Die Sperrwirkung einer Folie ist eine der wichtigsten Eigenschaften bei Verpackungen. Wir prüfen nicht nur auf Dichtigkeit insgesamt, sondern auch hinsichtlich spezieller Gase wie Sauerstoff, Wasserdampf oder auch CO2, N2 oder Luft.
In diesem Teil unserer Reihe DID YOU KNOW zu Barrierefolien dreht sich alles um das Messen von Barriereeigenschaften. Wir erläutern die Einheiten g/cm³/m²xdxbar und cm³/m²xdxbar und ordnen diese in die Begriffe niedrige, mittlere, hohe und ultra hohe Barriere ein.
Wir sprechen über die Prüfverfahren vom Prinzip her und erläutern Stolpersteine für die Praxis. So klären wir über das auf, was zusätzlich zu der Prüfnorm unbedingt an Parametern beachtet werden muss, damit Werte vergleichbar sind. Hier spielen neben den beiden üblichen Prüftemperaturen 23°C (gemäßigt) und 38°C (tropisch) auch der Feuchtigkeitsgehalt – die relative Luftfeuchtigkeit – eine wesentliche Rolle. Und zwar muss diese auf der Prüf- und auf der Sensorseite beschrieben und identisch sein, damit eine Vergleichbarkeit gegeben ist.
Die anderen Teile zu DID YOU KNOW rund um das Thema Flexpackwissen von Innoform finden Sie hier auf Youtube. Abonnieren Sie gerne den Kanal oder schauen Sie einfach regelmäßig in unseren Newsletter.
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Und hier geht es direkt zur Playlist DID YOU KNOW – Folienwissen von Innoform.
Fragen und Kommentare sowie Anregungen senden Sie bitte an ks@innoform.eu.
Permeation gliedert sich in 3 Schritte: Adsorption der Moleküle an der Oberfläche, Diffusion der Moleküle durch das Material und Desorption – das Entmischen der Moleküle und Lösen, z. B. im Füllgut. Wenn diese Schritte in einem konstanten, gleichförmigen Prozess ablaufen, lässt sich die Permeationsrate errechnen und messen. Zu diesen Grundlagen erörtert Karsten Schröder Details für alle, die sich mit Folienverpackungen und Barriere-Messungen sowie Barriere-Materialien befassen.
Erfahren Sie in diesem Video Hintergründe zum Mechanismus und zu den Verbesserungspotenzialen, um Barrierefolien dichter zu machen.
Did you know: Porosität und Permeation gehören nicht in eine Schublade und basieren auf völlig unterschiedlichen Mechanismen. So spricht man von Porosität für das Durchdringen und/oder Durchströmen von z. B. Gasen durch poröse Schichten, wie Defekte in Aluminiumfolien (Poren) oder auch Fehlstellen in anorganischen Barriereschichten wie SiOx und AlOx.
Bei Kunststoffen ohne Poren spricht man hingegen von Permeation, die als Diffusion in der Physik gut beschrieben ist. Diese Permeation, um die es hier gehen soll, hängt vor allem von diesen Faktoren ab:
Temperatur
Zeit
Feuchte => Konditionierungszustand
Material
Kristallinität
Dichte
Dicke
Permeand (Gas)
Partialdruck
Der Partialdruck ist der Druck, der einem Gas in einer Gasmischung zufällt. Bei Meeresniveau und 1013 mbar Luftdruck und 21 % Sauerstoff in der Luft entspricht das einem Partialdruck, der quasi die Haupttriebfeder für die Permeation darstellt, von 213 mbar.
Bei anderen Druckverhältnissen, Mischungen und mehr oder weniger Sauerstoff in der Verpackung steigt der Druck zum Gasaustausch oder er fällt. Wenn beispielsweise schon einiges an Sauerstoff in die Packung permeiert ist, verläuft die Permeation von außen nach innen immer langsamer.
Schaut man sich an, welche Schritte bei der Permeation im und an dem Material ablaufen, so sind das im Wesentlichen diese drei:
Adsorption
Diffusion
Desorption
So muss sich erst das Gas an der Oberfläche lösen, dann durchdringen (diffundieren) und dann wieder entmischen aus dem Material in die andere Atmosphäre auf der Innenseite.
