Aufmerksam geworden bin ich durch den Hinweis im Newsletter der Pack-aktuell auf die Mineralöl-Berichterstattung des Schweizerischen Fernsehens. Die Sachlage ist gut verständlich dargestellt und entspricht auch meinem Kenntnisstand. Eine gute, erste Information für alle, die sich mit dem Thema Mineralöle aus/durch Verpackungen in Lebensmitteln beschäftigen möchten. http://www.srf.ch/wissen/natur-umwelt/mineraloel-in-lebensmitteln-neue-verpackungen-alte-probleme
Kategorie: Folienherstellung/Veredelung
Hier spielen neben die üblichen mechanischen Prüfungen immer mehr auch Sonderprüfungen für Sonderanwendungen eine Rolle. Ist die Folie glatt genug, ist sie für den Anlagentyp zur Verarbeitung geeignet. Wir geben Antworten auf diese komplexen, aber einfach klingenden Fragen.
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Beurteilung der UV- Beständigkeit von Kunststofffolien für Außenanwendungen nach beschleunigter Alterung durch Xenonbogenstrahlung im Laborversuch
von Klaus Behringer
1 Einführung
Als UV-Beständigkeit wird im täglichen Sprachgebrauch der mit Folienfragen Beschäftigten zumeist die Materialbeständigkeit einer Folie bei Lagerung im Freien angesehen. Eine Lagerung im Freien umfasst neben der Einwirkung des UV-Anteils des Sonnenlichtes naturgemäß viele weitere alterungsrelevante Einflüsse, wie z.B. die Einwirkung von Nässe, Temperaturschwankungen, Schadstoffen, Wind, etc. Dass nicht all diese Einflussgrößen in einem einzigen Laborversuch simuliert werden können ist naheliegend und daher auch Bestandteil der Einleitungstexte diverser Normen zu diesem Thema (siehe z.B. E DIN EN ISO 4892-1:2014-03, Seite 4[1]).
Die zeitraffende Alterung einer Folie durch UV- Licht, z.B. unter Verwendung gefilterter Xenonbogenstrahlung, stellt somit lediglich einen Teilaspekt der Beständigkeit gegen Freibewitterungseinflüsse dar. Die Überprüfung der UV- Beständigkeit auf Basis von zeitraffenden Bestrahlungsversuchen mit Xenonbogenstrahlung kann daher schon aus diesem Grunde lediglich eine grobe Abschätzung des möglichen Verhaltens unter realen Freibewitterungsbedingungen erlauben.
Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass man von Gerätebewitterung statt Gerätebestrahlung spricht, wenn die Proben während der Bestrahlung zusätzlich in festgelegten Zyklen mit Wasser besprüht werden.
2 Situation in der Praxis
Die UV- Beständigkeit spielt bei vielen Anwendungen von Folien im Außenbereich eine entscheidende Rolle. Gesicherte Aussagen zur Beständigkeit von Kunststofffolien unter Praxisbedingungen lassen sich, o.g. Aussagen folgend, nur aus Freibewitterungsversuchen unter Realbedingungen ermitteln. Freibewitterungsversuche sind langwierig und werden daher in der Praxis nur selten, z.B. in Form von Fallstudien zur Validierung und Verifizierung von Gerätebestrahlungsversuchen, durchgeführt.
In der täglichen Praxis der Folienhersteller und Anwender stellt sich häufig die Frage nach einer Möglichkeit zur schnelleren und reproduzierbaren Beurteilung der UV- Beständigkeit von Kunststofffolien zum Zwecke einer orientierenden Abschätzung der möglichen Beständigkeit gegen Freibewitterungseinflüsse. Typischerweise finden die Ergebnisse Verwendung zur Bewertung von Produktionsversuchen und Neubemusterungen, Materialvergleichen oder zur Bearbeitung von Schadensfällen.
In der täglichen Praxis bei Innoform GmbH Testservice handelt es sich dabei überwiegend um Materialien, die für Freibewitterungszeiträume von einem halben Jahr, einem Jahr oder zwei Jahren vorgesehen sind. Die Beurteilung von Folien mit längerer Beständigkeit wird seltener nachgefragt.
Eine bewährte Methode ist die bereits genannte künstliche Bestrahlung nach DIN EN ISO 4892-2[2] in Laborgeräten mit Xenonbogenstrahlung. Die Beurteilung der Alterung der Proben nach Bestrahlung erfolgt z.B. anhand physikalisch technologischer Kennwerte, die vergleichend an unbestrahlten und bestrahlten Proben durchgeführt werden, z.B. in Form von Zugversuchen nach DIN EN ISO 527-3[3]. Als Schädigungskriterium wird häufig eine Veränderung des jeweiligen Kennwertes um mehr als 50 % bezogen auf den Ausgangswert herangezogen, wobei dieses als Faustformel gilt und auch andere Festlegungen angewendet werden.
Neben der Festlegung einer geeigneten Prüfmethode sowie des Schädiguzngskriteriums stellt dabei die Festlegung der zur Simulation der unter Freilandbedingungen einwirkenden UV-Belastung heranzuziehenden Laborbestrahlungsparameter eine schwierige Problematik dar. Es gilt einen praktikablen Kompromiss aus der Beschleunigung der Alterung, resp. Laufzeit des Laborversuches und Übertragbarkeit der Ergebnisse auf die Praxis zu finden.
Ich werde im Folgenden zunächst auf die Abschätzung der unter Freilagerung zu erwartenden Globalstrahlung („Bestrahlungsdosis“) sowie im Weiteren dann auf die daraus ableitbaren Versuchsbedingungen für die künstliche Bestrahlung eingehen.
