ПОЛІГРАФІЧНІ ТЕХНОЛОГІЇ У СТВОРЕННІ ЕСТЕТИЧНО-ІНФОРМАЦІЙНИХ, АКТИВНИХ ТА ІНТЕЛЕКТУАЛЬНИХ ПАКОВАНЬ

Шерстюк В., д.х.н., проф.; Степанець В., к.т.н.;
Осіпова Т., к.т.н.; Червінський Д.
НТУУ «КПІ», м. Київ
Кучмій C., д.х.н., проф.
ІФХ ім. Л.В. Писаржевського НАНУ, м. Київ


ПОЛІГРАФІЧНІ ТЕХНОЛОГІЇ У СТВОРЕННІ ЕСТЕТИЧНО-ІНФОРМАЦІЙНИХ, АКТИВНИХ ТА ІНТЕЛЕКТУАЛЬНИХ ПАКОВАНЬ

Вступ. Одне з первинних призначень пакування – виокремлення товару (продукції) в окрему одиницю для подальшого просування споживачеві. Для відрізнення товару чи певного його різновиду застосовують маркування пакувань. Якщо воно зроблене на пакувальному матеріалі, то можна говорити про інформаційні функції паковання, які реалізуються переважно друкарськими технологіями.
Інформаційні функції паковань тісно пов’язані з рекламними. Поєднання цих функцій призводить до народження нової функції поліграфічно оформлених паковань – естетичного впливу. На сучасному етапі розвитку поліграфічного виробництва інформаційні й естетичні призначення органічно поєднані. Можна вести мову хіба що про різний рівень художнього втілення задумів виробників продукції і дизайнерів.
Отже ці три функції – виокремлення - власне запаковування товару (продукту), повідомлення - інформація про запаковану продукцію, та рекламно-естетичне призначення сприймають наразі як органічно одну мету постачання продукції на ринок.
Не менш важливим аспектом пакування є збереження споживчих якостей запакованої продукції. Це надто важливо для харчових продуктів. Хоча в ширшому контексті це стосується й інших продуктів і товарів, приміром взуття, текстилю чи електронних приладів.
З цією функцією пов’язані так звані активні паковання, які покликані довше зберігати споживчі властивості запакованих продуктів і товарів. Коли в запакований продукт або затарений товар кладуть, наприклад, адсорбент для поглинання вологи або речовин, що виділяються з продукту або надходять ззовні пакування, то можна говорити про певні “активні“ властивості паковання. Сучасні активні пакування містять різноманітні речовини для поглинання кисню або вуглецевого газу чи продуктів розкладу органічних продуктів. Коли додаткові інгредієнти паковань мають властивість попереджати споживача про зниження або втрату належної якості продуктів, то їх часто називають «кмітливими» (англійською smart packaging) або інтелектуальними, чи інтелігентними пакованнями (англійською intelligent packaging).
Крім сигналізування про стан запакованого продукту, важливим є питання спостереження за товарами. Логістика товаропотоків ставить питання про необхідність маркування паковань і тари даними, що можуть реєструватись сучасними методами електронного (включаючи радіочастотне) спостереження. Ці проблеми розв’язуються також виготовленням інтелектуальних паковань – з використанням сенсорних приладів і електронних чипів. Наразі постає потреба виготовляти ці прилади з використанням друкарських технологій. Передбачається, що друкарська фарба або прозорий безпігментний лак можуть містити функціональні речовини, які виконуватимуть роль компонентів в покриттях активних та інтелігентних паковань.
У даній роботі зроблено спробу проаналізувати різні аспекти реалізації згаданих функцій паковань.
Реалізація естетично-інформаційних функцій паковань. Виокремлення та відбір за кількісними характеристикми продуктів і товарів, що здійснюється шляхом фасування та упакування у тару або пакувальний матеріал, завжди потребує надання пакуванням набору інформаційних даних. Це історично робилося через окремі етикетки або маркуванням пакувань чи пакувального матеріалу.
