. Оценка жизненного цикла (LCA) типичного клея на основе крахмала показала снижение потенциала глобального потепления на 30-50% по сравнению с его эквивалентом на основе нефти. Когда исходный материал является отходом (например, лигнин из бумажных фабрик), польза углерода еще больше.

2. Биоразлагаемость и компостируемость

Многие клеи на биооснове по своей природе биоразлагаемы в условиях промышленного компостирования (например, 58 ° C, высокая влажность, адекватный кислород). Это имеет решающее значение для упаковки, предназначенной для компостирования, такой как контейнеры для выноса, фруктовые лотки или почтовые мешки. Даже в стандартных процессах переработки биоразлагаемые клеи с меньшей вероятностью образуют «прилипчивые» клеи — агломерированные куски клея, которые могут засорять оборудование для переработки бумаги и снижать качество волокна.

3. Безопасность и низкая токсичность

Синтетические клеи часто содержат летучие органические соединения (ЛОС), изоцианаты или формальдегид, которые могут быть опасными для рабочих во время производства и для потребителей во время использования. Био-клейки, особенно те, которые получены из крахмала, сои или казеина, имеют очень низкие выбросы ЛОС и обычно считаются безопасными для прямого контакта с пищевыми продуктами при правильной формулировке. Это делает их идеальными для упаковки пищевых продуктов, где стандарты безопасности являются самыми высокими.

4. Возобновляемые источники и устойчивость цепочки поставок

Поскольку био-клейки зависят от ежегодно возобновляемых культур или побочных продуктов лесного хозяйства, их предложение менее уязвимо для волатильности цен на нефть и геополитических сбоев. Для упаковочных компаний, стремящихся получить местные источники, многие виды сырья на основе биоматериалов широко доступны по всему миру. Это может сократить цепочки поставок и поддержать региональное сельское хозяйство, согласуясь с более широкими целями корпоративной устойчивости.

5. Улучшение показателей в конце жизни

При переработке бумаги и картона клеи должны быть съемными во время процесса отталкивания. Био-клейки часто демонстрируют хорошую отталкиваемость - они разрушаются в воде и не оставляют липких остатков. Это повышает качество переработанного волокна и снижает потребность в химических дезинфицирующих агентах, еще больше снижая воздействие на окружающую среду процесса переработки.

Ключевые приложения в устойчивой упаковке

Био-клейки уже используются в широком спектре типов упаковки. Их применение наиболее продвинуто в бумажной упаковке, но новые составы неуклонно расширяются в гибкие пленки и жесткие контейнеры.

Коррумпированная волокнистая и картонная коробки

Наибольшее объемное использование био-клейков сегодня происходит в производстве гофрированных досок. Клейки на основе крахмала, часто модифицированные бором или каустической содой, используются для связывания флюированной среды с льняной доской. Эти клеи обеспечивают высокую прочность связи, отличную проходимость на высокоскоростных гофраторах и полностью совместимы с бумажной переработкой. Многие из крупнейших в мире производителей гофрированных материалов теперь используют 100%-ные составы на основе крахмала, полностью исключая синтетические клеи из своей деятельности.

Бумажные пакеты и мешки

Бумажные пакеты для покупок, мешки для муки и мешки для удобрений обычно герметизируются крахмальными или белковыми клеями. Эти клеи должны обеспечивать прочную начальную стойкость (привязку) и поддерживать прочность связи при различной влажности. Например, клеи на основе казеина ценятся за их водостойкость и часто используются в многостенных бумажных мешках для упаковки цемента или химических веществ.

Биоразлагаемые и компостируемые пленки

По мере роста рынка компостируемой упаковки растет и потребность в клеях, которые могут разрушаться при тех же условиях. В настоящее время доступны компостируемые клеи горячего плавления на основе PLA или полигидроксиалканоатов (PHA) и используются для герметизации компостируемых почтовых ящиков, оберток и кофейных стручков. Эти спайки соответствуют требованиям стандартов EN 13432 и ASTM D6400 для промышленной компостируемости.