3 Auslegung von Gerätebewitterungsversuchen
3.1 Abschätzung der UV- Belastung (Dosis) bei der
vorgesehenen Freilandlagerung anhand
von GlobalstrahlungsdatenUnter Globalstrahlung versteht man vereinfacht, die gesamte senkrecht auf die Erdoberfläche einfallende Solarstrahlung mit einem Spektralbereich von ca. 300- 3000 nm. Die Jahressumme der Globalstrahlung schwankt international gesehen sehr stark. In Deutschland liegen diese Werte in der Größenordnung von ca. 900 – 1.200 kWh/m², in Spanien bei ca. 2.000 kWh/m², in der Sahara bei ca. 2.500 kWh/m².
(Anmerkung:1000 kWh/m² entsprechen ca. 86 Kilolangley, bzw. 3600 MJ/m²) Zur Auslegung von Gerätebestrahlungen empfiehlt sich zunächst eine grobe Ermittlung der zu erwartenden Jahresbestrahlung im geplanten Einsatzgebiet.
Genauere Globalstrahlungsdaten sind z.B. über den Deutschen Wetterdienst (DWD) unter http://www.dwd.de/DE/leistungen/solarenergie/solarenergie.html erhältlich.
Wie untenstehende beispielhafte Auflistung der Jahresmittelwerte der Station Würzburg des DWD für die Jahre 1981– 2010 zeigen, treten erwartungsgemäß Schwankungen der Jahresmittelwerte auf. Diese liegen beim vorliegenden Beispiel im Bereich von ca. 10 %. Diese Schwankungen sind hinsichtlich der Auslegung der Gerätebestrahlung unserer Ansicht nach nicht relevant.
Betrachtet man den Jahreslauf der Monatsmittelwerte für obiges Beispiel, so zeigen sich wesentlich größere Abweichungen durch die jahreszeitlichen bedingten Schwankungen. Diese sind bei der Auslegung von Gerätebestrahlungsversuchen zur Simulation kürzerer Freibewitterungszeiträume (< 2 Jahre) unbedingt relevant.
Der Auslagerungszeitpunkt kann eine wesentliche Rolle bei der Auslegung von Gerätebestrahlungen von Folien für einjährige Freilagerung (Jahresfolien) spielen. Wie die folgende Grafik der monatlich kumulierten Werte unseres Beispiels zeigt, hat eine Folie bei Auslagerung Anfang Januar bereits im Oktober praktisch die gesamte Jahresdosis „gesehen“.
Dieses kann zur Folge haben, dass ein UV-initiierter Alterungsprozess zu diesem Zeitpunkt im Herbst durch widrige Wettereinflüsse, wie starke Temperaturschwankungen, Wind oder Schlagregen zu einer vorzeitigen Schädigung einer Jahresfolie führen kann.
Bei der Auslegung von unterjährigen UV-Beständigkeiten stellt sich die Frage des Auslagerungszeitpunktes in besonderem Maße. Wie die kumulierten Ergebnisse für halbjährlich zu erwartende Bestrahlungsdosen zeigen, wirkt sich der Zeitpunkt der Auslagerung maßgeblich auf die Globalstrahlungsdosis aus, die ein Produkt während der Freibewitterung sieht. So kann ein Produkt bei Auslagerung im Frühjahr bereits nach einem halben Jahr ca. 80-90 % der Jahresdosis gesehen haben.
Zur Auslegung und Bewertung künstlicher Bestrahlungen bzw. Bewitterungen (Bestrahlung mit zusätzlichem Feuchteeinfluss, z.B. Besprühen mit Wasser) orientiert man sich an Globalbestrahlungsdaten für den relevanten Ort der Freibewitterung. Unter Berücksichtigung des vorgesehen Auslagerungszeitraums und des Auslagerungspunktes kann die Summe der zu erwartenden Globalstrahlung, also die Globalstrahlungsdosis, für den gesamten Freibewitterungszeitraum errechnet werden.
Diese Globalstrahlungsdosis dient als Grundlage zur Auslegung der Gerätebestrahlung, also in der Praxis zur Festlegung der Gerätelaufzeit bei einer definierten Strahlerleistung.
3.2 Festlegung der Gerätelaufzeit für eine festgelegte
Strahlerleistung zur Simulation einer
Freibewitterungsalterung durch
Sonnenlicht / UV- StrahlungDie zur Auslegung von Gerätebewitterungen ermittelte Globalstrahlungsdosis bezieht sich, wie oben gesagt, in der Regel auf einen Spektralbereich von ca. 300- 3000 nm.
Das in unserem Hause eingesetzte Gerät Q-SUN der Fa. Q-LAB arbeitet mit Xenonbogenstrahlern, die den Spektralbereich von ca. 270 -800 nm emittieren. Durch Filterung wird der im natürlichen Sonnenlicht nicht enthaltene Anteil der kurzwelligen UV-Anteile unterhalb von 270 nm eliminiert. Zusätzliche Filter erlauben die Simulation von Globalstrahlung hinter Fensterglas
(ab 320 nm).Die Bestrahlungsstärke E [W/m²] im Gerät wird gemäß DIN EN ISO 4892-22 mit einem UV- Sensor im Wellenlängenintervall 300 – 400 nm geregelt. Aus E [W/m²] und der Bestrahlungszeit in Stunden [h] ergibt sich die Bestrahlung (-sdosis) [kWh/m²] für den genannten Spektralbereich.
Aufgrund der unterschiedlichen Spektralbereiche unterscheiden sich naturgemäß auch die Zahlenwerte für den jeweiligen Energieeintrag. Zum Vergleich der Energieeinträge der Globalstrahlung mit denen der Gerätebestrahlungen müssen also die jeweiligen Energieanteile der Spektralbereiche errechnet werden.
In Ermangelung von Produktnomen für Folien mit eindeutigen Vorgaben für Gerätebestrahlungen zur Simulation definierter Freibewitterungszeiträume greift man zum Zwecke eines ersten abschätzenden Vergleiches auf die in E DIN EN ISO 4892, Anhang C1 genannte CIE- Publikation Nr. 85:1989 zurück.