All das beschreibe ich mit einfachen Worten in dem aktuellen Did you Know Video – in der Reihe Flexpackwissen von Innoform.
Diese beiden ähnlich klingenden Bezeichnungen für Barrieren, die wir in Folienverpackungen einsetzen, stiften gelegentlich Verwirrung und sorgen für Missverständnisse. So sind die organischen Barrieren gleichbedeutend mit Kunststoffbarrieren. Die anorganischen dagegen bestehen demnach aus Stoffen, die wir nicht als Kunststoffe bezeichnen. Im Fachgebiet der Folientechnologie sind das:
Aluminiumfolien
Aluminium-Bedampfungen
Aluminium-Oxid-Bedampfungen
Siliziumoxid-Bedampfungen
Wie diese sich grundlegend unterscheiden und welche Eigenschaften damit einhergehen, haben wir in einem kurzen “Did you know Video” erläutert und in diesem Blogartikel schon einmal angerissen. Nun also noch ein ergänzendes Video für mehr #folienwissen.
Wenn Sie mehr über Barrierefolien und Folienverpackungsmaterialien wissen wollen oder müssen, stöbern Sie gerne einmal in unserem Themenbereich Grundlagen Verpackungsfolien. Dort finden Sie auch eine Reihe von sofort abrufbaren “Instant Webseminaren”, die auch immer mal wieder als Live-Event online angeboten werden. Aber auch Vor-Ort-Seminare mit Prof. Markus Schmid oder René Arm und Henrik Annighöfer sind aktuell wieder eingeplant.
Im zweiten Teil unserer Reihe #Folienwissen geht es dieses Mal um den Einfluss der Materialien auf Barrierewirkungen von Folien, insbesondere für Lebensmittelverpackungen. Der Laie denkt natürlich, dass nur das Material die Barriereeigenschaften bestimmt. Das ist aber nicht der Fall. Auch Verarbeitung und Kombination mit anderen Schichten bewirken Barriereveränderungen an Folienverpackungen. Das soll hier aber heute kein Thema sein.
Dennoch kommt dem Material eine grundlegende Bedeutung zu, denn die chemische Struktur der Rohstoffe und die Anordnung der Moleküle – die Kunststoff-Gefüge – spielen eine dominierende Rolle bei fast allen Eigenschaften der Folienverpackungen.
In dieser Grafik wird die allgemeine Bedeutung von unterschiedlichen Materialien beschrieben. Diese sehr grobe Einteilung nach Sauerstoffdurchlässigkeit (OTR = Oxygen Transmission Rate) und Wasserdampfdurchlässigkeit (WVTR = Water Vapour Transmission Rate) zeigt die grundlegenden Barrierewirkungen der Kunststoffe (organische Barrieren) und der Bedampfungen und Aluminium (anorganische Barriere). Diese sind hier unabhängig von Verarbeitung und Dicke sehr grob eingeteilt.
Quelle: Fraunhofer Institut, Prof. Dr. Langowski
Man kann erkennen, dass z. B. das PE kaum eine Barriere gegen Sauerstoff, aber durchaus eine nennenswerte gegen Wasserdampf aufweist. Daher wird es auch als Wasserdampfbarriere, z. B. in Papierverpackungen wie Zementsäcken, verwendet. Aluminiumfolie ist unangefochtener Spitzenreiter bei beiden Eigenschaften (OTR und WVTR). Dazwischen liegen die anorganischen Beschichtungen, auch Bedampfungen genannt – die Metallisierung (Met.), Aluminiumoxid (AlOx) und das Siliziumoxid (SiOx). Diese anorganischen Barrieren zeigen eine gute Sperrwirkung gegen beide Gase im Gegensatz zu den meisten Kunststoffen, den organischen Barrieren, die eher immer nur gegen eines der beiden Parameter – Sauerstoff oder Wasserdampf – gute Barrieren liefern.
In dem kurzen Video erhalten Interessierte weitere Informationen zwischen den Zeilen und einen Einblick in unsere beliebten Webseminare.