Пищевая упаковка

Прямой контакт с пищевыми продуктами устанавливает самые строгие пороги безопасности. Био-клейки для упаковки пищевых продуктов не должны мигрировать в пищу, не должны придавать неприятные запахи или запахи и должны выдерживать процессы стерилизации. Соевый белок и клеи на основе крахмала используются в уплотнении картона, крышке и уплотнении пакетов. Регуляторные сертификаты, такие как FDA 21 CFR 175.105 (клейки для упаковки пищевых продуктов), достижимы, и несколько производителей теперь предлагают полные линии продуктов, сертифицированные для контакта с пищевыми продуктами.

Ярлыки и ленты

Клейкие материалы, чувствительные к давлению (ПСА), являются значительным сегментом рынка упаковки, используемым в товарных этикетках, уплотнительных лентах для упаковки и ценниках. Клейкие материалы на основе латекса из натурального каучука используются в течение десятилетий, но новые составы включают акриловые материалы на биооснове или терпеновые смолы для увеличения содержания возобновляемых источников. ПСА на водной основе с высоким содержанием биоматериалов набирают обороты, особенно в секторе электронной коммерции, где перерабатываемые бумажные ленты пользуются высоким спросом.

Проблемы и ограничения

Несмотря на очевидные преимущества, биоклейки не являются решением для каждой упаковки. Необходимо преодолеть ряд технических и экономических препятствий, прежде чем они смогут полностью заменить синтетические аналоги.

1. Производительность труда

Природные полимеры часто не имеют индивидуальных свойств синтетики. Крахмаловые клеи, например, чувствительны к влаге и могут терять прочность связи в условиях высокой влажности. Клеи на основе белка могут иметь ограниченное время работы, что означает, что они слишком быстро стираются для некоторых высокоскоростных упаковочных линий. В то время как текущие исследования и разработки значительно сузили эти промежутки - например, через сшивающие ферменты или добавки нанонаполнителя - остаются приложения, где только синтетический клей может удовлетворить требуемую долговечность или температурную устойчивость.

2. Более высокие ограничения по стоимости и масштабам

Био-сырье подвержено колебаниям цен на сельскохозяйственные продукты, и его переработка часто требует больше шагов, чем просто реакция нефтехимических мономеров. Текущая премия за стоимость био-клеев может варьироваться от 10% до 50% по сравнению с обычными альтернативами. Этот ценовой барьер особенно сложен в товарной упаковке, где рентабельность является тонкой. Однако, поскольку объемы производства увеличиваются, а новые, более дешевые источники (такие как лигноцеллюлозная биомасса) становятся коммерчески жизнеспособными, ожидается, что разрыв в стоимости сократится.

3. срок годности и стабильность

Многие клеи на биооснове имеют более короткий срок хранения, чем их синтетические аналоги, поскольку природные материалы более восприимчивы к микробной деградации. Это требует тщательного управления запасами и включения консервантов пищевого качества в жидкие составы. Сухие порошки (например, клеи на основе крахмала, которые смешиваются с водой на месте) могут иметь более длительный срок хранения, но требуют дополнительного оборудования и обучения на заводе по упаковке.

4. Совместимость с рециркулирующими потоками

Хотя клеи на био-основе обычно улучшают способность к рециркуляции, не все из них одинаково легко удалить. Некоторые клеи на основе лигнина, например, могут оставлять темные пятна в переработанной бумаге, если они не полностью диспергированы. Взаимодействие между клеями на био-основе и рециркуляцией пластмасс - особенно в упаковках из смешанных материалов, таких как мешочки - все еще изучается. Стандартизация и четкая маркировка необходимы для обеспечения того, чтобы эти клеи не случайно мешали восстановлению ценных материалов.

Будущие перспективы и инновации

Темпы инноваций в био-клеях ускоряются благодаря достижениям в области биотехнологии, материаловедения и кругового проектирования. Ожидается, что в ближайшие годы будет внедрен ряд перспективных разработок.

