Почему некоторые капсулы для стирки не растворяются: наука о пластмассах и особенности плёнки PVA

Наверняка вам знакома такая ситуация. Вы загружаете бельё в стиральную машину, кладёте сверху капсулу с моющим средством, нажимаете кнопку запуска и уходите заниматься своими делами.

Через пару часов вы открываете дверцу и обнаруживаете, что капсула так и не растворилась полностью. Полурастворившаяся липкая масса прилипла к вашей любимой рубашке, а синий гель оставил следы на остальных вещах.

Приходится запускать стирку ещё раз, и возникает вопрос: разве капсула не должна полностью исчезнуть?

В теории — должна.

Тонкая плёнка, окружающая каждую капсулу, на самом деле представляет собой результат сложной инженерной разработки.

Она должна удерживать концентрированное моющее средство в течение нескольких месяцев хранения, выдерживать прикосновения влажных рук, а затем полностью растворяться при стирке в холодной воде. И всё это должно происходить так, чтобы потребителю даже не приходилось задумываться о её работе.

Если капсула прилипает к одежде, значит, одна из этих функций не сработала должным образом.

Иногда причина заключается в неправильном использовании капсулы. В других случаях проблема связана с самим пластиковым материалом.

Давайте разберёмся, из чего изготовлена эта плёнка, почему иногда она не растворяется и каким образом её производят.

Из чего изготовлена плёнка?

Плёнка, окружающая капсулы с моющим средством, изготовлена из поливинилового спирта (PVA или PVOH) — материала, предназначенного для полного растворения в воде.

PVOH обычно получают путём гидролиза поливинилацетата. Наиболее важным параметром этого процесса является степень гидролиза (Degree of Hydrolysis, DH) — доля ацетатных групп, преобразованных в гидроксильные группы (–OH).

Именно этот показатель определяет поведение плёнки в воде.

Гидроксильные группы притягивают молекулы воды, но одновременно образуют водородные связи друг с другом.

Эти связи позволяют полимерным цепям плотно упаковываться, формируя кристаллические структуры, в которые воде трудно проникнуть.

Сохранение части ацетатных групп нарушает такую плотную упаковку.

Когда в полимере остаётся достаточное количество ацетатных групп, водородные связи между цепями становятся слабее, степень кристалличности снижается, и материал обычно способен растворяться в холодной воде при температуре ниже примерно 50 °F (около 10 °C).

На практике для производства плёнки, растворимой в холодной воде при температуре ниже 10 °C, обычно используют PVOH со степенью гидролиза приблизительно 75–90 %.

Материал со степенью гидролиза 94–98 % обычно легко растворяется только в тёплой воде при температуре около 40 °C.

При степени гидролиза не менее 98 % требуется вода температурой примерно 60 °C или выше.

Особенно распространённым для водорастворимой упаковки является PVOH со степенью гидролиза 88 %.

Важную роль играют ещё два компонента.

Глицерин является широко применяемым пластификатором для PVOH. Он помогает сохранять плёнку достаточно гибкой для формования и герметизации.

Кроме того, моющее средство внутри капсулы отличается от обычного жидкого средства для стирки в бутылках.

Коммерческие капсулы обычно содержат составы с низким содержанием воды, поскольку сама оболочка капсулы является водорастворимой.

Почему некоторые капсулы не растворяются?

1. Свойства плёнки изменяются во время хранения

Это наименее очевидная причина и одна из наиболее серьёзных проблем для производителей плёнки.

Плёнка из частично гидролизованного PVOH чувствительна к химическим веществам с высоким или низким уровнем pH.

Такие вещества могут вызывать дальнейший гидролиз оставшихся винилацетатных групп, превращая плёнку в PVOH, который уже не растворяется в холодной воде.

Жидкое моющее средство для стирки имеет щелочную реакцию и контактирует с плёнкой с момента заполнения капсулы до её использования.

За несколько месяцев хранения плёнка может постепенно приобрести свойства материала, растворимого преимущественно в тёплой воде.

Поэтому старая капсула может не раствориться при стирке в холодной воде, хотя свежая капсула в тех же условиях работает без проблем.

Производители плёнки решают эту проблему путём введения дополнительных структурных компонентов в полимер.

В одном патенте описана плёнка, содержащая не менее 4 мол. % итаконовой кислоты, которая сохраняла хорошую растворимость после длительного контакта с жидким моющим средством.

В то же время плёнка с содержанием итаконовой кислоты 2,8 % не продемонстрировала аналогичных результатов.

Разница между этими показателями показывает, насколько узким может быть допустимый диапазон состава материала.

Две капсулы, которые выглядят совершенно одинаково на полке магазина, через шесть месяцев могут демонстрировать совершенно разные характеристики растворения.

2. Плёнка перегрелась во время производства

Чрезмерный нагрев в процессе изготовления плёнки увеличивает содержание кристаллических структур и, как правило, снижает её растворимость в воде.

Если производственное оборудование не обеспечивает точного контроля температуры, плёнка с самого начала может обладать более низкой растворимостью, чем предусмотрено её рецептурой.

3. Условия стирки препятствуют растворению капсулы

Даже качественной плёнке необходимы достаточное количество воды и механическое перемешивание для полного растворения.

