Поскольку пластиковая упаковка составляет значительную часть пластиковых отходов, спрос на экологически чистые варианты упаковки растет. Одним из материалов, который становится все более популярным в качестве устойчивой альтернативы пластику, является бумага. Однако проблема заключается в том, что для запечатывания бумажной упаковки требуются добавки, такие как клеи или пластик. Эти добавки загрязняют бумагу, усложняют процесс переработки и снижают качество переработанного материала. Это создает серьезную проблему для и без того отлаженного и эффективного процесса переработки бумаги.
В рамках проекта PAPURE институты Фраунгофера по прикладным исследованиям полимеров (IAP), материаловедению и технологиям наплавления (IWS), технологическому проектированию и упаковке (IVV) и станкостроению и технологиям формования (IWU) стремятся улучшить возможности вторичной переработки путем запечатывания бумажной упаковки без каких-либо добавок. Институты объединяют свой опыт для разработки процесса запечатывания с использованием лазерной обработки для модификации бумаги, чтобы ее затем можно было запечатывать непосредственно методом термосварки.
Проект сосредоточен на анализе различных видов бумаги и характеристике материалов (Fraunhofer IAP), лазерной модификации поверхности (Fraunhofer IWS), разработке инновационной системы герметизации (Fraunhofer IVV) и создании демонстрационного образца, ориентированного на промышленность (Fraunhofer IWU). В Дрезденском институте Fraunhofer IWU строится лабораторная производственная установка, воспроизводящая процесс изготовления типичного упаковочного материала.
Состав бумаги влияет на адгезионные свойства.
На первом этапе исследователи Института прикладной физики им. Фраунгофера (Fraunhofer IAP) проводят характеризацию мелованной и немелованной бумаги для упаковочных целей, а также бумаги для принтеров и картона, чтобы определить, подходят ли они для запечатывания без применения дополнительных добавок. Для выбора доступно около трех десятков видов бумаги. Особое внимание уделяется определению содержания гемицеллюлозы, целлюлозы и лигнина в бумаге.
Эти факторы оказывают существенное влияние на адгезионные свойства материалов, а также на количество и состав образующихся продуктов расщепления (продуктов реакции после лазерной обработки). Для анализа химического состава и морфологии различных образцов бумаги до лазерной обработки и продуктов последующей реакции используются аналитические методы, такие как сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), высокоэффективная анионообменная хроматография (ВЭО) и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС).
Научный сотрудник Института прикладной психологии им. Фраунгофера Роберт Протц говорит: «Чрезмерное содержание неорганических соединений, таких как тальк и карбонат кальция, негативно влияет на адгезионные свойства и прочность швов. Можно также сказать, что более плотная бумага лучше подходит для запайки без связующих веществ». Исследователи смогли показать, что более плотная стандартная бумага, доступная на рынке и используемая для производства таких изделий, как одноразовые бумажные стаканчики и другая пищевая упаковка, может использоваться для процесса запайки.
Функционализация бумаги с помощью CO-лазеров
На следующем этапе исследователи из Института Фраунгофера IWS облучают поверхность бумаги лазером на основе монооксида углерода (CO-лазером), который быстро нагревает бумагу, преобразуя ее основные компоненты — лигнин, гемицеллюлозу и целлюлозу — в короткоцепочечные соединения в контролируемом процессе. Именно этот инновационный этап процесса позволяет осуществлять герметизацию бумаги без использования клея.
После облучения плавкие продукты расщепления остаются на поверхности бумаги и склеивают ее под воздействием тепла и давления без добавления каких-либо дополнительных материалов. «Облучая бумагу CO-лазером, мы создаем неплавкие, похожие на сахара продукты реакции, которые используем вместо синтетических материалов или клеев, которые потребовались бы для термосварки. Таким образом, мы, по сути, производим собственный клей в виде продуктов расщепления», — говорит Фолькер Франке, руководитель группы лазерной микрообработки в институте Фраунгофера IWS в Дрездене. «После лазерной обработки нам удалось использовать термосварку, проверенный процесс термического контакта, для соединения двух слоев бумаги с помощью тепла и давления».
