การประยุกต์ใช้และการพัฒนาโพลีโพรพีลีนสำหรับการขึ้นรูปด้วยความร้อนในอุตสาหกรรมบรรจุภัณฑ์

1. หลักการพื้นฐานและลักษณะเฉพาะของการขึ้นรูปด้วยความร้อน

การขึ้นรูปด้วยความร้อน (Thermoforming) เป็นวิธีการแปรรูปพลาสติกแบบพิเศษที่ใช้ในการแปรรูปแผ่นเทอร์โมพลาสติกให้เป็นผลิตภัณฑ์ต่างๆ โดยการให้ความร้อนแก่แผ่นเทอร์โมพลาสติกเพื่อให้อ่อนตัวลง จากนั้นจึงใช้แรงดัน (สุญญากาศหรือแรงดันบวก) เพื่อให้แผ่นเทอร์โมพลาสติกทำปฏิกิริยากับพื้นผิวของแม่พิมพ์เพื่อให้ได้รูปทรงที่คล้ายกับพื้นผิวของแม่พิมพ์ หลังจากที่เย็นตัวและขึ้นรูปแล้ว ผลิตภัณฑ์จะถูกตัดแต่งเพื่อให้ได้รูปทรงที่ต้องการ การขึ้นรูปด้วยความร้อนนั้นรวดเร็วและสม่ำเสมอ มีเวลาในการขึ้นรูปสั้น ต้นทุนแม่พิมพ์ต่ำ เหมาะสำหรับการทำงานแบบอัตโนมัติและการผลิตในระยะยาว และถือเป็นวิธีการแปรรูปที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดและมีต้นทุนต่อหน่วยต่ำที่สุดในบรรดาวิธีการขึ้นรูปพลาสติก โดยเฉพาะอย่างยิ่งด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของกระบวนการและอุปกรณ์การขึ้นรูปด้วยความร้อนและการนำการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์มาใช้ การขึ้นรูปด้วยความร้อนจึงกลายเป็นวิธีการแปรรูปหลักที่แข่งขันกับการฉีดขึ้นรูปและการเป่าขึ้นรูป ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีความก้าวหน้าใหม่ๆ เกิดขึ้นในอุปกรณ์การแปรรูปการขึ้นรูปด้วยความร้อน บริษัท Jimin ได้นำเสนออุปกรณ์และกระบวนการขึ้นรูปด้วยความร้อนที่จัดแสดงในงาน K2013 ที่ประเทศเยอรมนี ซึ่งความเร็ว ความหลากหลาย เทคโนโลยีการควบคุม และการลดต้นทุนได้กลายเป็นหัวข้อสำคัญสำหรับอุปกรณ์ใหม่สำหรับการขึ้นรูปด้วยความร้อนในอุตสาหกรรมบรรจุภัณฑ์และอุตสาหกรรมอื่นๆ

ประเภทหลักของการขึ้นรูปด้วยความร้อน ได้แก่ การขึ้นรูปด้วยสุญญากาศ การขึ้นรูปด้วยแรงดัน การขึ้นรูปโดยใช้ลูกสูบ และการผสมผสานของวิธีการเหล่านี้ ปัจจุบันมีผลิตภัณฑ์ขึ้นรูปด้วยความร้อนในท้องตลาดมากขึ้นเรื่อยๆ เช่น ถ้วย จาน ถาดอาหาร ของเล่น หมวกและหมวกนิรภัย ชิ้นส่วนเครื่องใช้ในบ้าน รวมถึงชิ้นส่วนยานยนต์ ชิ้นส่วนตกแต่งทางสถาปัตยกรรม อุปกรณ์เคมี เป็นต้น เมื่อเทียบกับการฉีดขึ้นรูป การขึ้นรูปด้วยความร้อนมีข้อดีคือ ประสิทธิภาพการผลิตสูง การลงทุนในอุปกรณ์ต่ำ และสามารถผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ได้ พลาสติกหลักที่ใช้ในการขึ้นรูปด้วยความร้อน ได้แก่ โพลีสไตรีน (PS) โพลีไวนิลคลอไรด์ (PVC) โพลีโอเลฟิน เช่น PE, PP, โพลีอะคริเลต (PMMA) และเซลลูโลส เช่น ไนโตรเซลลูโลส (NC), เซลลูโลสอะซิเตต (CA) เป็นต้น รวมถึงพลาสติกวิศวกรรม เช่นอะคริโลไนไตรล์-บิวทาไดอีน-สไตรีน (ABS)นอกจากนี้ยังมีการใช้พลาสติกสไตรีน (ABS) โพลีคาร์บอเนต (PC) เป็นต้น การพัฒนาโพลีโพรพีลีน (PP) ที่มีประสิทธิภาพสูง เช่น ความโปร่งใสสูง ความแข็งแรงในการหลอมสูง และการบิดเบี้ยวต่ำ ได้ส่งเสริมการประยุกต์ใช้และการพัฒนา PP ในด้านการขึ้นรูปด้วยความร้อน