Починаючи з ХІХ століття, коли з’явилися друкарські машини і літографія, поліграфічне виробництво поступово почало обслуговувати пакувальну галузь. З розвитком агро-промислового виробництва і консервної промисловості постала проблема етикетування продукції. Мабуть, наступними за першими паперовими етикетками на скляних і бляшаних банках були так звані перевідні картинки, або деколі. Друковані етикетки чи то паперові, чи то декольні не трималися на банках при контакті з водою або при підвищеній вологості у трюмах суден. Це створювало часом значні труднощі й навіть кумедні ситуації, коли після штормів замість м’ясних чи рибних консервів на суднах подавалися десертні або навпаки. Яскравим історичним фактом, що визначив у значній мірі прогрес не тільки у пакувальній сфері, можна вважати літографування жерсті для виробництва консервів у бляшаних банках, які б можна було транспортувати морськими суднами і для обслуговування корабельних команд і пасажирів. Нанесення інформації (текстової та ілюстраційної) на жорсткий пакувальний матеріал було здійснено з використанням літографічного каменю та проміжної ланки, згодом названої офсетним гумовим циліндром. Так виник офсетний друк на металах за 30 років до його винаходу і впровадження у видавниче друкарство.
Про це варто згадувати, аби усвідомлювати, що друкарська і пакувальна галузі розвивалися, збагачуючи одна іншу, а надто сьогодні, коли електронні видання ліквідували монополію друкованих видань. У цій ситуації поліграфічне виробництво все більше орієнтується на задруковування пакувальних матеріалів, або паковань. А пакувальна галузь знаходить у друкарських технологіях шляхи подальшого удосконалення естетично-художніх рис паковань і винайдення шляхів оздоблення паковань різноманітними засобами, включно з друкуванням електронних приладів, наближаючи еру інтелектуальних опаковань та пакувань. Функції паковань, що виробляються поліграфічними методами, у зв’язку з цим суттєво розширюватимуться (табл. 1).
Таблиця 1 – Функціональні призначення паковань
Різновид опаковань Функції задрукованих опаковань Зміст
«Звичайні» споживчі пакування Інформаційні Маркування, текстові повідомлення, схеми, малюнки, рисунки.
Інформування про стан і придатність продукту до вживання. Реклама.
Високохудожні опаковання Естетично-мистецькі та рекламні Зовнішня привабливість, звертання уваги, відповідність художнього дизайну властивостям запакованого продукту чи товару. Реклама. Пиар.
«Активні»
пакування Активні паковання Функції паковань чи елементів пакувань активно впливати на збережність продуктів.
Інформування про стан і придатність продукту до вживання.
«Інтелiгентні пакування» «Інтелектуальні паковання» Функції паковань виявляти додаткові, неочевидні характеристики пакувань – пасивні й активні. Інтелектуальні паковання є, по-суті, або у значній мірі різновидом і подальшим розвитком «активних паковань».
Технологічні функції паковань у виробничому ланцюгу Виокремлення продуктів або товарів, облік, постачання, реклама, споживання, логістика.

Розв’язання інформаційно-естетичних, а також високотехнологічних завдань забезпечується широким спектром друкарських технологій. Для поліграфічного оформлення паковань використовуються як класичні різновиди друку – високий (наразі флексографічний – з використанням еластичних друкарських форм), глибокий, офсетний, трафаретний, так і різноманітні модифікації цих способів друку, а також сучасні цифрові методи нанесення текстової й ілюстраційної інформації (табл. 2).