Очень холодная вода, слишком короткие программы быстрой стирки, перегруженный барабан или размещение капсулы поверх одежды вместо нижней части барабана могут привести к тому, что капсула застрянет в складках ткани.

В результате плёнка размягчается и превращается в гелеобразную массу вместо полного растворения.

Почему капсулы для стирки слипаются между собой?

PVA поглощает влагу из окружающего воздуха.

Во влажной прачечной или при контакте с мокрыми руками поверхность плёнки начинает растворяться и становится липкой.

Если капсулы соприкасаются в таком состоянии, они могут склеиваться друг с другом, образуя единый блок.

Именно поэтому на упаковке обычно указывают, что контейнер необходимо держать закрытым, а капсулы следует брать только сухими руками.

Для разработчиков плёнок это представляет собой реальную инженерную задачу.

В одном патенте, например, описывается многослойная структура плёнки, позволяющая изготавливать капсулы, поверхность которых не становится липкой при контакте с влажной рукой.

Превращается ли плёнка PVA в микропластик?

По данным Американского института чистящих средств (American Cleaning Institute), плёнка обладает высокой растворимостью в воде, включая холодную воду, поскольку она должна полностью растворяться.

Институт также подчёркивает, что PVOH, используемый в рыболовных лесках, отличается от PVOH, применяемого для производства плёнок капсул с моющими средствами.

Материал для рыболовных лесок имеет более высокую степень гидролиза, чем материал, используемый в упаковке моющих средств.

Название PVA охватывает множество различных марок полимера, и их свойства не обязательно одинаковы.

Как производится плёнка PVA: сравнение метода полива и экструзии с раздувом

Существует два основных способа производства плёнки PVA: метод полива и экструзия плёнки с раздувом (casting vs. blown film.)

При изготовлении плёнки методом полива из раствора смолы PVA растворяют в воде вместе с добавками.

Затем раствор подают через плоскую щелевую головку типа «вешалка» или распределяют с помощью ракельного ножа, формируя слой равномерной толщины.

При экструзии из расплава предварительно высушенные гранулы PVA, пригодные для переработки в расплавленном состоянии, подают в плёночный экструдер.

Для производства рукавной плёнки используют кольцевую головку, а для производства плоской литой плёнки — щелевую головку типа «вешалка».

Метод полива из раствора уже давно является стандартным способом изготовления плёнок для капсул с моющими средствами.

Его часто предпочитают благодаря высокой точности контроля толщины плёнки.

Однако экструзия с раздувом имеет собственные преимущества.

В процессе экструзии не требуется добавлять воду, а затем удалять её из материала.

Кроме того, экструзия обычно выполняется быстрее, чем полив из раствора, что позволяет производить больше плёнки за одинаковый промежуток времени.

Растяжение плёнки во время экструзии с раздувом и последующей намотки также способствует ориентации полимерных цепей.

Это значительно повышает сопротивление разрыву — преимущество, которого невозможно достичь при поливе из раствора.

Тем не менее оба метода имеют свои компромиссы.

Плёнка, изготовленная методом полива из раствора, обычно растворяется легче и обладает лучшими характеристиками герметизации, чем экструдированная плёнка.

Кроме того, некоторые компоненты разлагаются при температурах экструзии, поэтому их можно использовать только при изготовлении плёнки методом полива.

Это означает, что линия для производства рукавной плёнки PVA — не просто стандартная линия для PE, в которую загружают другой полимер. Если вы рассматриваете приобретение оборудования для производства плёнки PVA, следует обратить особое внимание на три фактора:

• Точный контроль температуры по всей длине цилиндра и экструзионной головки: чрезмерный нагрев увеличивает кристалличность и может вызывать разложение добавок.
• Надёжная предварительная сушка гранул: необходимо обеспечить стабильное состояние сырья перед его подачей в экструдер.
• Строгий контроль толщины плёнки: толщина непосредственно влияет на скорость растворения капсулы.

Найдите экструдер для производства водорастворимой плёнки PVA на PRM

Всё, о чём говорилось выше, в конечном итоге связано с производственным оборудованием.

Чтобы капсула для стирки полностью растворялась в холодной воде даже через шесть месяцев после изготовления, необходимо, чтобы плёнка выходила из экструзионной головки с правильной степенью кристалличности, равномерной толщиной и без повреждений, вызванных перегревом в процессе переработки.

PVA является сложным в переработке полимером, поскольку одновременно реагирует на воздействие температуры, влаги и сдвиговых нагрузок.

Линия, изначально разработанная преимущественно для PE, иногда может перерабатывать PVA, но результаты не всегда будут удовлетворительными.

Поэтому главный вопрос, который следует задать производителю оборудования, заключается в том, насколько велик его опыт переработки PVA и готов ли он провести испытания с использованием вашей собственной смолы до принятия решения о покупке.

Если вы планируете создать новую линию по производству водорастворимой плёнки или модернизировать существующее оборудование, PRM-Taiwan.com станет хорошей отправной точкой.

На платформе можно ознакомиться с ведущими производителями экструдеров для рукавной плёнки, сравнить предлагаемые ими решения и напрямую отправить запросы поставщикам, оборудование которых соответствует требованиям вашего проекта.

С самого начала укажите, что планируете перерабатывать PVA, и запросите результаты пробных запусков.

Это поможет быстро определить, какие производители действительно обладают практическим опытом работы с этим материалом.​​​​​​​