Im dort definierten Sonnenspektrum (300- 2450 nm) beträgt der für die Kunststoffalterung maßgebliche Anteil der UV- Strahlung (ca. 300- 400 nm) 6,8 %. Auf Basis der in DIN EN ISO 4892-22 Anhang B empfohlenen Strahlerleistung von 60 W/m² für den Spektralbereich von 300- 400 nm ergeben sich z.B. Gerätelaufzeiten von rund 1000 h zur Simulation der Globalstrahlungsdosis eines Jahres in Deutschland bzw. Mitteleuropa.
Bei der Übertragung der Ergebnisse auf die Freilandbewitterung ist allerdings zu bedenken, dass der UV- Anteil der Globalstrahlung zwar einen wesentlichen Einfluss auf die Freibewitterungsbeständigkeit von Folien haben kann, es sich aber, wie bereits erwähnt, nur um einen Teilaspekt der Materialbeanspruchungen unter Freibewitterungsbedingungen handelt. Dieser alleine kann zu erheblichen Materialschädigungen und sogar zum Totalausfall führen. Andere Einflussgrößen wie Niederschlag, Tauwasser, Wind, Temperatur, Abgasemissionen etc. spielen aber eine nicht zu unterschätzende Nebenrolle und sind der Überprüfung mittels Gerätebewitterung nicht ohne weiteres zugänglich.
Zudem ist zu berücksichtigen, dass die Gerätebewitterung z.B. nach DIN EN ISO 4892-22 mit gefilterter Xenonbogenstrahlung das Sonnenlichtspektrum im Bereich von 300- 800 nm im Vergleich zu anderen Methoden, z.B. DIN EN ISO 4892-3[4] (UV- Leuchtstofflampen) und ISO 4892-4[5] (offene Kohlebogenlampen) zwar vergleichsweise gut nachahmt, die Spektren aber bei genauerem Hinsehen Abweichungen aufweisen, wie untenstehendes Abbildung zeigt.
(Quelle: Schulungsunterlagen, Q-LAB Deutschland GmbH, www.Q-Lab.com) Aufgrund der Komplexität ist es nachvollziehbar, dass z.B. gemäß DIN EN ISO 4892-11 sogenannte „Zeitraffungsfaktoren“, also direkte Korrelationsfaktoren zwischen Gerätebestrahlungen und Freibewitterung, als wenig empfehlenswert angesehen werden. Die Alterungsgeschwindigkeit beim praktischen Einsatz in der Freibewitterung kann erheblich von derartigen Zeitraffungsfaktoren, berechnet auf der Basis des Vergleiches von Globalstrahlungsdaten und Gerätebestrahlungsdaten, abweichen.
4 Fazit
Eine einfache, allgemeingültige Arithmetik zum Errechnen von maximalen Freibewitterungszeiträumen aus Gerätebewitterungsdaten ist wohl kurzfristig nicht in Sicht.
Dieses zeigt sich auch im Fehlen entsprechender Vorgaben in den einschlägigen Normen. Hier sei zu erwähnen, dass derzeit In einigen Normungsvorhaben betreffend Folien für den Agrarbereich Anstrengungen bestehen, entsprechende Vorgaben festzulegen.
Zur Beurteilung und Spezifizierung der Freibewitterungsstabilität von Kunststofffolien stellt die Gerätebestrahlung mit Xenonbogenstrahlung nach DIN EN ISO 4892-11 trotzdem ein pragmatisches Mittel dar. Es lassen sich reproduzierbare und objektiv überprüfbare Vergleichswerte anhand genormter Laborkennwerte (z.B. Zugversuch, Glanz, etc.) ermitteln, die z.B. zur Qualitätsüberwachung oder Überprüfung vereinbarter Qualitäten geeignet sind.
Klaus Behringer, Innoform GmbH, Januar 2016
[1] E DIN EN 4892-1:2014-03 Kunststoffe–Künstliches Bestrahlen oder Bewittern in Geräten–Teil 1: Allgemeine Anleitung (ISO/DIS 4892-1:2014);Beuth- Verlag, Berlin
[2] DIN EN ISO 4892-2:2013-06 Kunststoffe–Künstliches Bestrahlen oder Bewittern in Geräten–Teil 2: Xenonbogenlampen, Beuth- Verlag, Berlin
[3] DIN EN ISO 527-1:2012-06 Kunststoffe–Bestimmung der Zugeigenschaften–Teil 1: Allgemeine Grundsätze, Beuth- Verlag, Berlin
[4] DIN EN ISO 4892-3:2015-11 Kunststoffe – Künstliches Bestrahlen oder Bewittern in Geräten – Teil 3: UV-Leuchtstofflampen, Beuth- Verlag, Berlin
[5] ISO 4892-4:2013-07 Titel (deutsch):Kunststoffe – Bestrahlungsverfahren mit Laboratoriumslichtquellen – Teil 4: Offene Kohlenbogenlampen, Beuth- Verlag, Berlin
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Beispiel aus unserem Labor: Ablagerung auf Folie
Prüfbericht PB 0002 – Beispielbericht Ablagerung auf Folie
Projekt / Bestell-Nr.: Ablagerung auf Folie
Auftragsdatum: 01.01.01
Probeneingang: 02.01.07
Wir erhielten folgende Muster zur Prüfung:
Aufgabenstellung:
Ursache für die beschriebenen Defekte?
1 Zusammenfassung der Ergebnisse:
Wie die Untersuchungen zeigen, handelt es sich bei den Druckfehlern um Fehlstellen im Bereich der schwarzen Bedruckung. Des Weiteren wurde auf der Außenseite der Beutel die schwarze Druckfarbe in Form kleiner Ablagerungen nachgewiesen. Bei den dunklen Stellen auf der Innenseite des Verbundmaterials (Muster1) handelt es sich um Einschlüsse zwischen PE und Aluminiumfolie. Diese wurden nicht genauer untersucht, es könnte sich aufgrund des Erscheinungsbildes auch hier um die schwarze Druckfarbe handeln.
