Материалы для прокладок в косметической упаковке: почему прокладки разбухают, протекают и выходят из строя

Данное руководство предназначено для инженеров по упаковке косметической продукции, специалистов по качеству брендов, подрядчиков по розливу, сотрудников отделов закупок и поставщиков. Термин “прокладка” используется в широком смысле; в статье проводится разграничение между плоскими прокладками для крышек, эластомерными шайбами и уплотнительными кольцами, формованными пробковыми уплотнениями и внутренними уплотнениями для индукционной сварки в тех случаях, когда их функции различаются.

Сначала определите, какой именно уплотнительный элемент у вас есть

Команды, занимающиеся упаковкой, часто используют прокладка, вкладыш, пачка, печать и шайба как будто это одна и та же деталь. Однако они не всегда взаимозаменяемы. Конструкция определяет, какие свойства имеют значение и каким образом деталь может выйти из строя.

Пенопластовая прокладка, которая восстанавливает герметичность после вскрытия, не является эквивалентом индукционной фольги, обеспечивающей индикацию первого вскрытия. Химически стойкая пленка из ПТФЭ сама по себе не является упругой прокладкой. Силиконовая шайба, используемая под воротником насоса, ведет себя иначе, чем силиконовое уплотнительное кольцо, закрепленное в канавке. Начинайте каждое исследование с чертежа, спецификации материалов и физического поперечного сечения конкретной сборки.

Как прокладка обеспечивает — и теряет — герметичность

При закручивании винтовой крышки момент затяжки резьбы создает осевую зажимную силу. Прокладка деформируется, прижимаясь к уплотнительной поверхности бутылки, и выравнивает небольшие неровности поверхности. Герметичность сохраняется только до тех пор, пока давление контакта остается постоянным по всей окружности и превышает силы, стремящиеся разъединить или обойти место соприкосновения.

Таким образом, усилие затяжки является входным параметром, а не самой прокладкой. Взаимосвязь между усилием затяжки и полезной силой зажима зависит от геометрии резьбы, коэффициента трения, материала крышки, жесткости вкладыша, смазки, формы горлышка бутылки и оборудования для укупорки. Измеряемое впоследствии усилие откручивания полезно для управления технологическим процессом, но не является прямым показателем микроскопического давления контакта прокладки.

Остаточная деформация при сжатии, релаксация напряжений и ползучесть под давлением

Эластомеры не восстанавливают свою форму в полной мере после длительного сжатия. Остаточная деформация при сжатии характеризует необратимую деформацию, сохраняющуюся после проведения установленной процедуры сжатия и восстановления. Релаксация напряжений описывает снижение силы при удержании деформации. Пластиковые крышки и встроенные уплотнительные элементы также могут подвергаться ползучести под нагрузкой. Тепло, как правило, ускоряет эти зависящие от времени явления.

Таким образом, упаковка может пройти проверку на инверсию в тот же день, а через несколько недель в ней может возникнуть утечка. Крышка может по-прежнему выглядеть плотно закрученной, но исходное усилие уплотнения ослабло. Циклические перепады температуры приводят к неравномерному расширению и сжатию бутылки, крышки и прокладки; в результате вибрация и манипуляции с упаковкой могут привести к нарушению герметичности на слабом месте соединения.

Геометрия определяет, в каком направлении действует сила

Поверхность горлышка должна быть достаточно ровной, сплошной и перпендикулярной оси. Овальность горлышка, швы формы, сколы, обломки, впадины, узкая поверхность или чрезмерные колебания высоты могут привести к концентрации нагрузки на одном участке и недостаточному сжатию другого. Также важны начало резьбы крышки, зацепление резьбы, плоскостность посадочной поверхности, углубление втулки и диаметр втулки. Руководство компании «Бою» по Типы горлышек пластиковых бутылок и размеры резьбы описывает входной интерфейс, герметизацию которого должна обеспечивать прокладка.

Почему косметическая прокладка разбухает, сжимается, размягчается или затвердевает

В инженерном справочнике Паркера описаны три механизма, которые могут действовать одновременно при контакте эластомера с жидкостью: материал впитывает среду; среда извлекает пластификаторы или другие компоненты состава; либо химическая реакция изменяет полимерную сеть. В результате может наблюдаться набухание, усадка, размягчение, затвердевание, потеря прочности или охрупчивание.