2. สถานการณ์ตลาดบรรจุภัณฑ์ขึ้นรูปด้วยความร้อนภายในประเทศ

มีบริษัทผลิตบรรจุภัณฑ์ขึ้นรูปด้วยความร้อนในประเทศมากกว่า 3,000 แห่ง โดยกว่า 300 แห่งมีกำลังการผลิตต่อปีมากกว่า 1,000 ตัน ประมาณ 70% ของโรงงานที่มีกำลังการผลิตต่อปีหลายพันตันนั้น ผลิตแผ่นพลาสติกเองและเป็นผู้รวมระบบผลิตภัณฑ์ขึ้นรูปด้วยความร้อน แผ่นพลาสติก PS (OPS) และโพลีเอทิลีนเทเรฟทาเลต (PET) เป็นแผ่นพลาสติกที่จ้างผลิตจากภายนอกเป็นหลัก ในขณะที่โรงงานที่มีศักยภาพบางแห่งผลิตแผ่นพลาสติก PP, PS และ PVC เอง และโรงงานขนาดเล็กบางแห่งจ้างผลิตจากภายนอก ผลิตภัณฑ์ขึ้นรูปด้วยความร้อนส่วนใหญ่ใช้ในบรรจุภัณฑ์อาหาร บรรจุภัณฑ์ที่ไม่ใช่อาหาร และแผ่นตัด และข้อกำหนดสำหรับวัตถุดิบจะแตกต่างกันไปตามการใช้งานแต่ละประเภท

3. การพัฒนา PP สำหรับการขึ้นรูปด้วยความร้อน

การขึ้นรูปพลาสติกด้วยความร้อน (thermoforming) ในประเทศจีนเริ่มขึ้นในทศวรรษ 1990 และพัฒนาอย่างรวดเร็วในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา โดยมีอัตราการเติบโตเฉลี่ยต่อปีประมาณ 10% ปัจจุบันมีผู้ผลิตบรรจุภัณฑ์พลาสติกขึ้นรูปด้วยความร้อนรายใหญ่และมีชื่อเสียงหลายรายในประเทศจีน เช่น บริษัท Central Chemical จากประเทศญี่ปุ่น ซึ่งได้สร้างโรงงานในประเทศจีนและเริ่มการผลิตแล้ว โดยผลิตภัณฑ์ส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่บรรจุภัณฑ์พลาสติกขึ้นรูปด้วยความร้อนระดับกลางและระดับสูง อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบัน ประเทศจีนยังขาดแคลนวัสดุ PP เฉพาะสำหรับกระบวนการขึ้นรูปด้วยความร้อน ผู้ผลิตผลิตภัณฑ์ขึ้นรูปด้วยความร้อนในประเทศมักจะซื้อ T30S และเรซินอเนกประสงค์อื่นๆ มาดัดแปลง แต่ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการดัดแปลงภายหลังและการผลิตในระดับอุตสาหกรรมนั้น มีปัญหาเรื่องการควบคุมสารเติมแต่งที่ไม่สม่ำเสมอ คุณสมบัติแรงดึงไม่ตรงตามข้อกำหนด ความหนาของผนังภาชนะไม่สม่ำเสมอในการขึ้นรูปด้วยความร้อน การเคลือบแบบอัดรีด การม้วนงอของขอบ และปัญหาอื่นๆ ทำให้ยากที่จะตอบสนองความต้องการด้านคุณภาพและมาตรฐานสูงของการใช้งาน อีกทั้งยังจำกัดประสิทธิภาพการผลิตของวิสาหกิจแปรรูปขั้นปลายด้วย