2 Interpretation der Ergebnisse:
Aufgrund der vorstehend beschriebenen Ergebnisse könnte der Schaden folgendermaßen entstanden sein:
Beim Bedrucken der PET- Folie im Konterdruck kam es zu einer leichten partiellen Verblockung der schwarzen Druckfarbe mit der PET-Außenseite im Rollenwickel. Beim Abrollen der Rollen in der Kaschiermaschine führte dieses zu einem Ausrupfen der verblockten Bereiche, d.h. diese Partikel wurden, zumindest zum Teil, auf die Folienaußenseite übertragen. Sofern der Verbund mit 2-maligen Durchlauf durch eine Duplex- Kaschiermaschine hergestellt wurde, könnte es beim Aufwickeln des PET/ Al- Vorverbundes wiederum zum Übertrag derartiger Partikel auf die Aluminiumseite gekommen sein, was das Vorhandensein derselben zwischen PE und Aluminiumfolie erklären würde.
3 Fehlerbild/ mikroskopische Untersuchung
3.1. Folienaußenseite/ Packung- Muster 2
3.2. Folieninnenseite- Verbundfolienabschnitt Muster 1
4 FTIR- Spektroskopie
Vergleich: Ablagerungen
Ergebnis: Es handelt sich bei den schwarzen Ablagerungen auf der Beutelaußenseite um die schwarze Druckfarbe. -
Beispielbericht aus dem Labor: Siegeleigenschaften/Materialanalyse
Wie sieht eigentlich ein Prüfbericht zum Siegelverhalten von Folien aus? Hier finden Sie ein kurzes Beispiel für eine typische Aufgebanestellung..
Prüfbericht PB 0001 – Beispielbericht Siegeleigenschaften / Materialanalyse
Projekt / Bestell-Nr.: 1234567890
Auftragsdatum: 01.01.01
Probeneingang: 02.01.07Muster Beschreibung/ Bezeichnung laut Kundenauftrag M1 Folienabschnitt A (Rückstellmuster gut) M2 Folienabschnitt B 1 Aufgabenstellung:
Muster 2 zeigte Probleme bei der Verarbeitung. Die Siegelnahtfestigkeit war laut Kundenaussage bei gleicher Maschineneinstellung deutlich niedriger als bisher. Ein Vergleich mit einem Rückstellmuster soll Aufschluss über mögliche Unterschiede der Folie geben.
2 Zusammenfassung der Ergebnisse:
Zunächst wurden die Oberflächen der Siegelschichten FTIR-spektroskopisch in ATR-Technik untersucht. Es handelt sich bei beiden Folien um Polyethylen.
Nach dieser ersten Untersuchung wurde auf Kundenwunsch eine Materialanalyse der beiden Folien durchgeführt sowie Siegelkurven erstellt.
Beiden Mustern dient als Außenschicht ein PP-BO (20 µm), welches im Konterdruck bedruckt ist und gegen eine metallisierte PET-BO Folie (12 µm) kaschiert wurde. Der Aufbau der beiden Folieninnenseiten unterscheidet sich. Folie A hat einen Innenverbund bestehend aus drei coextrudierten Einzelschichten. Die äußere Schicht (ca. 13 µm) besteht aus PE-LD (Kristallitschmelztemperatur Tm 108°C). Die mittlere Schicht (ca. 30 µm) besteht aus einem Blend aus PE-LLD (Tm 120°C) und PE-LD (Tm 108°C). Die innere Schicht besteht aus einem Blend aus PE-LLD (Tm 119°C) und PE-Plastomer (Tm 103°C).
Folienabschnitt B hat eine Innenschicht bestehend aus einem Blend aus PE-LLD (Tm 119°C) und PE-LD (Tm 110°C).
3 Interpretation der Ergebnisse:
Die unterschiedlichen Siegelschichten führen zu unterschiedlichen Siegeleigenschaften, die durch die Siegelkurven bestätigt werden. Die Siegelstarttemperatur von Folie A liegt bei ca. 100°C, die von Folie B bei ca. 110°C.
4 FTIR-Spektroskopie
Es wurden FTIR-spektroskopisch die Oberflächen der Siegelschichten untersucht.
5 Folienaufbau/ Mikrotomquerschnitt5.1 Muster 1, Folienabschnitt A (Rückstellmuster)
5.2 Muster 2, Folienabschnitt B
6. Mechanische Prüfungen
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Resümee zur 1. Verpackungsdrucktagung 2015
Am 26./27. November 2015 fand die erste Innoform Verpackungsdrucktagung in Osnabrück statt. Druckverfahren wachsen weiter zusammen, attestiert Stefan Beilenhoff in seinem live Interview nach der Tagung. Viele Veredler nutzen schon heute mehrere Druckverfahren, um eine optimale Wirtschaftlichkeit und trotzdem identische Druckergebnisse zu erhalten.
Sowohl neue Druckfarben wie z.B. wasserbasierte Systeme oder auch PU-Druckfarben, wie Sie Dr. Hancke vorstellte, spielen dabei eine Rolle. Aber auch neue Trends wie gedruckte Elektronik werden uns Drucker mehr und mehr beschäftigen und neue Erlösquellen erschließen können, sagt Herr Rommel in seinem Vortrag und Interview.
Schauen Sie selbst, was namhafte Experten im Nachgang zur Drucktagung sagten und hören Sie sich gerne das Finale von Karsten Schröder in ungekürzter Form an: http://www.innoform-coaching.de/pages/download/video.php
Header Verpackungsdrucktagung -
Folienspezifikationen sinnvoll erstellen und anwenden
Täglich haben Mitarbeiter aus Einkauf und Vertrieb, QS, Produktion, Entwicklung und Verpackugnstechnik mit ihr zu tun, der Spezifikation! Aber was ist eine Spezifikation genau? Wodurch unterscheidet sie sich von Datenblättern und was ist eigentlich ihre Daseinsberechtigung?