In unserer Reihe #Folienwissen für alle geht es heute um die Einstufung von Barrierefolien. Wann fängt Barriere an und was ist eine Hochbarriere überhaupt? Wenn wir diesen Begriff der Barriere verwenden, muss erst einmal klar werden, um welche Barriere es sich handelt. Meistens betrachtet man theoretisch die beiden “gegenläufigen” Barrieren Sauerstoff- und Wasserdampfbarriere, die für Lebensmittelverpackungen von besonderer Bedeutung sind.
Wasserdampfbarriere beschreibt dabei die Neigung, das Austrocknen zu verhindern und die Sauerstoffbarriere gibt Anhaltspunkte dafür, wie lange ein Sauerstoff empfindliches Lebensmittel haltbar gemacht werden kann. Die Kehrwerte/Gegenteile nennt man anstatt Barriere Durchlässigkeit.
Hier haben wir einmal eine grobe Übersicht erstellt, wie man diese abstrakten Eigenschaften flexibler Verpackungen einstufen kann. Bevor wir da aber einsteigen, vorab kurz zu den Einheiten und Rahmenbedingungen:
Permeation, also Barriere, ist temperaturabhängig
Organische Barriere zeigt zudem noch eine Abhängigkeit zum Feuchtegehalt in der Barriereschicht bzw. der Umgebung
Sauerstoffbarriere wird in cm³/m²xdxbar angegeben (d=day=Tag, und bar steht für die Druckdifferenz zwischen innen und außen
Wasserdampfdurchlässigkeit gibt man hingegen in g/m²xdxbar
Um sich etwas vorstellen zu können, erklären wir die Messgröße immer so: Die Sauerstoffdurchlässigkeit gibt die Menge an Sauerstoff in cm³ an, die pro Tag und pro Quadratmeter Folie hindurch permeiert sprich durchdringt. Dabei entspricht ein Kubikzentimeter (cm³) etwa einem Stück Würfelzucker.
Zu diesem Thema gibt es übrigens auch ein kurzes rund 6-minütiges Video, in dem ich intensiver bespreche. Klicken Sie doch einfach mal auf die Tabelle.
Wenn Sie einmal selbst überschlagen wollen, welche Barriere ein bestimmter Folientyp hat, dann nutzen Sie gerne unseren kostenlosen Permeationsrechner des Innoform Testservice. Dort machen wir reichlich Permeationsmessungen mit allen gängigen Versuchsaufbauten und Gasen, die für die Praxis relevant sind.
Fragen, Kommentare oder Ergänzungen und Korrekturen gerne an ks@innoform.de
In unserer Reihe #folienwissen, geht es heute wieder um Begriffe, die viele benutzen und einige nicht richtig einordnen können. Wir nähern uns heute einmal den Begriffen der kleinsten Teilchen der Kunststoffe. Dabei beginne ich hier mit dem Molekül des Polypropylens. Es unterscheidet sich ja nur in einem Detail vom Polyethylen – der zusätzlichen CH3- oder auch Methylgruppe genannt. Und weil sich die beiden PE und PP so ähnlich sind, gehören diese auch zu einer Obergruppe, den Polyolefinen. Sie ähneln sich in der Verarbeitung, den Eigenschaften, der Polymerstruktur und auch der Recyclingfähigkeit. Nimmt man z.B. PE/PP Verbundfolien und untersucht sie auf Recyclingfähigkeit in mechanischen Verfahren, so lassen sich diese gut zusammen wiederverwerten.
Hier links im Bild ist die Strukturformel einmal dargestellt. Drei Kohlenstofffatome in der Monomereinheit, der kleinsten Einheit in dieser Betrachtung, und 6 Wasserstoffatome – und fertig ist das Polypropylen.
Im mittleren Bild sehen wir die längliche Form des Polypropylens mit weniger Vergrößerung. “Poly”, aus dem griechischen für viel, zeigt schon an, dass es ziemlich viele Polymere sind, die man da zu Molekülketten zusammen polymerisiert. Und da kommen wir schon zum nächsten Detail, dem Herstellungsprozess der Polymerisation. Diese langen, Spaghetti ähnlichen Moleküle bestehen oft aus mehr als 100.000 Monomeren, den Propylenen, und werden so zum Polypropylen.
