Kategorie: Folienprüfung & Analytik

Wir prüfen nicht nur Folien, wir beraten auch bei der Wahl der richtigen Methode und der gesamten Spezifikationserstellung.

Was gibt die Wasserdampfdurchlässigkeit eigentlich an?

“Prüfen und Bewerten von Folienverpackungen”: Permeation (Teil 4)
von Karsten Schröder (Innoform)

Die Wasserdampfdurchlässigkeit (WDD) oder die Water Vapour Trasmission Rate (WVTR) sind nur zwei Begriffe für die gleiche Fragestellung. Wie viel Wasserdampf geht durch ein Folienmaterial oder noch besser eine Folienverpackung hindurch?

1. Die Maßeinheit
Anders als bei der Sauerstoffdurchlässigkeit (Sauerstoffpermeation), wird die durchdringende (permeierende) Menge nicht als Volumen (cm³) sondern als Masse (g) angegeben.

Die Maßeinheit lautet also für Folienmaterialien:

g/(m^2×Tag)

oder bei ganzen Verpackungen

g/(m^2 ×Tag ×Packung)

2. Messprinzip

Das Messprinzip ist ähnlich wie bei allen Permeationsmesungen. Das zu messende Medium (Wasserdampf) wird auf nur einer Seite der Probe (Folie oder Verpackung) angeboten und auf der anderen Seite wird ermittelt, wie viel durch die Probe permeiert (durchdringt). Ein mögliches verfahren dafür ist die Trägergasmethode, die hier schematisch dargestellt ist. Der blau markierte Bereich stellt das Medium zur Einstellung der richtigen Feuchtigkeit (z.B. Salzlösung) dar.

Abbildung 1: Elektrolytisches Messverfahren

Eine weitere Methode ist die gravimetrische Methode, die hier schematisch gezeigt ist.

Abbildung 2: Gravimetrisches Messverfahren

Hier wird gezeigt, wie im Trägergasverfahren auch ganze Verpackungen hinsichtlich ihrer „Dichtheit“ überprüft werden könnenm siehe Artikel: „Kennen Sie eigentlich den Unterschied zwischen Dichtheitsprüfung und Permeationsmessung?“.

Abbildung 3: Quelle: Fa. Lippke, Fertigpackungsmessung hinsichtlich Permeation

3. Wofür braucht man die Wasserdampf-Permeationsrate oder Wasserdampfdurchlässigkeitsrate?

Eine Aufgabenstellung aus der Praxis lautet häufig, das Füllgut vor dem Austrocknen zu schützen – wie z.B. bei Feuchttüchern. Andererseits kommt es bei z.B. knackigen Lebensmitteln wie Keksen oder Chips darauf an, dass nicht zu viel Luftfeuchtigkeit aus der Umgebung der Verpackung während der Lagerung in die Verpackung eindringt. Gerade bei den Kartoffelchips hat hier die zusätzliche Metallisierung der Verpackung eine Verbesserung der Wasserdampfbarriere erzielt, wodurch in den letzten Jahren die Haltbarkeit deutlich gesteigert werden konnte – und das schmeckt man auch.

4. Zusammenfassung

Die Maßeinheit für die WDD oder WVTR sprich Wasserdampfdurchlässigkeit unterscheidet sich hinsichtlich der Sauerstoffdurchlässigkeit im Wesentlichen erst einmal nur durch das g (Gramm) oberhalb des Bruchstriches anstelle des cm². Je niedriger die Rate ist, desto weniger Feuchtigkeit dringt durch das Material. Entweder schützen wir so vor dem Austrocknen des Füllgutes oder durch das Feuchtwerden des Produktes in der Folienverpackung.

Ich freue mich wieder auf zahlreiche Kommentare und Anregungen für weitere Beiträge in unserer Innoform Expertenecke hier oder auf XING.

Weitere Artikel zu diesem Themenbereich:

1. Kennen Sie eigentlich den Unterschied zwischen Dichtheitsprüfung und Permeationsmessung?

2. Was bedeutet eigentlich die Einheit cm³/m³ x d x bar bei der Permeationsmessung?

3. Was ist eigentlich die Permeationsrate?

Freundlicher Gruß,

Karsten Schröder
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3. April 2012
Was ist eigentlich die Permeationsrate?