Eine Spezifikation beschreibt formalisiert ein Produkt, ein System oder eine Dienstleistung. Sie dient zur Absicherung kaufmännischer oder juristischer Belange und definiert und quantifiziert dazu Merkmale (Tolerenzwerte), um bei Übergabe das Werk oder die Dienstleistung zu prüfen. Die Spezifikation enthält in der Regel für jede spezifizierte Eigenschaft eine präzise Referenz zu der anzuwendenden Prüfmethode für das jeweilige Merkmal. Bei Einhaltung der geforderten Spezifikationsmerkmale kann dann die Bezahlung gefordert werden.
Kurz zusammengefasst: Eine Spezifikation dient der Vereinfachung der kaufmännischen und produktionstechnischen Abläufe. Sie schafft Klarheit und Sicherheit, da sie sowohl den Kundenforderungen als auch denen des Gesetzgebers entspricht und bestimmte Standards erfüllt. Sie ermöglicht eine effiziente Kommunikation. Somit generiert sie Sicherheit und beugt vielen Risiken und Fehlern vor. Außerdem dokumentiert sie die Sorgfaltspflicht und stellt einen Eignungsnachweis dar.
Die Lieferwolke: Alle müssen spezifizieren, was geliefert wird – in jeder Stufe!!! In diesem Semiar lernen die Teilnehmer auf Basis der ausgereiften Innoform Folien-Spezifikationsvorlage, selbst Spezifikationen zuverlässig und lückenlos zu erstellen. Ein wesentlicher Bestandteil der Seminarunterlagen sind Listen der üblichen Prüfungen mit Erklärungen sowie die Spezifikationsvorlage für Folien und Beutel, die im Detail besprochen werden.
Die Teilnehmer erlernen Spezialwissen zu praxisrelevanten Prüfungen an Folienverpackungen. Mit ein wenig Statistik wird das Programm abgerundet. Spezielle Fragestellungen können gerne von den Teilnehmern eingebracht werden. Am zweiten Tag diskutieren wir Praxisbeispiele, die helfen das Erlernte für Ihr Unternehmen zur Kosten- und Fehlersenkung einzusetzen.
Die nächste Veranstaltung findet statt am 3./4. Dezember 2019 im Steigenberger Hotel Remarque in Osnabrück.
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Trends und Nutzen von Entwicklungen bei Barriereverpackungen – Teil 4
Bereits das zweite Mal wird Frau Dr. Amberg Schwab auf der Barriereverbundfolien-Tagung in Würzburg referieren. Sie ist als Wissenschaftlerin am Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC) in Würzburg tätig. Das Fraunhofer Institut für Silicatforschung entwickelt als Materialforschungsinstitut innovative nichtmetallische Werkstoffe. Frau Dr. Amberg-Schwab widmet sich besonders der Entwicklung neuer Beschichtungsmaterialien, vor allem im Bereich der Funktionsbeschichtungen auf der Basis anorganisch-organischer Hybridpolymere (ORMOCER®e).
- Welchen Nutzen stiften Sie mit Ihren Entwicklungen und Produkten im Hinblick auf Barriereverpackungen und Ihren Vortrag?
Frau Amberg-Schwab betont den Nutzen der ISC eigenen Entwicklungen und Produkte in Hinblick auf Barriereverpackungen vor allem in individuell konzipierten Barrieresystemen, die zusätzlich mit weiteren Funktionen, wie z.B. antimikrobieller Ausrüstung versehen werden können. So bietet das Fraunhofer ISC Barrierematerialien für Lebensmittel, Pharma, Kosmet als auch Hoch- und Ultrabarrierematerialien. Die neueste Entwicklung sind sogenannte bioORMOCER®e, die sowohl biobasiert als auch bioabbaubar sind.
Zwei Trends sieht das Fraunofer ISC zur Zeit als besonders vielversprechend und zukunftsweisend an:
Erstens sind es die bioabbaubaren Kunststoffe. So kann mit dem neuartigen bioORMOCER®en der steigenden Nachfrage nach bioabbaubaren Kunststoffen entgegen gekommen und der Industrie bioabbaubares Beschichtungsmaterial zur Verfügung gestellt werden, das vilefältige Chancen für neue innovative Verpackungslösungen bietet.
Zweitens treibt das ISC mit seinen Hoch- und Ultrabarrierekonzepten Innovationen im Bereich oLED und oPV voran.
Freuen Sie sich auf den spannenden Vortrag von Frau Dr. Amberg-Schwab am 1. Tag der Barriere-Verbundfolien – Verbesserte Haltbarkeit von Lebensmitteln
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Folienprüfungen: Der Zugversuch
Kurzzusammenfassung
In dieser Ausgabe nähern wir uns dem scheinbar einfachen Zugversuch und seiner Aussagekraft für den Praktiker. Kernaussage ist: „Legen Sie weniger Wert auf alte Bekannte aus dem Zugversuch wie Zugfestigkeit und Reißdehnung und mehr Wert auf den Startpunkt des Zugversuches im Messbereich des s.g. Sekantenmoduls bei 1 bis 2 % Dehnung. Genau dieser Bereich ist es, der in der Praxis häufig über gute oder weniger gute Laufeigenschaften oder sogar eine grundsätzliche Eignung eines Materials entscheidet. Trennen Sie sich von Prüfwerten, die für ihren Anwendungsfall keine Relevanz haben, wie in vielen Fällen die Zugfestigkeit oder Reißdehnung. Diese belasten nicht nur die Speichermedien Ihrer Serverinfrastruktur sondern auch Denkkapazität ihr Mitarbeiter. (Das fällt besonders dann schwer, wenn die Werte doch ohnehin anfallen – aber dadurch eben trotzdem nicht relevanter werden.)