วัสดุพิเศษสำหรับการขึ้นรูปด้วยความร้อนจากต่างประเทศส่วนใหญ่เป็นโฮโมโพลิเมอร์ โพลิเมอร์แบบสุ่มโปร่งใสมีน้อย และบางเกรดมีวงจรการนำเข้าที่ยาวนาน ดังนั้นผู้ผลิตผลิตภัณฑ์ขึ้นรูปด้วยความร้อนในประเทศจึงไม่ค่อยใช้วัสดุนำเข้า การผลิตแผ่นพลาสติกในปัจจุบันของผู้ผลิตผลิตภัณฑ์ขึ้นรูปด้วยความร้อนส่วนใหญ่เป็นแผ่นกว้าง 600 มม. ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีเครื่องขึ้นรูป ความกว้างของแผ่นพลาสติกจึงเพิ่มขึ้น โดยแผ่นที่กว้างที่สุดอาจมากกว่า 1000 มม. ดังนั้นความสามารถในการต้านทานการหลอมละลายของแผ่นพลาสติกจึงมีความต้องการสูงขึ้น วิธีแก้ปัญหาในอุตสาหกรรมผลิตภัณฑ์ปลายน้ำคือการเติมโพลีเอทิลีนความหนาแน่นสูง (PE-HD) ในสัดส่วนที่กำหนดลงใน PP ทั่วไปเพื่อปรับปรุงความต้านทานการไหลย้อยของแผ่นพลาสติก แต่วิธีนี้จะทำให้การผสมไม่สม่ำเสมอและความโปร่งใสของผลิตภัณฑ์มีจำกัด อุตสาหกรรมขึ้นรูปด้วยความร้อนในประเทศมีความต้องการวัตถุดิบ PP ที่มีประสิทธิภาพสูงและมีความโปร่งใสสูงมากเพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ
ก่อนปี 2012 การวิจัยและพัฒนาวัสดุเทอร์โมฟอร์มที่มีความโปร่งใสสูงในประเทศจีนค่อนข้างล้าหลัง ในขณะนั้น สถานการณ์การวิจัยและพัฒนาวัสดุพิเศษเทอร์โมฟอร์มในประเทศแสดงไว้ในตารางที่ 2

วัสดุพิเศษเหล่านี้ยังไม่ได้รับการพัฒนาเพิ่มเติมเพื่อให้ได้ความแข็งแรงในการหลอมเหลวที่สูงขึ้นและการกระจายน้ำหนักโมเลกุลที่กว้างขึ้นซึ่งจำเป็นสำหรับกระบวนการขึ้นรูปด้วยความร้อน และบางชนิดก็ยังไม่ได้ผลิตในปริมาณมาก

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา บริษัท เทียนจิน ปิโตรเคมี ได้พัฒนาวัสดุพิเศษในด้านการขึ้นรูปด้วยความร้อนของโพลีโพรพีลีนอย่างต่อเนื่อง และประสบความสำเร็จอย่างมากทั้งในด้านเศรษฐกิจและสังคม ซึ่งเป็นการเพิ่มสีสันให้กับตลาดเฉพาะกลุ่มด้านการขึ้นรูปด้วยความร้อนนี้

ตารางที่ 4 แสดงวัสดุ PP พิเศษสำหรับการขึ้นรูปด้วยความร้อนที่พัฒนาโดยโรงงานปิโตรเคมีหลายแห่งในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ซึ่งพัฒนาโดยบริษัท Shanghai Ru Xia New Material และโรงงานปิโตรเคมีแต่ละแห่ง เพื่อตอบสนองความต้องการที่แตกต่างกันในกลุ่มการขึ้นรูปด้วยความร้อนที่แตกต่างกัน ผู้ผลิตผลิตภัณฑ์ขึ้นรูปด้วยความร้อนปลายน้ำมีการกระจายตัวอย่างกว้างขวาง ความเข้มข้นของอุตสาหกรรมต่ำ มีองค์กรขนาดใหญ่เพียงไม่กี่แห่ง และความต้องการผลิตภัณฑ์ปลายน้ำมีความหลากหลาย และโรงงานปิโตรเคมีแต่ละแห่งมีแผนการผลิตของตนเอง ดังนั้นจึงยังคงมีอุปสรรคในการประสานงานระหว่างต้นน้ำและปลายน้ำ แต่ทิศทางการพัฒนาของอุตสาหกรรมการขึ้นรูปด้วยความร้อนคือการสร้างผลิตภัณฑ์ปลายน้ำที่แตกต่างกันในด้านหนึ่ง และการใช้วัสดุพิเศษในการผลิตในอีกด้านหนึ่ง เพื่อปรับปรุงคุณภาพผลิตภัณฑ์และเพิ่มความเสถียรของคุณภาพผลิตภัณฑ์ การพัฒนาและการประยุกต์ใช้วัสดุพิเศษสำหรับการขึ้นรูปด้วยความร้อนยังคงมีแนวโน้มที่ดี