“Prüfen und Bewerten von Folienverpackungen”: Permeation (Teil 3)
von Karsten Schröder (Innoform)

Der Begriff der Permeationsrate oder auch oft einfach nur als Permeation bezeichnet ist aus der Welt der Folienverpackungen nicht weg zu denken.

Doch wenn man die einfache Frage beantworten soll, was das eigentlich ist, wird es für viele schwierig. In unseren Seminaren versuchen wir das immer bildhaft zu erläutern. Die Permeationsrate wird im Wesentlichen durch zwei Faktoren beeinflusst:

1. Den „Drang“ eines Gases, durch eine Folie zu permeieren
2. Die Möglichkeit des Gases durch die Folie zu gelangen

1 Der „Drang“ von Gasen in die Verpackung oder aus ihr hinaus

Der Drang eines Gases für den Durchtritt durch eine Folie wird durch den s.g. Partialdruckunterschied zwischen der Außenseite der Folienverpackung und der Innenseite bestimmt.
Sind also außen in der Umgebungsluft die üblichen 21% Sauerstoff und innen in der Verpackung 0%Sauerstoff, so ist der Partialruckunterschied für den Sauerstoff bei normalem Atmosphärendruck von 1000 mbar (= Hekto Pascal [hPa]) 210 mbar.
Trivial ausgedrückt heißt dass, das der „Drang“ des Sauerstoffs, um in die Verpackung zu gelangen, einem Druck von 210 mbar entspricht. Das ist also sozusagen der Antrieb für den Sauerstoff überhaupt in die Verpackung zu „wollen“.

Wie sich das bei anderen Drücken verhält, zeigt dieses Bild aus unseren Seminarunterlagen:

Abbildung 1: Partialdruck des Sauerstoff auf Höhe des Meeresspiegel

Abbildung 2: Partialdruck von Sauerstoff auf 2000m Höhe

Das heißt also, wenn man es ganz genau rechnen will, muss man den Atmosphärendruck und die Druckdifferenz zwischen Außen- und Innendruck der Verpackung berücksichtigen. In der Praxis werden aber immer „normierte“ Werte angegeben und nur solche – immer auf gleiche Bedingungen normierte Bedingungen sollten für Vergleiche heran gezogen werden.

2 Die Möglichkeit eines Gases durch eine Folie zu gelangen

Nun mag es auf den ersten Blick ja unmöglich erscheinen, dass durch eine „intakte Folie“ überhaupt Gase hindurch gelangen. Was ist der Grund dafür, dass insbesondere durch Kunststofffolien Gase wie Sauerstoff hindurch gelangen können?

Ganz einfach erklärt liegt es daran, dass
• Gase sich in Kunststoffen lösen können (Adsorption)
• Gase durch Kunststoffe durchwandern können (Diffusion)
• Gase aus Kunststoffen in eine Atmosphäre (z.B. auf der Innenseite der Verpackungen) sich wieder „entlösen“ können. (Desorption)
Hierzu wieder ein erklärendes Bild mit den drei genannten Schritten der Diffusion:

Abbildung 3: Funktionsskizze des Durchdringens von Gasen durch eine Folienverpackung

Zusammenfassung:

Ist also viel Sauerstoff draußen und wenig drinnen in einer Folienverpackung, geht das permeieren schneller. Die Permeationsrate ist hoch.

Hat das Material eine gute Barriere gegen das Gas, so ist die Permeationsrate niedriger als bei Materialien ohne eine Barriere.

Vergleicht man normierte Werte bei gleichen Drücken, Temperaturen und gleichem Gas (z.B. Sauerstoffpermeationsrate bei 23°C, 75% rel. Feuchte und 1000 mbar Atmosphärendruck) so gibt die Permeationsrate die Sperrwirkung (Barriere) der jeweiligen Folie gegen das jeweilige Gas im Vergleich an. Und genau das ist es, worüber die meisten reden, wenn sie von Permeationsrate oder Barriere oder Sperrwirkung einer Folie reden.