Таблиця 2 – Класифікація основних методів задруковування пакувальних матеріалів і маркування пакувань
Прямі способи друку
(друкарська фарба наноситься на задрукований матеріал безпосередньо друкарською формою) Непрямі способи друку
(друкарська фарба наноситься друкарською формою на проміжну ланку, а з неї на задрукований матеріал)
Різновид друку Коротка характеристика Різновид друку Коротка характеристика
Високий друк,
наразі флексографія Друкувальні елементи вивищені стосовно проміжних, градація - результат зміни площі растрової цятки Типоофсет, або високий офсетний друк Друкувальні елементи вивищені стосовно проміжних, градація - результат зміни площі растрової цятки
Глибокий ротаційний Друкувальні елементи заглиблені, градація – за рахунок товщини фарбового шару Глибокий офсет,
включаючи тамподрук
Друкувальні елементи заглиблені, градація – за рахунок площі растрової цяткиу
Трафаретний (шовкотрафаретний) Насиченість тону – за рахунок товщини проміжних елементів друкарської форми Плоский офсетний друк, або офсет (зі зволоженням та без зволоження) Друкувальні та проміжні елементи – в одній площині, градація растровими цятками
Струминний
Класичної друкарської форми немає (інформація міститься у цифровому файлі) Електрографічний
(лазерний, як різновид цифрового друку) Друкарська форма з фотонапівпровідника. Використання офсетного циліндру

До цих методів відносяться струминний друк, електрографічні способи з освітленням поверхні фотонапровідникової пластини або барабану з накладанням електричного поля і нанесенням на заряджені ділянки поверхні дрібнодисперсного порошку (тонера) або електроактивної олійної фарби. Передане на гумовий офсетний циліндр зображення переноситься на матеріал, що задруковується. Якщо замість напівпровідникової використовують пластину з нержавійної сталі в середовищі фарби-електроліту, то шляхом керованої електрохімічної коагуляції може утворюватися відповідне цифровому файлу зображення, що також за допомогою офсетного передавального циліндра потрапляє на задрукований матеріал. Цими прикладами не обмежуються різновиди цифрового друку.
Нові тенденції поширюються і на добре відомі способи друку, народжуючи цікаві перспективні технології. Так, відомо, що глибокий друк забезпечує вищу якість друкованої продукції, ніж, приміром, флексографія. Але стара технологія виготовлення металевих форм глибокого друку є наразі екологічно й економічно неприйнятною. Нові ж цифрові технології формування зображення на полімерних шарах, нанесених на попередньо глибоко растровані металеві циліндри, відкривають перспективи для пакувальної галузі з використанням модернізованого глибокого друку.
Різноманітні способи друкування і їх поєднання дозволяють здійснювати виготовлення паковань з широким спектром інформаційних і естетичних властивостей. Практично усі відомі різновиди друку, а також різноманітні опоряджувальні операції та оздоблювальні матеріали і напівфабрикати, наприклад з варіо- та голограмними зображеннями, є в розпорядженні дизайнерів та виробників паковань. Остаточне слово – за економічними чинниками. Але можливості реалізації поліграфічними методами інформаційних та естетичних функцій пакувань є надзвичайно широкі. І питання зараз стоїть про реалізацію цим шляхом найближчим часом масового виготовлення активних та інтелігентних паковань і пакувань (пакунків, паків).
Сучасний розвиток матеріалознавства і промисловості полімерних матеріалів, паперу і лаково-фарбових композицій сприяє реалізації поєднання багатьох функцій паковань з використанням друкарських технологій, розмаїття яких робить можливим реалізацію ідей талановитих художників-дизайнерів і творців найновіших технічних рішень, зокрема у впровадженні нанотехнологій у друкарство і пакування [1, 2]. Серед таких рішень важливе місце посідають пропозиції і завдання виготовлення активних та інтелігентних опаковань.
На одній з останніх конференцій пакувальної галузі в Італії йшлося про те, що сучасний стан пакувань характеризується, зокрема, широким використанням лазерних та струминних друкарських пристроїв, наприклад для маркування молочної продукції. Однак на багатьох підриємствах, надто малих, надають перевагу традиційним способам друку, наприклад тампонному друку.
Але найближчим часом проявлятимуться тенденції відслідковувати усі виробничі процеси з використанням спеціального програмного друкування на етикетці. Вже зараз треба готуватись до широкого використання електронних етикеток, тобто вмонтованих у пакувальний матеріал або в одиницю паковання електронних приладів, що активуються радіочастотним електромагнітним полем. Наразі такі електронні прилади виробляються підприємствами мікроелектроніки. Та методи друкованої електроніки набувають все більшого розвитку. Тому можна очікувати виробництва друкованих радіочастотних ідентифікаторів, зокрема і на пакованнях, і різноманітних поверхнях.
За аналогією можна згадати розвиток застосувань голограмних елементів для друкованих видань та етикеток і паковань. Високотехнологічні операції запису і формування голограм здійснюються на спеціалізованих виробництвах, а нанесення голограм на різноманітні поверхні – це справа поліграфічних та пакувальних підприємств.