Новые био-основы кормовых запасов

Исследования сосредоточены на преобразовании обильных, недорогих источников биомассы, которые не конкурируют с производством продуктов питания. Лигноцеллюлозные материалы из сельскохозяйственных остатков (например, солома пшеницы, кукурузная помада) и быстрорастущие энергетические культуры (например, тополь, мискантус) могут быть разбиты на сахара и превращены в высокоэффективные полимеры путем ферментации. Лигнин, когда-то считавшийся отходами, в настоящее время рафинируется в фенольные заменители эпоксидных и фенольных смол. Такие компании, как Lignin Industries AB и Stora Enso , коммерциализируют клеи на основе лигнина, которые обеспечивают конкурентоспособную производительность в масштабе.

Энзим-содержащая адгезия

В природе ферменты, такие как трансглутаминаз и лаккейс, могут сшивать белки и полисахариды для формирования прочных постоянных связей. Исследователи разрабатывают фермент-активированные клеи, которые вылечиваются только при воздействии тепла, изменения рН или влаги. Эта технология может позволить био-клеи, которые стабильны во время хранения, но мгновенно образуют высокопрочные связи по требованию, преодолевая проблемы с сроком хранения и чувствительностью к влаге.

Умные клеи и дизайн круговой экономики

Следующим шагом является разработка обратимых или «отчуждаемых» клеев. Они позволят намеренно отделять упаковки в конце срока службы, например, при воздействии определенной температуры или химического вещества, что облегчит утилизацию материалов высокой чистоты. Для таких применений исследуются полимеры с памятью формы на основе биоформ и адгезивы, реагирующие на рН, что потенциально позволяет использовать систему замкнутого цикла, где адгезивы больше не действуют как загрязнители, а как средства рециркуляции.

Регуляторный рост и отраслевые стандарты

Правительственная политика, такая как Директива ЕС об одноразовых пластмассах и предлагаемое регулирование упаковки и упаковочных отходов (PPWR), подталкивают отрасль к более высокой переработке и возобновляемому контенту. Несколько схем сертификации, включая маркировку DIN CERTCO «Промышленная компостируемая» и Институт биоразлагаемых продуктов (BPI), теперь включают конкретные требования к клеям. Этот нормативный попутный ветер мотивирует конверторы упаковки переходить на био-клейки, даже когда экономика еще не благоприятна, поскольку стоимость несоблюдения (например, налоги на пластмассу, запреты) намного перевешивает премию за цену клея.

Устойчивая упаковка на практике: пример исследования

Чтобы проиллюстрировать реальное воздействие, рассмотрим пример европейской компании электронной коммерции, которая перешла от синтетической акриловой горячеплавильной ленты к био-компостируемой бумажной ленте с клеем из натурального каучука. Заменив ленту, компания смогла ежегодно устранять 12 тонн неперерабатываемых пластиковых отходов, сократить углеродный след своей упаковки на 40% и обеспечить, чтобы все коробки могли быть компостированы на промышленных объектах. Био-лента имела несколько более высокую начальную стоимость, но общая стоимость упаковки была компенсирована снижением сборов за удаление отходов и улучшением восприятия бренда среди экологически сознательных потребителей. Такие тематические исследования множатся в разных отраслях по мере сокращения разрыва в производительности.

Вывод: Существенная роль био-основы клеев

Био-клейки - это не просто нишевая инновация - они являются важным инструментом в переходе к устойчивой экономике упаковки. Снижая выбросы углерода, повышая биоразлагаемость, повышая безопасность и поддерживая потоки возобновляемых материалов, они решают многие из наиболее насущных экологических проблем, связанных с упаковкой. В то время как проблемы остаются в стоимости, влагостойкости и сроках хранения, быстрые темпы НИОКР неуклонно сокращают разрыв. Для инженеров по упаковке, владельцев брендов и менеджеров по устойчивому развитию био-клейки представляют собой практический и эффективный рычаг для снижения воздействия на окружающую среду их продуктов без ущерба для производительности. По мере того, как нормативное давление растет и потребительские ожидания растут, эти клеи будут переходить от альтернативы стандарту в упаковочной промышленности.

Для дальнейшего чтения о технических и рыночных разработках в этой области следующие ресурсы предоставляют исчерпывающую информацию: обзор Института пищевых технологов 2022 года о био-клеях в упаковке пищевых продуктов и самые последние рыночные данные из отчета о био-клее .