Поглощение и набухание

Ароматические ингредиенты, эфирные масла, базовые масла, растворители или другие компоненты рецептуры могут проникать в полимер. При этом объем увеличивается, а твердость может снижаться. Небольшое равномерное увеличение объёма может поначалу улучшить контакт в статическом уплотнении, но это не является конструктивной стратегией: дальнейшее набухание может привести к деформации плоской прокладки, вытолкнуть её из углубления, сузить проход насоса или снизить сопротивление разрыву и экструзии. Детали, находящиеся в ограниченном пространстве, могут вести себя иначе, чем образцы, свободно погружённые в жидкость.

Извлечение, сжатие и кажущиеся ложные проходы

Состав может вымывать низкомолекулярные добавки из прокладки. Деталь может усаживаться или затвердевать, что приводит к снижению контактного давления. Поглощение и экстракция могут происходить одновременно, поэтому практически нулевое чистое изменение массы или объёма не свидетельствует о химической стабильности: поглощение может маскировать потерю материала. Сравнивайте массу, размеры, твёрдость, внешний вид и, если это оправдано риском, экстрагируемые или выщелачиваемые вещества, содержащиеся в составе — а не только одно число.

Влияние температуры, времени и площади поверхности

Повышение температуры, как правило, ускоряет диффузию и скорость реакции, однако кратковременное воздействие высоких температур не всегда воспроизводит тот же механизм, что и длительное хранение в реальных условиях. Тонкие прокладки и вкладыши из пеноматериала могут изменяться быстрее, чем толстые формованные детали, из-за своей геометрии и площади поверхности, подверженной воздействию. Пары состава могут воздействовать на прокладку даже в том случае, если упаковка хранится в вертикальном положении и жидкость визуально не соприкасается с уплотнением.

Для реализации полноценной стратегии старения следует использовать подход, основанный на оценке рисков программа проверки совместимости косметической упаковки и определить реалистичные сроки, руководствуясь принципами, изложенными в руководстве Бою по продолжительность теста на совместимость.

Сравнение материалов для прокладок в косметической упаковке

Приведенная ниже таблица представляет собой схему предварительной оценки и не заменяет собой испытаний. Термины “силикон”, “NBR” или “TPE” обозначают лишь семейство полимеров. Система вулканизации, соотношение сополимеров, твердость, наполнитель, пластификатор, краситель, последующая обработка, плотность вспененного материала, покрытие и рецептура поставщика могут существенно повлиять на эксплуатационные характеристики.

Что касается масел и парфюмерной продукции, следует ориентироваться на полный список ингредиентов, а не на маркетинговое обозначение “натуральное масло”. Продукция Boyu’s Категория «Флаконы для эфирных масел» может поддерживать выбор формата упаковки, но для прокладки или груши-капельницы по-прежнему требуется отдельное подтверждение совместимости. В случае банок следует выбирать контейнер и крышку в комплекте из ассортимент баночек для косметических кремов, а затем утвердить конкретное сочетание вкладыша и формулы.

Почему в полностью собранном узле по-прежнему наблюдается утечка

Набухшая прокладка — это видимое свидетельство, но она может быть не единственной причиной. В ходе тщательного исследования выделяют четыре категории неисправностей.

1. Отказ материала

Прокладка впитывает состав, теряет ингредиенты, разрушается, становится хрупкой, приобретает липкость или отслаивается от лицевой/опорной стороны. Пары состава, чистящие средства и производственные смазочные материалы должны быть включены в карту воздействия, если это уместно. Таблица совместимости поставщиков позволяет отсеять явно неподходящие варианты, но не может утвердить запатентованную ароматическую смесь.

2. Недостаточная или снижающаяся степень сжатия

Вкладыш может быть слишком тонким, слишком твёрдым или слишком маленьким; крышка может быть установлена ниже допустимого диапазона; либо релаксация напряжений и ползучесть крышки могут со временем привести к снижению усилие. Очень мягкий вкладыш может обеспечить герметичность сразу, но при этом потребует чрезмерного времени для затвердевания. Жесткая прокладка может сопротивляться усадке, но при этом не приспосабливаться к неровностям поверхности. Выбор заключается в поиске баланса, а не в стремлении к максимальной твердости или самой толстой прокладке.

3. Неисправность в геометрии или сборке

Смещение при вставке, скручивание вкладыша, заусенцы после высечки, перекос крышки и патрубка, неправильная нарезка резьбы, волнистость посадочной поверхности бутылки, овальность поверхности или то, что воротник насоса упирается в дно до сжатия прокладки — все это может привести к образованию локального зазора. Использование нескольких поставщиков повышает риск, поскольку номинальный размер горлышка не гарантирует соответствия геометрии резьбы и уплотнительной поверхности.

