Toepassing en ontwikkeling van polypropyleen voor thermovormen in de verpakkingsindustrie

1. Basisprincipes en kenmerken van thermovormen

Thermovormen is een speciale kunststofverwerkingsmethode om thermoplastische platen tot diverse producten te verwerken. De thermoplastische plaat wordt verwarmd om deze te verzachten en vervolgens onder druk gezet (vacuüm of overdruk) om de plaat tegen het oppervlak van de mal te drukken en zo een vorm aan te nemen die lijkt op die van de mal. Na afkoeling en vormgeving wordt het product bijgesneden tot de gewenste vorm. Thermovormen is snel en uniform, met een korte cyclustijd en lage matrijskosten, waardoor het geschikt is voor automatisering en lange productietijden. Het wordt beschouwd als de meest efficiënte verwerkingsmethode met de laagste eenheidskosten onder de kunststofvormmethoden. Met name door de continue verbetering van het thermovormproces en de apparatuur, en de inzet van computersimulaties, is thermovormen uitgegroeid tot de belangrijkste verwerkingsmethode die concurreert met spuitgieten en blaasvormen. De afgelopen jaren zijn er nieuwe ontwikkelingen geweest op het gebied van thermovormapparatuur. Jimin presenteerde de thermovormapparatuur en -processen die werden tentoongesteld op de K2013-beurs in Duitsland, waar snelheid, veelzijdigheid, besturingstechnologie en kostenreductie belangrijke thema's zijn geworden voor nieuwe thermovormapparatuur in de verpakkings- en industriesector.

De belangrijkste vormen van thermovormen zijn: vacuümvormen, drukvormen, plunjervormen en combinaties hiervan. Er komen steeds meer thermogevormde producten op de markt, zoals bekers, borden, voedselbakjes, speelgoed, petten en helmen, onderdelen voor huishoudelijke apparaten, auto-onderdelen, decoratieve architectonische elementen, chemische apparatuur, enzovoort. Vergeleken met spuitgieten heeft thermovormen de voordelen van een hoge productie-efficiëntie, lage investeringen in apparatuur en de mogelijkheid om producten met grote oppervlakken te produceren. De belangrijkste kunststoffen die bij thermovormen worden gebruikt, zijn polystyreen (PS), polyvinylchloride (PVC), polyolefinen zoals PE, PP, polyacrylaten (PMMA) en cellulose zoals nitrocellulose (NC), celluloseacetaat (CA), enzovoort. Technische kunststoffen zoalsacrylonitril-butadieen-styreen (ABS)Ook worden er materialen gebruikt zoals styreenplastic (ABS), polycarbonaat (PC), enz. De ontwikkeling van hoogwaardig PP, met eigenschappen zoals hoge transparantie, hoge smeltsterkte en geringe kromtrekking, heeft de toepassing en ontwikkeling van PP op het gebied van thermovormen bevorderd.

2. Status van de binnenlandse markt voor thermogevormde verpakkingen

Er zijn meer dan 3,000 binnenlandse bedrijven die thermogevormde verpakkingen produceren, waarvan er meer dan 300 een jaarlijkse productie van meer dan 1,000 ton hebben. Ongeveer 70% van de fabrieken met een jaarlijkse productiecapaciteit van duizenden tonnen produceert zelf platen en is een integrator van thermogevormde producten. Polystyreen (PS, OPS) en polyethyleentereftalaat (PET) zijn de belangrijkste uitbestede platen, terwijl sommige fabrieken hun eigen PP-, PS- en PVC-platen produceren en kleinere fabrieken hun platen uitbesteden. Thermogevormde producten worden voornamelijk gebruikt voor voedselverpakkingen, non-foodverpakkingen en gesneden platen, en de eisen aan de grondstoffen variëren per toepassing.