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Weitere Artikel zu diesem Themenbereich:
http://www.innoform-coaching.de/blog/category/expertenecke/

http://www.innoform-coaching.de/blog/2012/01/04/kennen-sie-eigentlich-den-unterschied-zwischen-dichtheitsprufung-und-permeationsmessung/

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Karsten Schröder
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7. März 2012
Energieeffizienz: Reduzierte „Stromkosten“ sind in 2012 möglich!

Begrenzung der EEG-Umlage
(Erneuerbare-Energien-Gesetz) für stromintensive Betriebe

Kurzzusammenfassung

Produktionsunternehmen der Verpackungsmittelindustrie sind „energie- und stromintensiv“. Die Bundesregierung will den Anteil der erneuerbaren Energien bis zum Jahr 2030 auf 50% ausbauen. Die Kosten dafür werden grundsätzlich auf alle Stromverbraucher umgelegt (EEG Umlage). Besonders hart kann das stromintensive Unternehmen des produzierenden Gewerbes treffen. Zunehmend sehen dadurch Unternehmen des produzierenden Gewerbes ihre internationale Wettbewerbsfähigkeit gefährdet.

1    Die Ausgangslage

1.1    Was ist zu tun?
Zur Abmilderung der entstehenden Wettbewerbsverzerrungen für deutsche Unternehmen wurden besondere Ausgleichsmechanismen vom Gesetzgeber vorgesehen. Dazu kann das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) die sogenannte “EEG-Umlage” begrenzen. Die vom Bundestag am 30.06.2011 beschlossene und zum 01.01.2012 in Kraft getretende EEG -Novelle 2012 wird Veränderungen für diesen – auch „Härtefallregelung“ genannten – besonderen Ausgleichsmechanismus mit sich bringen.

Bei Vorliegen der unten dargestellten Voraussetzungen für eine Antragsstellung muss eine Zertifizierung des praktizierten Energiemanagementsystems einschließlich des Nachweises der kontinuierlichen Optimierung der Energieeffizienz nach ISO 50001 oder EMAS mit integrierter § 41 EEG-Zertifizierung vorliegen.

1.2    Welche Kostenvorteile sind möglich?
Vereinfacht kann der monet

äre Vorteil (beispielhaft für 2011) wie folgt quantifiziert werden:
Über drei Cent/kWh können durch die Begrenzung der EEG-Umlage für das Kalenderjahr 2012 gespart werden.

2    Voraussetzungen

Die Innovationsfreudigkeit der Verpackungsmittelindustrie wird hier viel Positives für die Umwelt- und Ressourcenschonung tun und gleichzeitig die Kostenstruktur in den Herstellprozessen von Verpackungen verbessern.
Insbesondere sind für kleine und mittlere Unternehmen nun bessere „Öffnungen“ vorhanden. Auf Antrag kann das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) die “EEG-Umlage” begrenzen. Folgende Voraussetzungen müssen vorliegen:
•    Stromverbrauch von mehr als 1 GWh/Jahr (Gigawattstunde- bislang 10 GWh) an einer Abnahmestelle im letzten abgeschlossenen Geschäftsjahr vor Antragstellung
•    Stromkosten von mehr als 14 Prozent (bislang 15%) der Bruttowertschöpfung des Unternehmens
•    Vorliegen des Antrag mit sämtlichen Unterlagen bei dem BAFA und Einhaltung der Antragsfrist jeweils bis zum 30. Juni
•    Zertifiziertes Energiem

anagementsystems (ISO 50001 oder EMAS) mit der Verpflichtung der kontinuierlichen Optimierung der Energieeffizienz des Unternehmens falls der Stromverbrauch größer 10 GWH/Jahr ist.

Zur Bestimmung der Bruttowertschöpfung kann folgender EEG Rechner verwendet werden:
http://www.pwc.de/de/energiewirtschaft/eeg-rechner.jhtml

Nach bisheriger Rechtslage führte ein positiv verabschiedeter Antrag zu einer Reduzierung der abzunehmenden EEG-Strommenge. Zukünftig wird direkt die EEG-Umlage anteilig gekürzt werden. Bei dieser Änderung handelt es sich um eine reine Folgeänderung des neu gestalteten EEG-Wälzungsmechanismus.

Die integrierter § 41 EEG-Zertifizierung (BAFA-Zertifizierung) lässt sich wie folgt beschreiben: (Quelle: Stufe 1 Leitfaden Gutcert)

Weitere Informationen
Gerne bieten wir Ihnen weitere Informationen zu dem beschriebenen Verfahren, z.B. in Form eines Innoform – Seminars an.