4. Отказ в условиях эксплуатации

Составы с низкой вязкостью и низким поверхностным натяжением проникают в более узкие промежутки, чем густые кремы. Горячее розливное производство, давление в свободном пространстве, пониженное давление при авиаперевозке, циклы замораживания–размораживания или термические циклы, вибрация, удар при падении, многократное вскрытие, загрязнение продукта при транспортировке и повторное закрытие потребителем могут превратить ненадежное уплотнение в утечку. Воспользуйтесь расширенным руководством Boyu по Распространенные причины протекания косметических флаконов для проверки соседних участков, подверженных поломкам, в насосах, местах обжима, вентиляционных отверстиях и корпусах бутылок.

Применимые стандарты — и то, чего они не доказывают

Ни один из стандартов ASTM, ISO, FDA или ЕС не предусматривает одобрение прокладки для всех косметических формул. Приведенные ниже полезные стандарты позволяют оценить отдельные аспекты данной проблемы. Бренд должен объединить их в протокол, основанный на оценке рисков, и сформулировать критерии приемки, специфичные для конкретного проекта.

В США Управление по контролю за продуктами и лекарствами (FDA) заявляет, что не устанавливает перечень испытаний для каждого косметического средства; компания-производитель обязана обеспечить и подтвердить безопасность продукта. В ЕС Приложение I к Регламенту (ЕС) № 1223/2009 требует, чтобы в информацию о безопасности косметического средства включались соответствующие характеристики упаковочных материалов, в частности их чистота и стабильность. Ни один из этих нормативных документов не указывает конкретный полимер, обязательный для использования в качестве уплотнителя в косметических средствах.

Протокол аттестации прокладок и уплотнений, обоснованный с технической точки зрения

1. Определите систему и риск. Укажите данные о составе продукта, вязкости, поверхностном натяжении, летучести, значении pH, температуре розлива, объеме свободного пространства над уровнем жидкости, сроке хранения, маршруте транспортировки, частоте повторного закрытия тары и последствиях утечки.
2. Зафиксируйте спецификацию. Укажите семейство полимеров, марку/состав поставщика, твердость, систему отверждения (если применимо), цвет, лицевую сторону, обратную сторону, плотность пены, толщину, диаметр, клей и место производства. “Белая силиконовая прокладка” не является воспроизводимой спецификацией.
3. Измерьте детали с нулевым временем. Зафиксировать массу, толщину, диаметр, внутренний/наружный диаметр, твердость для твердых эластомеров, внешний вид и сделать фотографии. Проверить углубление крышки, посадку вкладыша и уплотнительную кромку бутылки по каждой полости или источнику формования.
4. Запустите проверку на наличие контактов с материалом. Подвергните реальные детали прокладок или подходящие образцы воздействию реального состава и соответствующих контрольных образцов при указанной температуре и в течение указанного времени. Измерьте массу, объем/размеры, твердость, липкость, наличие трещин, цвет, запах и отслоение. Применяйте положения стандарта ASTM D471 только в тех случаях, когда это соответствует сфере применения указанных в нем образцов и методов.
5. Не ограничивайтесь только свободным погружением. Соберите бутылки, прокладки и крышки, предназначенные для серийного производства. Прокладка, находящаяся в зажатом состоянии, подвергается иным нагрузкам и не может свободно расширяться; крышка и бутылка также влияют на ползучесть и геометрию.
6. Регулируйте усилие затяжки. Установите крышку с помощью откалиброванного оборудования в заданных нижней, номинальной и верхней точках в пределах безопасного диапазона. Зафиксируйте фактический приложенный крутящий момент. Измерьте крутящий момент срыва в момент времени «ноль» и в запланированных точках старения, не рассматривая этот показатель как единственный результат проверки герметичности.
7. Используйте реалистичные ориентации и условия. При необходимости предусмотрите вертикальное, боковое и перевёрнутое хранение, чтобы жидкость и пары подвергали уплотнение испытаниям. Добавьте соответствующие циклы изменения температуры, условия низкого давления или транспортные условия, а затем обеспечьте хранение образцов в режиме реального времени.
8. Правильно измеряйте утечку. Используйте визуальные индикаторы, гравиметрическое измерение изменения массы, вакуумное пузырьковое тестирование, измерение падения давления/вакуума или методы с использованием трассеров в зависимости от типа упаковки и минимальной допустимой утечки. Сравнение компании «Бою» методы испытания косметического флакона на герметичность помогает выбрать подходящий вариант измерения.
9. Проверяйте после выдержки и после вскрытия. Записывайте траекторию смачивания, отпечаток сжатия, положение вкладыша, изменения толщины/диаметра/твердости, состояние крышки и площадку бутылки. Повторяйте циклы повторного закрытия, если потребитель собирается вновь вскрыть упаковку.
10. Проверить безопасность и качество рецептуры. Сравните цвет, запах, вязкость, pH и другие показатели стабильности препарата с соответствующим инертным контрольным образцом. Решение о необходимости проведения анализа экстрагируемых веществ, выщелачиваемых веществ или целевой миграции должен принимать квалифицированный эксперт или лаборатория.
11. Испытайте дистрибуцию. Проведите испытания укомплектованных первичных упаковок, находящихся в конечных картонных коробках/транспортных упаковках, с применением соответствующих циклов испытаний на вибрацию, падение, сжатие, температуру и давление; произведите осмотр сразу же после испытаний и после восстановления.
12. Заранее определите критерии приемлемости. Перед просмотром результатов укажите критерии герметичности, допустимое изменение массы, размерные и механические ограничения прокладки, диапазон удерживающего момента, пределы усилия открытия, формульные характеристики, размер образца, а также правила в случае отказа или повторного испытания.