3. Ontwikkeling van PP voor thermovormen

De toepassing van PP-thermovormen in China begon in de jaren negentig en heeft zich de afgelopen jaren snel ontwikkeld, met een jaarlijkse groei van ongeveer 10%. Er zijn nu veel grote en bekende fabrikanten van thermogevormde kunststofverpakkingen in China, zoals het Japanse Central Chemical, die fabrieken in China hebben gebouwd en in productie hebben genomen. Hun producten richten zich voornamelijk op thermogevormde kunststofverpakkingen in het midden- en hogere segment. Momenteel is er in China een tekort aan specifieke PP-materialen voor het thermovormproces. Fabrikanten van thermogevormde producten kopen over het algemeen T30S en andere algemene harsmodificaties, maar de producten die na modificatie en op grote schaal in de industrie worden geproduceerd, vertonen problemen zoals ongelijkmatige additievencontrole, onvoldoende treksterkte, ongelijke wanddikte en krullende randen na extrusie, coating en kalanderen. Dit maakt het moeilijk om te voldoen aan de hoge kwaliteitseisen van de toepassingen en beperkt bovendien de productie-efficiëntie van de bedrijven die de producten verder verwerken.

De meeste thermovormmaterialen die in het buitenland worden geïmporteerd, zijn homopolymeren. Transparante, willekeurige copolymeren zijn schaars en sommige soorten hebben lange importcycli. Daarom gebruiken binnenlandse fabrikanten van thermovormproducten zelden geïmporteerde materialen. De huidige productie van thermovormplaten bestaat voornamelijk uit platen van 600 mm breed. Door de vooruitgang in de vormmachinetechnologie neemt de breedte van de platen toe, tot meer dan 1000 mm. Hierdoor worden hogere eisen gesteld aan de smeltbestendigheid van de platen. De oplossing in de downstream-industrie is het toevoegen van een bepaald percentage polyethyleen met hoge dichtheid (PE-HD) aan gewoon PP om de smeltweerstand van de platen te verbeteren. Deze methode leidt echter tot een ongelijkmatige menging en een beperkte transparantie van de producten. De binnenlandse thermovormindustrie heeft een steeds dringender behoefte aan PP-grondstoffen met hoge prestaties en een ultrahoge transparantie.
Vóór 2012 liep het onderzoek en de ontwikkeling van zeer transparante thermovormmaterialen in China relatief achter. De situatie rond onderzoek en ontwikkeling van speciale thermovormmaterialen in China is destijds weergegeven in Tabel 2.

Geen van deze speciale materialen is verder ontwikkeld om de hogere smeltsterkte en bredere molecuulgewichtsverdeling te verkrijgen die nodig zijn voor thermovormingsprocessen, en sommige zijn niet op grote schaal geproduceerd.

De afgelopen jaren heeft Tianjin Petrochemical zich verder ontwikkeld op het gebied van speciale materialen voor het thermovormen van PP, met aanzienlijke economische en maatschappelijke voordelen tot gevolg, waarmee het bedrijf een waardevolle bijdrage levert aan dit nichegebied van thermovormen.

Tabel 4 toont de speciale PP-materialen voor thermovormen die de afgelopen jaren door verschillende petrochemische fabrieken zijn ontwikkeld. Deze materialen zijn ontwikkeld door Shanghai Ru Xia New Material en door elke petrochemische fabriek afzonderlijk, om te voldoen aan de specifieke eisen in verschillende thermovormsegmenten. De fabrikanten van thermovormproducten zijn wijdverspreid, de industrie is weinig geconcentreerd, er zijn weinig grote bedrijven en de vraag naar deze producten is divers. Bovendien hebben de petrochemische fabrieken hun eigen productieplanning, waardoor er nog steeds problemen zijn met een goede afstemming tussen de toeleveranciers en de afnemers. De ontwikkelingsrichting van de thermovormindustrie is echter enerzijds het produceren van gedifferentieerde producten en anderzijds het gebruik van speciale materialen voor de productie, om zo de productkwaliteit en de productstabiliteit te verbeteren. De ontwikkeling en toepassing van speciale materialen voor thermovormen is veelbelovend.