Прочность соединения определяет качество шва.
Партнеры проекта из Института Фраунгофера IVV разрабатывают необходимую систему герметизации для обработки бумаги, обработанной лазером, с использованием продуктов плавкого расщепления. Для этого исследователи учитывают влияние свойств материала, параметров лазера и свойств продуктов плавкой реакции на прочность соединения, опираясь на данные, уже собранные группами из Институтов Фраунгофера IAP и IWS. Они также тестируют, в какой степени прочность соединения и герметичность могут быть улучшены за счет использования подходящих параметров герметизации и геометрии инструмента, и переносят результаты в упаковочное решение с целью достижения свойств шва, соответствующих рыночным требованиям.
«Прочность сцепления определяет, насколько сложно разорвать или открыть упаковку», — объясняет Фабиан Каятц, научный сотрудник и координатор проекта в Институте Фраунгофера IVV в Дрездене. «Измеряя механическую стабильность при различных типах нагрузок (испытание на сдвиг, испытание на отслаивание), мы можем продемонстрировать влияние параметров лазера и параметров герметизации на прочность швов. Ключевыми параметрами герметизации являются время герметизации, температура герметизации, давление герметизации и геометрия инструмента. Направление волокон также играет роль, то есть ориентация материала относительно инструмента для герметизации».
Марек Хауптманн, руководитель совместного проекта, добавляет: «В сущности, мы стремимся к прочности сцепления, превышающей межслойную адгезию бумажных слоев. Мы уже добиваемся хороших результатов в испытаниях на сдвиг. Мы легко можем поднять 20 килограммов с помощью шва длиной всего два сантиметра и шириной три миллиметра».
Бесклеевая герметизация интегрируется в существующие производственные процессы.
В Институте Фраунгофера IWU в Дрездене в настоящее время разрабатывается модульная лабораторная установка для обработки бумаги, воспроизводящая процесс производства плоских четырехсторонних пакетов — широко используемых для упаковки — в рулонном режиме. Основное внимание в работе уделяется разработке и интеграции лазера и модуля запайки в демонстрационный образец промышленного типа длиной около шести метров, глубиной один метр и высотой два метра.
Процесс бесклеевой запайки адаптируется на основе датчиков, зарекомендовавших себя в промышленности (включая датчики изображения и влажности), и цифрового двойника с обученной моделью данных. Поверхность бумажного полотна, непрерывно проходящего через установку, сначала облучается CO2-лазером, в результате чего образуются продукты расщепления, упомянутые выше. Затем подается второе бумажное полотно, соединяемое четырьмя швами с помощью комбинированного инструмента для запайки и перфорации в процессе термосварки, после чего из него вырезается отверстие для формирования пакета.
Тепло, выделяемое в процессе запайки, активирует продукты расщепления, в результате чего два бумажных полотна склеиваются. В будущем система измерения качества шва, установленная на пилотном заводе в качестве меры контроля качества, будет регистрировать изменения качества шва в режиме реального времени, что позволит быстро корректировать параметры лазера и запайки. Научный сотрудник Института Фраунгофера IWU Кристер-Клиффорд Шенке говорит: «Наша цель — производить десять упаковок в минуту на пилотной системе к концу проекта в сентябре 2026 года».
Презентация на конференции Interpack 2026
Практичный модульный демонстрационный образец показывает, что в будущем этот процесс может быть интегрирован в существующие производственные процессы. Как лазерный модуль, так и инструмент для запайки могут быть внедрены в производство отдельно. Это делает процесс особенно привлекательным для производителей упаковочных машин, производителей упаковочных материалов и упаковочных компаний. Интеграция технологии PAPURE позволяет компаниям этой отрасли позиционировать себя как пионеров в области «зеленой упаковки».