Используйте несколько единиц измерения для гнезд бутылок, гнезд крышек и партий прокладок. Средние значения могут скрыть одну смещенную прокладку или один высокий выступ. Разделяйте проницаемость или испарение от общей утечки: упаковка может терять летучие вещества без видимой влажности, а влажная крышка может быть следствием вентиляции насоса, а не утечки в месте соприкосновения с прокладкой.

Проводите диагностику, ориентируясь на характер неисправности, а не на догадки

Как на заводах предотвращают утечки, связанные с прокладками

Обратите особое внимание на входящую прокладку как на критически важный компонент

В техническом задании на закупку должны быть указаны марка или состав материала, конструкция, толщина, диаметр, твердость/плотность (если применимо), лицевая и обратная стороны, цвет, место производства и утвержденный поставщик. Входной контроль может включать проверку соответствия спецификации (если это оправдано уровнем риска), а также проверку размеров, массы, твёрдости, дефектов пенопласта, качества краёв высечки, загрязнений, скручивания, расслоения и удержания подложки в крышке. Необходимо отслеживать каждую партию до готовой серии.

Контроль установки и применения защитной крышки

Контролируйте наличие, ориентацию и центрирование вкладыша. Проведите калибровку оборудования для затяжки, проверьте стабильность работы укупорочной головки и отрегулируйте опору для бутылок, чтобы упаковка не деформировалась во время измерения. Установите контрольные значения “низкий/номинальный/высокий” для технологического процесса, затем измерьте сохранность момента затяжки и герметичность после заданной выдержки; не следует «повторно затягивать все», если это не требуется в соответствии с валидированным технологическим процессом.

Следует выпускать систему в целом, а не отдельные её части

Отчеты о размерах бутылок, крышек и прокладок могут быть признаны приемлемыми, хотя суммарные допуски не соответствуют требованиям. Соберите согласованную систему, используя типовые образцы компонентов с максимальными и минимальными характеристиками, заполните её производственной смесью и проведите установленные проверки на герметичность и момент затяжки. A формат упаковки средств по уходу за кожей должна быть отслежена до источника и утверждена с учетом запланированного изъятия из оборота, а не как «брошенная бутылка».

Рассматривать изменения “в одном и том же материале” как потенциально функциональные

Изменение поставщика, состава смеси, метода отверждения, твердости, красителя, смазочного материала, плотности пены, толщины, облицовочной пленки, клея, процесса высечки, доли вторичного сырья, материала крышки или места производства может потребовать проведения оценки рисков и повторной аттестации. Воспользуйтесь услугами компании Boyu Рабочий процесс аттестации вторичных поставщиков упаковки прежде чем менять поставщика прокладок или заглушек.

Что делать, если производственные прокладки разбухают или в упаковках появляются утечки