1 Festigkeiten mit dem Zugversuch bewerten – wie geht das?!
Nun geht es ans Eingemachte: Zugversuch nach DIN EN ISO 527 / ASTM D 882.
Wer hat die Norm eigentlich wirklich schon einmal richtig gelesen und wer hat sie dann noch verstanden und hat sich mit der Auswahl der richtigen Kenngrößen für seine Anwendung beschäftigt und wer kann diese dann auch reproduzierbar prüfen?
Viele Fragen, die aber von großer Bedeutung in der Folien-Verpackungsindustrie sind.
Denn: Der Zugversuch liefert uns Messwerte über das Verhalten eines Materials unter
- quasistatischer ,
- einachsiger (daher ist eine Prüfung längs und mindestens zusätzlich quer notwendig),
- stetig steigender Zugbeanspruchung.
Genau die Zugbeanspruchung ist es, die hier geprüft wird. Und eben die Zugbeanspruchung ist es auch, die man damit bewerten, vergleichen und spezifizieren kann. In der Praxis sind Werte aus dem Zugversuch in fast allen Spezifikationen enthalten, weil sich die Vermutung aufdrängt, dass man daraus alle relevanten Eigenschaften wie:
- Robustheit
- Laufeigenschaften
- Sprödigkeit,
- Siegelverhalten etc.
ableiten könnte. Aber dieser Anspruch ist leider häufig überhöht und kann sogar in eine völlig falsche Richtung lenken bzw. scheinbare Sicherheit vorgaukeln, die der Zugversuch als alleinige Prüfmethode einfach nicht bieten kann.
Der Zugversuch gibt z.B. keine oder nur sehr begrenzte Rückschlüsse über Verhalten wie:
- Schockbeanspruchung
- Widerstand gegen Einreißen und Durchreißen
- Langzeitbeanspruchung (Creep)
1.1 Relevante Normen
Die Normen, die in Europa und der Welt für Folien (Verpackungen) relevant sind, lauten heute:
DIN EN ISO 527 Teil 1-3 (Ersatz für DIN 53455 in D)- Teil 1: Allgemeine Grundsätze (Begriffsdefinitionen)
- Teil 2: Prüfbedingungen für Form- und Extrusionsmassen (Spritzguss etc.)
- Teil 3: Prüfbedingungen für Folien und Tafeln
- Teil 3/ Berichtigungen: betrifft Probekörperabmessungen
Die Teile 1 und 3 sind hier besonders relevant.
Für den Sekantenmodul, auf den später noch eingegangen wird, nutzen wir auch in Europa die amerikanische Norm:
ASTM D 882- Für Folien besonders interessant: Secant- Modulus
Bezüglich der Messung der Foliendicke sind folgende Normen zu berücksichtigen:
ISO 4593 bzw. DIN 53370
Kunststoffe – Normalklimate für Konditionierung und PrüfungEs gibt mindestens 20 weitere Normen, die im weitesten Sinne mit dem Zugversuch zu tun haben, die aber entweder ungeeignet oder unüblich sind. Auch passiert es in der Praxis gelegentlich, dass eine veraltete Norm zu Rate gezogen wird.
1.2 Die Prüfung an sich
Wir wollen an dieser Stelle nicht zu sehr auf die Durchführung eingehen, sondern auf einige typische Fehler aus der Praxis hinweisen.
1.2.1 Der Probekörper
Wie werden Folienstreifen eigentlich nach Norm hergestellt? Im Innoform Testservice in Oldenburg werden die Probekörper durch Schneiden oder Stanzen hergestellt. Das hört sich leichter an als es ist – insbesondere, wenn man sich die unterschiedlichen Eigenschaften weicher Polyethylenfolien, steifer Polyesterfolien, zäher Polyamidfolien und empfindlicher Aluminiumfolien einmal vor Augen führt. Individuell unterschiedliche Messer und angepasste Verfahren sind nötig, um die Normvorgaben zu erfüllen und über längere Zeiträume reproduzierbare Ergebnisse liefern zu können. Hier nur mal ein kleiner Auszug aus der Norm DIN EN Iso 527:
Empfehlung: Probekörper Typ 2, d.h. 15 ± 0,1 mm Breite
Das hört sich leichter an, als es ist, denn nur 0,1 mm Toleranz gesteht uns die Norm für die Breite des Probekörpers zu.
Weiterhin heißt es in der Norm:
„5 Probestreifen längs und quer zur Bahn ausschneiden, […] Probekörper mit Fehlern an den Schnittkanten verwerfen“
Werden wirklich immer alle Probenstreifen begutachtet und werden immer längs 5 und dann noch quer ebenfalls 5 Proben gemessen und daraus das Ergebnis berechnet? Wenn es normgerecht sein soll, muss das so sein.
1.3 Einspannlänge
Ähnlich sieht es bei der Einspannlänge (im Laborjargon auch „Probenlänge“), also bei der Bezugslänge zur Berechnung der Dehnung, aus:
Üblich für gereckte Folien und Verbundfolien (etB (Bruchdehnung) < 100 %)
L0= (Ausgangs-)Messlänge (bei Traversenmessung= „freie Einspannlänge (entspricht z.B. bei
Zwick- Prüfgeräten der parallelen Probenlänge)L0= 100 ± 0,5 mm
Üblich für Polyolefinfolien, ungereckt (etB (Bruchdehnung) > 100 %)
L0 (Einspannlänge zu Beginn der Prüfung) = 50 *** ± 0,5 mm
(***lt. DIN EN ISO 527 T3 Pkt. 6.1.1 erlaubt für Folien mit hoher Dehnung, entspricht auch ASTM D 882)Auch bei der Einspannlänge muss Wert auf Genauigkeit gelegt werden. Noch entscheidender ist, dass beim Ergebnis gekennzeichnet wird, mit welcher Probenlänge geprüft wurde. Andernfalls ist eine Vergleichbarkeit wieder nur bedingt oder gar nicht gegeben.