Zoomt man nun noch etwas weiter raus und verringert dadurch die Vergrößerung, so findet man das s.g. Polymer-Gefüge, auch Kunststoffgefüge genannt. Man sieht dann übergeordnete Strukturen, die sich in amorphe und kristalline Bereiche unterteilen lassen.
Die amorphen Bereiche zeichnen sich durch ein wildes Durcheinander aus. Man kann sich das wie ein Wollknäuel vorstellen.
Die kristallinen Bereiche hingegen sind schön geordnet nebeneinander und haben dadurch einen energetisch niedrigeres Niveau erreicht.
Zieht man nun an dem gesamten Gefüge, dehnen sich die amorphen Bereiche mehr als die kristallinen und sortieren sich dabei um. Man spricht von s.g. Verfestigungsmechanismen, Kaltverfestigung und Orientierung der Polymere oder in unserem Anwendungsfall eben der Folien.
Heute sprechen alle über voll recycelfähig, 100% rezyklierbar und 100% nachhaltige Folien. Aber was heißt das eigentlich für die Praxis? Generell kann man sagen, dass diese Begriffe überhaupt nicht geschützt oder ausreichend definiert sind. Das ist auch nur schwer möglich, denn je nach Materialgruppe, Recyclingverfahren und Kunststoffmix, kann das ganz anders interpretiert werden. Daher sagen wir auch bei Marketing-Claims: Achtung Green-Washing. Wenn uns nämlich jemand nachweisen kann, dass wir zwar 100% recyclingfähig sagen, aber gar keine genaue Vorstellung davon haben, was das heißen soll oder gar keine Untersuchung gemacht haben, kann es teuer werden. Es würde hier zu weit führen dieses Thema gleichzeitig zu behandeln. Mehr Informationen dazu liefert unser Webseminar:
Aber es gibt praxisnahe Lösungsvorschläge von den Recyclern. Monomaterialfolien oder insgesamt Monomaterial-Verpackungen gelten als gut wiederverwertbar und recyclingfähig. Und das gilt erst einmal für alle Recyclingverfahren, ob mechanisches Recycling oder chemisches Recycling, Einstoff-Fraktionen sind immer hilfreich und erhöhen die Qualität des Regenerates. Das Regenerat oder Regranulat ist der Stoff, der durch das Recycling gewonnen wird und wieder als Granulat oder Flakes in den Kunststoffkreislauf – alternativ und als Zusatz zur Neuware – eingesetzt wird.
Nun gibt es aber ja auch noch den Begriff der Monofolie. Diese Wortschöpfung hingegen bezeichnet nur die Folien, die aus einer Schicht bestehen. Diese sind oft auch nur aus einem Material hergestellt. Normalerweise werden tatsächlich auch nur Materialien in dieser einen Schicht gemischt, die gut miteinander mischbar (kompatibel) sind und daher meistens aus einer Materialgruppe stammen.
Monofolie aus einer Schicht und meistens auch aus Monomaterial aber als Mischung z.B. PE-LD, PE-LLD
Diese werden unterschieden von den Verbundfolien, die sich wiederum in 2 Gruppen unterteilt:
Coextrudierte Verbundfolien
Kaschierte Verbundfolie (mittels Klebstoff- oder Extrusionskaschierung)
Coextrudierte Verbundfolie sowohl Monomaterial, meistens aber noch Multimaterial z.B. PA-PE-EVOH-PE
Kaschierte Verbundfolie, meistens Multimaterial, aber auch Monomaterial möglich, hier PET-BO/AL/PA-BO/PP
Wir tun also alle gut daran, die Begriffe Monomaterial und Monofolie auseinander zu halten und den Unterschied zu kennen und zu berücksichtigen, wenn wir kompetent über Folien und Folienverpackungen diskutieren und diese immer nachhaltiger machen. Und diese Nachhaltigkeit erzeugen wir auch dadurch, dass wir mehrschichtige Verbundfolien entwickeln, die aber aus Monomaterialien bestehen, um die vielfältigen Eigenschaften, die an eine Verpackungsfolie gestellt werden, zu erfüllen.