Über die Website von InnoNET können Sie fragen auch direkt an den Autor per Email richten.

Wir hoffen, dass wir Ihnen hiermit hilfreiche Informationen geben konnten. Für Rückfragen und Feedback stehen wir gerne zur Verfügung:

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28. Februar 2012
Was bedeutet eigentlich die Einheit cm³/m² x d x bar bei der Permeationsmessung?

“Prüfen und Bewerten von Folienverpackungen”: Permeation (Teil 2)
von Karsten Schröder (Innoform)

Haben Sie sich auch schon einmal über diese sperrige Einheit gewundert, die bei Permeationsmessungen oder Werten für Gasdurchlässigkeit angegeben wird? Für unsere Seminare haben wir dafür ein schönes Bild entwickelt.
Stellen Sie sich bitte einmal einen Quadratmeter der Folie vor, für die die Sauerstoffdurchlässigkeit angegeben wird – also ein Stück Folie mit den Maßen 1 m x 1 m. Der Zahlenwert, den Sie im Prüfzeugnis oder im Datenblatt oder sonst wo finden und in der Einheit Kubikzentimeter (cm³) pro (/) Quadratmeter (m²) mal (x) Tag (D) und bar angegeben wird entspricht demnach:

•    Genau der Menge an Sauerstoff,
•    die durch einen m² Folie
•    pro Tag durch permeiert (durch dringt)
•    vorausgesetzt der Druck ist auf beiden Seiten der Folie gleich.

Da eine Druckdifferenz zwischen beiden Seiten für die Geschwindigkeit des „Permeierens“ eine Rolle spielt, steht die Einheit bar mit in der kompliziert anmutenden Einheit der Permeationsrate.
Wenn man nun weiß, dass ein Kubikzentimeter in etwas dem Volumen eines Würfelzucker-Stückchens entspricht, wird die Einheit plötzlich anschaulich.

Bei PET beispielsweise sind typische Werte für eine 12 µm Folie rund 100 cm³/m² x d x bar. Mit anderen Worten es wandern 100 Würfelzucker-Einheiten an Sauerstoff durch einen Quadratmeter Folie am Tag durch – das ist ganz schön viel.
Wenn man solch eine Folie nun mit einer Metallisierung oder AlOx bzw SiOx-Beschichtung ausrüstet, kann sich der Wert auf z.B. 1 Stückchen „Würfelzuckerstückchen-Einheit“ Gas reduzieren.

Wenn Sie mal nachschlagen wollen, welche Folie welche Permeationsrate typischerweise zeigt, schauen Sie doch mal in unseren Permeationsrechner. Aber Achtung – alle unsere Werte im Permeationsrechner sehen Sie nur, wenn Sie bei InnoZONE (Mein.Innoform) eingelogt sind.

Diskutieren Sie mit mir und anderen Lesern. Gerne auch in unsere Innoform-XING-Gruppe.

1. Februar 2012
Abpacken in flexiblen Verpackungen Teil 2.1: Schlüsselstellen bei vertikalen Form-, Füll- und Schließsystemen: Produktschutz

Abpacken in flexiblen Verpackungen im Form-, Fill- Seal-Prozess Folien, Maschinen und Qualitätssicherung
von Dr. Manfred Reichert

Kurzzusammenfassung: Aufbauend auf Teil 1 (Abpacken in flexiblen Verpackungen: Konzepte für vertikale Form-, Füll- und Schließsysteme (FFS)) werden die Schlüsselstellen in ihren Grundzügen dargestellt: Im Teil 2.1 wird hier zunächst auf Grundzüge der Produktschutzverfahren eingegangen. Stichworte: Begasungsverfahren, Evakuierverfahren, Kombinationen dieser beiden Verfahren, Aromaschutz-Ventile, z. B. für Kaffee

Am Schluss dieses Inno-Letters wird noch darauf verwiesen, mit welchen Themen sich die nachfolgenden Teile befassen werden.

Produktschutz
In diesem Rahmen kann lediglich auf die wichtigsten Grundzüge eingegangen werden.