1. Партии, подвергшиеся карантину. Храните заполненные единицы продукции в том виде, в каком они были получены: неоткрытые контрольные образцы, отдельные компоненты и остатки смеси. Ведите учет бутылок, крышек, прокладок, наполнителей и головок для укупорки.
2. Подтвердите наблюдение. Проверьте балансировку, тестер крутящего момента, подготовку, ориентацию при хранении и метод испытаний. Сравните с утвержденной сохраненной партией, прошедшей испытания в тех же условиях.
3. Определите путь утечки. Определите: состояние уплотнительной прокладки, резьбу крышки, дефекты бутылки, состояние насоса, обжим и вентиляционное отверстие, а также наличие просачивания. Сфотографируйте первое место появления влаги перед разборкой.
4. Охарактеризуйте прокладки, подвергшиеся воздействию, и прокладки, не подвергшиеся воздействию. Сравните размеры, массу, твердость, поверхность, липкость, отпечаток при сжатии и повреждения. При подозрении на замену воспользуйтесь услугами по идентификации материалов или аналитической поддержкой.
5. Проведите стратификацию данных. Обратите внимание на влияние таких факторов, как полость для бутылки/крышки, рулон или партия прокладок, смещение узла, укупорочная головка, партия сырья, температура розлива и условия хранения.
6. Разделите химию и механику. Проведите испытания прокладки с подтвержденной исправностью, но сомнительной геометрией, и прокладки сомнительной геометрии, но с подтвержденной исправностью. Изменяйте по одному фактору за раз или используйте плановый эксперимент, если вероятно наличие взаимодействий между факторами.
7. Осуществить меры по устранению неисправностей (CAPA) и провести повторную проверку. Устраните неисправности, связанные с составом, толщиной, облицовкой, геометрией, контролем крутящего момента/технологического процесса или поставщиком. Повторите испытания на совместимость, герметичность соединения, утечки и равномерность распределения. Не допускайте продукцию к выпуску, расширяя допустимые пределы после получения результатов.

Другие проблемы, связанные с прокладками, заслуживают изучения даже при отсутствии видимой утечки: поглощение или выделение запаха, изменение цвета материала, экстрагируемые и выщелачиваемые вещества, отслоение внутреннего слоя, расслоение облицовочного слоя, коррозия фольги, затрудненное открывание, скрип уплотнителя, нестабильное повторное закрытие, образование частиц и изменения, связанные с микробиологическим риском, вызванные нарушением герметичности уплотнения.

Что следует включить в запрос предложений и соглашение о качестве

• полный профиль состава, включая ароматизаторы/эфирные масла, спирты/растворители, поверхностно-активные вещества, pH, вязкость, летучесть и чувствительные активные компоненты;
• предполагаемая упаковка, форма горловины, размеры уплотняющей поверхности, тип крышки, индукционная герметизация или конструкция пробки, объем наполнения и свободное пространство над содержимым;
• точные характеристики прокладки: конструкция, марка/состав материала, тип вулканизации или, при необходимости, покрытие/основа, твердость/плотность, толщина, внутренний/наружный диаметр и допуски;
• диапазон усилий затяжки, оборудование для укупорки, температура розлива, время выдержки, проверка усилия откручивания и предельное усилие открытия потребителем;
• условия совместимости, временные точки, ориентации, контрольные группы, размеры выборок, измеряемые конечные точки и критерии приемлемости;
• метод определения утечки и чувствительность, последовательность измерений по переносу, высоте и температуре, а также окончательная упаковка;
• отслеживаемость партий, сертификаты, контрольные образцы, методы испытаний входящих поставок, обязанности в случае несоответствия/CAPA и требования к уведомлению об изменениях;
• рыночная документация и необходимость предоставления квалифицированным экспертом данных о миграции, экстрагируемых и выщелачиваемых веществах.

Часто задаваемые вопросы

Источники

Приведенные ниже стандарты определяют сферу применения методов испытаний, а не универсальные пределы приемлемости косметических средств. Руководства по материалам служат для отбора образцов и анализа механизмов действия; для окончательного утверждения требуются фактическая формула и упаковка.

• ASTM D471-16a(2021) — Влияние жидкостей на свойства резины
• ASTM D395-18(2025) — Остаточная деформация резины при сжатии
• ASTM D2063/D2063M-24 — Сохранение момента затяжки у крышек с непрерывной резьбой
• ASTM D3474-23 — Калибровка и использование динамометров для измерения момента затяжки упаковок
• ASTM D4991-25 — Испытание пустых жестких контейнеров на герметичность вакуумным методом
• Справочник по уплотнительным кольцам Parker — механизмы набухания, усадки и остаточной деформации при сжатии эластомеров
• Trelleborg — Руководство по химической совместимости уплотнительных материалов
• Saint-Gobain — Сравнение материалов для внутренней облицовки и рекомендации по проектированию
• Управление по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) — Испытания косметических средств и ответственность производителей
• Регламент ЕС (ЕС) № 1223/2009, Приложение I — сведения об упаковочных материалах в отчете о безопасности
• Cosmetics Europe / CTFA — Руководство по испытаниям косметических средств на стабильность