1.4 Prüfgeschwindigkeit
Gleiches gilt für die Prüfgeschwindigkeit. Auch hier lässt die Norm, entsprechend der Vielzahl der unterschiedlichen Kunststoffe mit verschiedenen Eigenschaften, ein breites Band an Möglichkeiten zu. Üblich in der Praxis der Folienprüfung und unbedingt im Prüfprotokoll oder Bericht anzugeben sind:
- Sekantenmodul (z.B. 2% oder 1 %):
Einspannlänge: l0=100 mm:
Prüfgeschwindigkeit Vprüf= 10 ± 1 mm/min (ASTM D 882)
Einspannlänge l0=50 mm: Prüfgeschwindigkeit
Prüfgeschwindigkeit Vprüf= 5 ± 1 mm/min (ASTM D 882)
- Zugfestigkeit/Dehnung bei Bruch:
- gereckte Folien und Verbundfolien (etB < 100%):
Prüfgeschwindigkeit Vprüf= 100 ± 10 mm/ min
- Polyolefinfolien, ungereckt (etB > 100%)
Prüfgeschwindigkeit Vprüf= 500 ± 50 mm/ min (entspricht auch ASTM D 882)
1.5 Spannbacken
Das Thema Probeneinspannung/Spannbacken allein könnte einen ganzen Artikel füllen. Hier nur so viel: Es werden üblicherweise glatte (planparallele) Backen eingesetzt oder konvexe gegen plane Backen gespannt. Diese Abbildung hier zeigt, wo der Haltepunkt in etwa bei konvex / planen Backen liegt.
Abbildung 1: Konvex / plane Backenpaare – Kreidestrich zeigt Haltepunkt des Probenstreifens 2 Auswertung des Zugversuchs – einige Hinweise für Praktiker
Ein bisschen Kunststoffphysik muss sein, Genaueres findet sich hinreichend in der Fachliteratur. Aufmerksam machen möchte ich hier auf den vorderen Bereich des Spannungs/-Dehnungsdiagramms.
Abbildung 2: Die ersten drei Phasen der Verformung beim Zugversuch an Kunststofffolien. In fast allen Folienverpackungsanwendungen spielen der linear-elastische sowie der linear-viskoelastische Bereich eine Rolle. Genau in diesen leichten Verformungsbereichen (1 – 2 % z.B.) werden Folien belastet. Zum Beispiel verformt eine Druckmaschine über die Bahnspannung eine PP-Folie weniger als 1 %, gereckte Folien sogar noch weniger (<0,05%).
Auch Abpackmaschinen üben nicht wesentlich größere Kräfte auf Folien aus. Zum Beispiel wird eine Deckelfolie für die Versiegelung einer Schalenverpackung für Käseprodukte nie mehr als 1 % in die Länge gezogen, damit der Rapport zum Schalenformat passend gemacht werden kann.
Das sind nur zwei Gründe, warum es sich lohnt, gerade den unteren Dehnungsbereich beim Zugversuch anzusehen. Man bestimmt hiermit die Zugsteifigkeit eines Materials, die mit dem s.g. 1 % oder 2 % Sekantenmodul beschrieben wird.
Das Tolle daran: Wenn man solch eine Prüfung beherrscht und ohnehin die Zugfestigkeit etc. durch einen Zugversuch bestimmen möchte, können diese Werte (Sekantenmodul, Bruchdehnung)mit ausgewertet werden. Es ist keine zusätzliche Prüfung nötig.
2.1 Der Sekantenmodul – wie er bestimmt wird
Im vorherigen Abschnitt habe ich schon erwähnt, warum gerade die unteren Verformungsbereiche für Folienverpackungen, insbesondere aus weichen ungereckten Folien, relevant und interessant sind. Nun hier noch einige wenige Hinweise zur Prüfung selbst.
Woher kommt eigentlich der Name Sekantenmodul? Nun, eine Sekante ist eine Gerade, die einen Kreis(bogen) in zwei Punkten schneidet. Und genau das tun wir bei der Auswertung. Wir legen eine Sekante durch den 0-Punkt (in Spezialfällen beginnt diese auch etwas später) des Spannungsdehnungsdiagramms und schneiden den leicht gebogenen Kraftkurvenverlauf bei z.B. 2% Dehnung des Materials. Die Auswertung ist dann denkbar einfach, wie die folgende Skizze nebst Rechnung zeigt. Das Sekantenmodul entspricht somit der Steigung der Sekante, d.h. je höher das Sekantenmodul ist, desto “steiler” verläuft der Kraftverlauf und somit die Gerade.
Abbildung 3: Der Prüfbereich des Sekanten-Moduls 
Abbildung 4: Skizze zur Auswertung des Sekanten-Moduls Folgendes hat sich in der Folienindustrie bewährt
(ASTM D 882)
e1= 0 % Dehnung
e2= z.B. 2 % Dehnung (z.T. auch 1 %) => in jedem Fall unterhalb der Streckgrenze (= erstes relatives Zugspannungsmaximum)!
Desto höher e2 gewählt wird, desto niedriger wird derZahlenwert des Sekanten-Moduls, da die Steifigkeit mit zunehmender Dehnung des Materiales abnimmt
3 Typische Werte aus unserem Prüflabor
Abschließend möchte ich Ihnen noch ausgewählte Diagramme mit an die Hand geben, die einige typische Werte von unterschiedlich steifen und festen Folien zeigen. Diese habe ich unverändert einer unserer Seminarmappen entnommen, die in vielen unserer Kurse verwendet werden, um mehr Klarheit über die Bedeutung des Zugversuches zu bekommen.