Активні та інтелігентні паковання. Необхідність збільшення термінів зберігання харчових продуктів і вимоги мінімізації введення консервантів, а потім і повної відмови від запобіжників псування для усіх продуктів, призвели до винайдення так званих активних паковань. Загалом можна говорити про реалізацію активних опаковань чи пакувань. Активні компоненти можуть бути введені на поверхню товару чи продукту, що спаковується (хоча це може сприйматися як неприпустима технологічна операція), або на поверхню пакувального матеріалу, всередину чи, нарешті, на зовнішню поверхню паковання. Можна очікувати, що у майбутньому ці технологічні підходи будуть реалізовані. Та все ж друкарські технології з використанням як зовнішньої, так і внутрішньої поверхонь пакувальних матеріалів і пакунків і зараз є, і в майбутньому будуть актуальними.
Більшість існуючих технологій з використанням активних паковань базується на поглиначах кисню, регуляторах вологості, адсорбентах етилену, видаленні зіпсованих речовин, постачальниках етанолу і карбон діоксиду, а також на антимікробних системах.
Технологічні досягнення останнього часу дозволили створити в харчовій промисловості «активне» пакування з метою подовження терміну збереження якості харчових продуктів. Активне пакування взаємодіє з продуктами з пониженням рівня вмісту кисню або додаванням приправ (ароматизаторів) чи запобіжників (консервантів).
«Розумне», або «інтелігентне», «інтелектуальне», «кмітливе» пакування може відслідковувати та передавати інформацію про якість їжі. Свіжі харчі, оскільки вони натуральні, виділяють інколи газ або вологу в пакуванні. Це може сприяти росту мікроорганізмів, а також призводити до погіршення якості харчових продуктів. Деякі різновиди активних паковань містять пастки (поглиначі) кисню, які поглинають газ, що виділяють харчі. Це позбавляє ризику отруєння іжі та їжею і показує, чи не зіпсувався бува харчовий продукт через зміни температури при зберіганні або через розгерметизацію (пошкодження) опаковання. Активні пакування можуть змінювати колір, аби споживач знав, наскільки їжа свіжа.
Антимікробні активні паковання. Технологія активного антимікробного пакування заснована на застосуванні антимікробних агентів, які або іммобілізовані в структуру полімеру, або інкорпоровані у пластмасові смоли перед екструдуванням плівки. Ця технологія може бути поділена на два різновиди: речовина-запобіжник повільно видаляється з пакувального матеріалу на поверхню харчового продукту, або речовина-запобіжник міцно зафіксована і не мігрує в харчовий продукт. В обох випадках передбачається контроль за ростом небажаних мікроорганізмів.
Одна з ключових проблем технологій використання активних паковань полягає у контрольованому видаленні антимікробного агента з полімерної плівки. Закордонні фахівці признають, що у цій сфері все ще дуже мало опублікованих праць.
Серед нагальних проблем, що стояли перед пакувальниками Європи вже з 2004 року, наприклад, для запакування харчових продуктів, було законодавче регулювання у цій сфері. Зокрема, за умов вільної торгівлі важливо добитися того, аби міграції не зашкоджували пакуванням і первинним властивостям продуктів. Серед важливих проблем – захист споживача та безпека продуктів, повторне використання матеріалів, розробка «розумних» та «активних» паковань, нові нормативні акти ЄС у сфері пакувань, здатність бути спостереженими, що має неабияке значення для пакувального бізнесу.
З 2005 року в Європі діють удосконалені правила регулювання питань з використання матеріалів, що контактують з харчовими продуктами. Нові рамкові правила встановили визначення для активних та інтелігентних пакувальних матеріалів, а також певні вимоги щодо використання цих матеріалів у ЄС. А саме Положення (Рамкове Регулювання) передбачає аби ці матеріали були предметом спеціальної директиви, що регулює їхнє використання, а також подальші вимоги маркування, і наголошує, що їхнє використання не повинно вводити в оману споживачів.
Правила Регулювання США не містять спеціальних положень, які б передбачали використання активних чи інтелігентних пакувальних систем. В той же час активні пакування вже існують у США, Японії та Австралії. Натомість в Європі активні пакувальні системи обмежені і надалі через законодавчі вимоги.