Beispiele für Monomaterialverpackungen in diesem Sinne der Recyclingfähigkeit sind die beiden ersten Beispiele. Die kaschierte Verbundfolie mit Aluminium hingegen ist schwer stofflich zu verwerten, also zu recyceln, da das Aluminium nicht gut mit dem Kunststoff zusammen recycelt werden kann. Es müsste getrennt werden, was aber meistens zu aufwendig wird. Es bleibt also meistens nur die Verbrennung oder Deponielagerung, was wir strikt vermeiden wollen und sollen.
Verbundfolien aus PP-BO kaschiert zu PE-LLD gelten aber als Monomaterialien, da sie aus einer Stoffgruppe der Polyolefine stammen und gut miteinander recycelt werden können. Besser wäre natürlich reines PE oder reines PP, aber das funktioniert praktisch oft noch nicht gut genug. Man will ja gerade die unterschiedlichen Eigenschaften der Rohstoffe PE und PP kombinieren für die Verwendung.
Was bedeuten eigentlich die Begriffe organische und anorganische Barriereschichten? Darum geht es nicht nur in diesem Beitrag, sondern auch beim 4. Inno-Talk am 21. Mai.
Einfach ausgedrückt sind die organischen Barriereschichten auf Kunststoffen basierend.
Es sind Schichten wie
Polyamid (PA)
Ethylen-Vinylalkohol (EVOH)
Poly-Acrylnitril (PAN)
Polyvinylidenchlorid (PVDC), welchem aber eine Sonderrolle zufällt.
Allgemein lässt sich sagen, dass diese Schichten in nennenswerten Dicken in Folien vorliegen müssen, damit diese ihre Barriere insbesondere gegen Sauerstoff und Aromen/ Gerüche ausbilden können. Hier sind von einigen wenigen µm (1000tel mm) bis hin zu 100 µm üblich für Folienverpackungen. Insbesondere beim EVOH pendeln sich die üblichen Schichtdicken im Bereich von 2 – 10 µm für Verpackungszwecke ein.
Die notwendige Schichtdicke ergibt sich dabei aus der Anforderung des verpackten Gutes und der Eigenschaft des Materials. So ist beispielsweise PA wesentlich “durchlässiger” gegenüber Sauerstoff als EVOH oder PVDC, aber deutlich dichter als PE und PP.
Wer einmal seine Folien “durchrechnen” möchte, kann dieses kostenlos mit dem Innoform Permeationsrechner tun. Hier ein paar Beispielrechnungen üblicher Verbundfolien:
Dieser Verbund ist ein Standard für Verpackungsfolien ohne besondere Barriereanforderungen gegen Sauerstoff und Aromen durch das Füllgut. Beispiele sind Snacks, Waschmittel oder Süßwaren.
Die PA/PE Verbunde hingegen bieten schon einen deutlich besseren Schutz gegen Sauerstoff und Aromen. Hier werden nur durch den Austausch der PET-BO Folie durch eine PA-BO Folie deutliche Verbesserungen (Faktor 3) erreicht. Beispiele hierfür sind eingelegte Gemüse-, Fisch- und Fleischverpackungen sowie alles, was eine erhöhte Durchstoßfestigkeit verlangt. Denn Barriere ist nur eine von vielen Anforderungen an Folienverpackungsmaterialien.
Die Folie mit der größten Sperrwirkung gegen Sauerstoff und Aromen ist die EVOH-Variante. Diese Folien werden im Gegensatz zu den o.g. Varianten im Koextrusionsverfahren hergestellt und können dann anschließend ebenfalls weiter mit Klebstoff kaschiert werden – z.B. zu PP-BO, um eine bessere Maschinengängigkeit zu erlangen. Diese Konstruktionen bieten nicht nur den Vorteil der besten Barriere, sondern ermöglichen auch ein “Monomaterial” aus reinen Polyolefinen, zu denen PP und PE, aber auch EVOH gezählt werden, und die sich durchaus gemeinsam mechanisch recyceln lassen.