Abbildung 5: typische Werte aus dem Zugversuch (Maximalkraft) Die ersten beiden Säulenpaare zeigen Verbundfolien, wie sie häufig verwendet werden (PA-BO/PE bzw. PET-BO/PE. Beide mit Prüfgeschwindigkeit 100 mm/min, sodass sie geringe Reißdehnungen haben. Es folgen Säulenpaare von Standard-PE Folien mit unterschiedlichen Prüfgeschwindigkeiten (V=100 bzw v=500 mm/min). Hier sieht man deutlich, wie mit höherer Geschwindigkeit die Maximalkraft sinkt.
Die letzte Säule zeigt im Vergleich noch einmal den Einfluss der Prüfbacken.
Mit dem folgenden Diagramm wird deutlich, dass man die Zugsteifigkeit prima mit dem 2 % Sekantenmodul zeigen kann: Die wesentlich festeren (steiferen) Verbundfolien haben deutlich höhere Werte hinsichtlich Zugfestigkeit und Sekantenmodul. Auch die geringere Zugsteifigkeit des PA-BO/PE-Materials im Vergleich zum PET-BO/PE-Material lässt sich eindeutig über das vergleichsweise geringere Sekantenmodul nachweisen.
Abbildung 6: Der 2 % Sekanten-Modul an typischen Folien Es gäbe noch so viel zu sagen – aber das würde den Rahmen sprengen. Ich möchte mit diesem kurzen Beitrag erneut auf die Wichtigkeit von fachgerechten, zwischen den Geschäftspartnern abgestimmten und durchdachten Spezifikationen hinweisen und darf Ihnen schon den 4. Teil mit dem Themenschwerpunkt: „Durch- und Weiterreißeigenschaften“ ankündigen.
Fordern Sie unsere kostenlose Innoform Branchen-Folienspezifikationsvorlage formlos per E-Mail unter Coaching@innoform.de an.
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Barrierefolien in der Anwendung – welche Folie für welchen Zweck?
Eine Hauptfunktion von Verpackungen ist es, die Ware vor Verderb und Verunreinigung zu schützen. Dies trifft besonders für Lebensmittel zu: Verschiedene Lebensmittelgruppen erfordern unterschiedliche Verpackungskonzepte. Während das eine Lebensmittel bei der Verpackung eine hohe Barriere benötigt, ist bei dem anderen Lebensmittel eine hohe Durchlässigkeit notwendig. Kurz gefasst: Lebensmittel müssen mit geeigneten Packmitteln und angepassten Barriereeigenschaften verpackt werden, um produktspezifischen Schutz zu gewährleisten. 
Alle, die Lebensmittelfolien einkaufen, verwenden, entwickeln oder verkaufen, erhalten in diesem Seminar die notwendigen Grundlagen und aktuelles Fachwissen über moderne Strukturen und typische Anwendungen von Barrierefolien. Es werden die spezifischen Barriereigenschaften der verfügbaren Packstoffe und moderne Techniken in der Herstellung von Barrierefolien vorgestellt. 
Zur Beurteilung und Charakterisierung verpackungsrelevanter Eigenschaften werden unterschiedliche Messmethoden als Qualitätssicherungsinstrumente vorgestellt und anhand von Praxisbeispielen näher erläutert. In diesem Zusammenhang werden die Themen Spezifikation von Packmitteln sowie die aktuellen EU-lebensmittelrechtlichen Anforderungen an Lebensmittelverpackungen behandelt. 
Auch der Einfluss von Licht und Sauerstoff auf die Produktqualität wird am Beispiel sauerstoffempfindlicher Lebensmittel veranschaulicht und entsprechende Verpackungskonzepte abgeleitet. Dabei spielen neben den produktspezifischen Anforderungen auch die Lagerbedingungen und der Abpackprozess eine entscheidende Rolle für die Auslegung der Barrierefolie. 
Nach dem Seminar kennen die Teilnehmer die spezifischen Barriereeigenschaften der kommerziell verfügbaren Packstoffen und wissen, wie diese zielführend miteinander kombiniert werden, um Packmittel für produktspezifische Verpackungskonzepte zu erzeugen. Die Teilnehmer können die Permeationseigenschaften von Barrierefolien berechnen und Verpackungskonzepte entsprechend optimieren und sie wissen, wie geeignete Verpackungskonzepte aus Barrierefolien nicht nur die Qualität und Sicherheit dieser Lebensmittel positiv beeinflussen können, sondern die Barrieredimensionierung auch der Kosteneinsparung dient. -
Grundlagen der Kunststoff-Verpackungsfolien
Mit diesem Seminar bietet Innoform seit Jahren einen echten Crash-Kurs an. In 2 Tagen erfahren die Teilnehmer alles über die gesamte Herstellungskette von Folienverpackungen und über ihre Einsatzgebiete. Viele Quereinsteiger in der Verpackungsindustrie müssen sich in kurzer Zeit einen umfassenden Überblick über verschiedene Systeme und Verfahren bei der Folienherstellung und –verarbeitung verschaffen. Genau das liefert dieses Seminar: Bestimmte Eigenschaften lassen sich durch Gesetzmäßigkeiten herleiten; einfach chemische Gegebenheiten der Kunststoffe werden auch Einsteigern nahe gebracht, um später in der Praxis viele Phänomene theoretisch begreifen zu können.
PE-HD 
PE-LD 
PE-LLD Nicht nur die Chemie hat einen Einfluss auf die Folienqualität, sondern auch die Folienherstellung: Die drei Verfahren Kalandrieren (Haupteinsatzgebiet PVC) sowie Blas- und Gießfolienherstellung werden intensiv vorgestellt. Insbesondere der Einfluss der Verfahren auf Mechanik, Optik und Preis wird diskutiert.
In diesem Kurs erfahren die Teilnehmer, welche Kriterien bei der Folienherstellung, Verarbeitung und Anwendung für das reibungslose Abpacken 
auf verschiedenen Systemen berücksichtigt werden müssen. Dieser Kurs eignet sich für Kaufleute und Techniker. Unterschiedliche Anforderungen und Ansprüche beider Teilnehmergruppen bringen in zahlreichen Diskussionen die typische Dynamik.