Мікрохвильові технології та інтелігентне паковання й інтелігентний папір. Наразі проводиться пошук паковань, що самі нагріваються й які б забезпечували швидке нагрівання пакунка з їжею (не більше п’яти хвилин) до певної визначеної температури (наприклад, 65 ○С). Типові харчові продукти, що містять воду, можуть бути нагрітими під дією мікрохвильового опромінення незалежно від вихідної початкової температури. Ідеальним упакуванням є просте в обслуговуванні одноразове (що видаляється), чи з повторним використанням, яке здатне бути нагрітим з харчовим продуктом масою 150-600 г. Проблема може бути розв’язана з використанням полімерів та/або інших матеріалів, що можуть містити активні або «інтелектуальні» компоненти. При цьому, звичайно, ціна має бути прийнятною.
В той же час фахівці працюють над розробками «кмітливих» (“smart”) паковань, здатних попереджувати споживача, якщо харчовий продукт зіпсований. Останнім часом висловлюються переконання, що у майбутньому «інтелігентні» паковання стануть реальністю. Можливим шляхом реалізації цих задумів є поєднання паперу і електроніки або оптичних частин приладів, які можуть інформувати про походження, якість та використання даного продукту. Це є надто важливим у пакуваннях, де бракує місця для задруковування, aлe потрібно розмістити багато інформації. Наприклад, особа-алергік може миттєво бачити з пакування, підходить йому цей продукт, чи ні.
Фотокаталіз у пакуванні – шлях створення активних паковань. Зниження кількості необхідної сировини і енергетичних витрат, набуття додаткових нових властивостей може бути досягнуте ефективнішим шляхом, ніж зараз, зокрема застосуванням нанотехнологій. Нанотехнології відкривають привабливі перспективи перед багатьма науково-технічними напрямками. Це у повній мірі стосується пакувальної галузі [1–3].
Нанотехнології з використанням фотокаталітичних систем роблять останні вельми перспективними для створення активних пакувань. Фотокаталіз – це явище індукування або прискорення хімічних реакцій при дії світла на системи, що містять хімічні сполуки - субстрати, а також речовини – фотокаталізатори, які беруть участь у проміжних перетвореннях, але не входять до складу продуктів. Як фотокаталізатори найчастіше використовують комплекси металів або дисперсії напівпровідників. Наразі найбільший інтерес у світовій літературі викликають напівпровідникові фотокаталізатори, з якими пов'язують перспективи реалізації таких практично важливих процесів, як запасання сонячної енергії, реєстрація інформації, знешкодження токсичних домішок у повітрі, воді тощо. Такі фотокаталізатори вже знаходять місце у розробці нових пакувальних матеріалів, зокрема з антибактеріальними і антимікробними властивостями.
Згідно із сучасними уявленнями [4, 5], фотокаталітичні окислювально-відновні процеси, які лежать в основі багатьох реакцій, реалізуються за механізмом, ключовою стадією якого є хімічна взаємодія фотокаталізатора із субстратом, що зводиться до елементарних актів переносу електрона. Замкнутий цикл фотокаталітичної дії, а це є однією з необхідних умов для тривалого функціонування фотокаталітичної системи, здійснюється тоді, коли фотокаталізатор, під дією квантів світла з енергією, рівною або більшою за ширину забороненої зони напівпровідника, переходить в електронно-збуджений стан і віддає фотогенерований електрон зони провідності реагенту-акцептору, а фотогенерована дірка валентної зони захоплює електрон від реагента-донора. Як правило, результатом таких переносів електрона у фотокаталітичній системі є утворення активних реакційно-здатних частинок – радикалів, зокрема дуже сильного окисника - гідроксидних радикалів, які здатні індукувати окисні перетворення як багатьох органічних забруднювачів середовища, так і руйнувати клітинні мембрани патогенних мікроорганізмів.
Цілком очевидно, що у пакованнях для харчових продуктів, для цілей очищення від забруднень, можуть використовуватися речовини-фотокаталізатори, які самі по собі не є токсичними. Природно також, що як потенційні фотокаталізатори можна розглядати лише ті напівпровідникові сполуки, які проявляють високу стабільність у середовищах, де передбачається їхнє застосування. Досить важливою вимогою є здатність напівпровідникового фотокаталізатора адсорбувати компоненти середовища, чим створюються сприятливі умови для перебігу первинних редокс-взаємодій. Слід зазначити, нарешті, що у випадку широкомасштабного використання напівпровідникових фотокаталізаторів при створенні різних фототехнологій, у тому числі для активних паковань, будуть потрібні речовини, які характеризуються помірною вартістю й такою активністю, яка б забезпечувала економічну вигідність їхнього практичного застосування.