All diese organischen Barriereschichten eint, dass sie thermoplastisch sind und mit der Extrusion hergestellt werden können. Das macht sie insbesondere für Folienanwendungen so interessant. Nachteile gibt es aber natürlich auch. All diese Materialien zeigen einen Abfall der Barriere bei höheren Feuchtigkeiten und eine Abnahme der Barriere bei steigender Temperatur. Eine Ausnahme bildet das PVDC, welches man aber u. a. aus Umweltgründen aus der Lebensmittelverpackung verbannt hat.
Die anorganischen Barrieren wie Aluminiumfolien in 6-12 µm (AL), die wir hier nicht näher betrachten, aber vor allem Bedampfungen wie
AL-Metallisierungen (met)
Siliziumoxid (SiOx)
Aluminiumoxid (AlOx)
zeigen diese Abhängigkeit vom Klima auf die Barriereeigenschaften nicht. Daher sind gerade bei Verpackungsentwicklern zunehmend die Bedampfungen attraktiv. Sie sind transparent oder silbrig glänzend – je nach Ausführung. Sie zeigen Barrierewerte wie die EVOH-Schichten im Top-Level und sind enorm kostengünstig herzustellen. Nachteil ist: Sie sind kratzempfindlich und offline zu beschichten. Dennoch zeigen sich zunehmende Mengen in den Regalen. Auffallend bei diesen anorganischen Bedampfungen
AlOx
SiOx
AL-Metallisierung
ist die sehr geringe Schichtdicke von einigen wenigen hundert Nanometern. Diese Schichten sind so dünn, dass aus heutiger Sicht keine Beeinträchtigung beim mechanischen Recycling zu erwarten oder bisher zu beobachten ist.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die anorganischen Bedampfungen auf dem Vormarsch zu sein scheinen ob ihrer genialen Eigenschaftsprofile. Das reine Aluminium als Folie wird dadurch maßgeblich verdrängt. Motoren dafür sind Kosten und Entsorgungs-Sorgen. Die organischen Schichten hingegen punkten bei besonders beanspruchten Materialien wie Thermoformfolien oder extremen Knitterbeanspruchungen. In tropischen Klimaten sowie Sterilisationsanwendungen verlieren diese zu Gunsten der Bedampfungen oder auch noch den Alu-Folien an Boden.
Einige Webseminare für Verpackungshersteller und Abpacker.
Mit EPEA Switzerland GmbH in Persona Albin Kälin bieten wir bei Innoform nun eine Webseminar-Reihe zum Thema C2C, wie Cradle to Cradle oft abgekürzt wird, an.
Wie viele wissen, setzen wir uns schon seit 2013 für dieses Prinzip in der Form ein, als dass wir immer mal wieder Vorträge in Events einstreuen und als Innoform z.B. für den Begriff Materialgesundheit werben.
Professor Braungart, der als Erfinder dieses Systems gilt, wird mittlerweile nicht mehr als Träumer verspottet, sondern sehr ernsthaft auf höchster Ebene eingeladen, das C2C Prinzip zu erklären.
Die Idee ist, einfach davon wegzukommen, z.B. rund 600 Chemikalien für einen Joghurtbecher zu verwenden, von denen einige keine Aufgabe und andere nur Nebenwirkungen haben, da sie Spalt-/ oder Nebenprodukte sind. Hinzu kommt der Gedanke, dass Werkstoffe in einer Hand bleiben. Also der Kunststoffverpackungshersteller die Verpackung nur verleiht – somit das verpackte, transportierte, geschützte und marketingmäßig optimierte Gut zum Konsumenten bringt und nicht die Verpackung verkauft. Aber so weit geht es zunächst noch gar nicht. Der Beginn ist das Umdenken weg vom linearen Denken hin zum Kreislaufdenken.
Wir wollen Gestalter fundiert und systematisch mit drei aufeinander aufbauenden Online-Workshops in die Lage versetzen, selber Kreisläufe für und mit Verpackungen zu schließen.