Зараз серед багатьох досліджених напівпровідників найбільш перспективними для цілей охорони довкілля вбачаються різні світлочутливі матеріали на основі діоксиду титану, який, як фотокаталізатор, задовольняє більшості із зазначених вище вимог. Як правило, використовуються фотокаталітично активні напівпровідникові покриття на різних носіях. Головне, що мається на меті при нанесенні фотоактивних шарів на різні підкладки (скло, папір, тканини, деревина, метали, синтетичні та штучні полімери тощо), – надання цим матеріалам здатності до фотокаталітичного окислення летких токсичних сполук у повітрі, а також до фотокаталітичного самоочищення поверхонь шляхом розкладу адсорбованих органічних сполук і патогенної мікрофлори. Такі матеріали на основі діоксиду титану виявилися активними в багатьох фотокаталітичних процесах, зокрема в реакціях окислення барвників, жирних кислот і фенолів, газофазного окислення оксидів вуглецю, азоту й летких органічних сполук, а також деструкції стінок бактерій. Вони також можуть бути використані для активних паковань і, взагалі, є надзвичайно перспективними у пакувальній галузі [6, 7].
Cлід зазначити, що найкращі сучасні білі друкарські фарби виготовляються на основі діоксиду титану. Тому проблема може полягати у синтезі спеціальних нанокомпозитів на основі ТіО2 з наданням їм фотокаталітичних властивостей для певного призначення з використанням класичної функції забарвлюючого компонента друкарських фарб.
Висновок. Друкарські і пакувальні технології мають забезпечувати існуючі й нові вимоги до тари і паковань. Зростаюча увага до питань безпеки харчових продуктів має спонукати до створення і розробки активних пакувань, коли складові пакувального матеріалу, або нанесені поліграфічним чином компоненти, здатні активно впливати на газову атмосферу всередині пакунків, призводити до знезараження мікроорганізмів харчових продуктів. Фахівці покладають великі песпективи і надії на розроблення фотокаталітичних систем в активних пакуваннях. Розвиток нанотехнологій дає підстави вважати це реальним, як і створення інтелектуальних паковань, що є важливим для логістики і безпеки харчових продуктів. Поєднання різних способів друку з використанням нових матеріалів сприятиме створенню естетично-інформаційних паковань високого художнього, рекламного та технологічного рівня.

Список використаних джерел: 1.Шерстюк В.П., Гуменюк О.В. Нанотехнології та друкарство // Технологія і техніка друкарства. – 2008. – № 3–4 (21-22). – С. 63-73. 2.Васютина В., Шерстюк В.П. Проблеми друкарської та пакувальної галузі у світлі досягнень нанотехнологій // Технологія і техніка друкарства. – 2010. – № 1 (27). – С. 65–82. 3.Шерстюк В.П., Швалагин В.В., Гуменюк О.В., Сторожук Л.П., Горбик П.П. Наносистемы в традиционных и новейших технологиях полиграфии // Химия высоких энергий. – 2008. – 42, № 4. – С. 61–63. 4.Stroyuk O.L., Kuchmiy S.Ya., Kryukov A.I., Pokhodenko V.D. Semiconductor catalysis and photocatalysis on the nanoscale. – N.Y.: Nova Sci. Publ., Inc., 2010. – 191 р. 5.Крюков А.И., Строюк А.Л., Кучмий С.Я., Походенко В.Д. Нанофотокатализ. – К.: Академпериодика, 2013. – 612 с. 6.Mills A., Doyle G., Peiro A.V., Durrant J. Demonstration of a novel, flexible, photocatalytic oxygen-scavenging polymer film // J. Photochem. Photobiol. A: Chem. – 2006. – 117, N 2–3. – Р. 328–331. 7.Wist J., Sanabria, J., Dierolf J., Torres C., Pulgarin W. Evaluation of photocatalytic disinfection of crude water for drinking-water production // J. Photochem. Photobiol. A: Chem. - 2002. – 147, N 3. – Р. 241– 246.