Produktschutz lässt sich definieren als Schutz vor chemischem, physikalischem und biologischem Verderb. Trockene Lebensmittel (unter denen die schüttfähigen Lebensmittel einen großen Anteil ausmachen) sind biologisch nicht gefährdet, wenn ihre Wasseraktivität unter der Gleichgewichtsfeuchte von 60% liegt. Deshalb sind „trockene Produkte“ nur noch durch mechanische Zerstörung, Substanzverlust, Lichtstrahleinwirkung und durch chemische Prozesse (v. a. Oxidation) bedroht.

Die Qualitätserhaltung trockener Lebensmittel durch Vakuum- und Schutzgaspackungen wirkt hier chemischen Langzeitschäden wie z. B. Oxidation entgegen. Lichtempfindliche Lebensmittel werden durch Sauerstoffentzug besser geschützt.

Bezüglich Produktschutzverfahren sind hier sowohl Evakuier- als auch Gasspülverfahren zu erwähnen, die auch kombinierbar sind. Beim Evakuierverfahren kommt das Produkt im ungünstigsten Fall unter Normaldruck (210 mbar = 21 % Sauerstoff) zur Verpackungsmaschine. (Quelle: K. Domke, neue Verpackung 1/94)

Zum Produktschutz bietet Bosch Packaging Technology verschiedene Verfahren wie Neutrafilter, Neutravac, Vacufin sowie Aromaschutzventile an.

Im Folgenden sind einige Grundlagen für Produktschutz und Ventile kurz dargestellt:
„Neutrafilter“: Hier handelt sich um eine Vorbegasung bei Schlauchbeutelmaschinen; der Restsauerstoffgehalt eines unter Normalatmosphäre geführten Produktes wird im Dosierer auf ca. 2 mbar reduziert. Gleichzeitig wird das Innere des Folienschlauches auf etwa den gleichen Wert gespült. Da bei der Abfüllung nur sehr wenig Außenluft hinzu gelangt, bleibt der Rest-Sauerstoffwert im geschlossenen Beutel auf diesem sehr niedrigen Niveau.
(Quelle: K. Domke, neue Verpackung 1/94)

Das Neutrafill-Prinzip ist in der folgenden Abbildung kurz dargestellt:

Abb. 1: Produktschutzverfahren „Neutrafill“
(Quelle (Bild): Robert Bosch GmbH, Packaging Technology, Waiblingen)

„Neutravac“: Hier handelt es sich prinzipiell um eine Kombination aus Begasung (Schutzgas) und einer Teilevakuierung. Hintergrund: Der Markt verlangt oft harte Packungen. Dazu wird das Produkt zuerst unter Schutzgas abgefüllt und unmittelbar danach in der Becherkette evakuiert. Das Maschinenkonzept dafür muss also aus einer Vertikalschlauchbeutelmaschine mit anschließender Becherkette bestehen. Man erhält sehr harte Rechteckpackungen: raumsparend, stapelbar, und die Packungen sind vom Endverbraucher an ihrer Härte kontrollierbar. Man erhält Restsauerstoffwerte von etwa 0,5-1,0% in der geschlossenen Packung. Bei diesem Prinzip wird außerdem kein weiteres Verpackungsmaterial für eine glatte Außenhülle benötigt, da die Oberfläche der Einlagenpackung bereits glatt ist. Als Produktbeispiel können Kaffee, Nüsse, Kartoffelprodukte u. ä. genannt werden.(Quelle: K. Domke, neue Verpackung 1/94)

Das grundsätzliche „Neutravac-Prinzip“ (Kopf-Evakuierung der vorbegasten Packung) ist in der nachfolgenden Abbildung zu sehen:

Abb. 2: „Neutravac“ Evakuierung (Quelle (Bild): Robert Bosch GmbH, Packaging Technology, Waiblingen)

Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass es daneben auch Evakuierung ohne Vorbegasung gibt („Vacufin“, siehe folgende Abbildung): Hier werden die Packungen in Kammern in einem Vakuumrad evakuiert. Dieses Prinzip wird jedoch in Dornradmaschinen eingesetzt.

Abb. 3: Kammer-Evakuierung (Quelle (Bild): Robert Bosch GmbH, Packaging Technology, Waiblingen)

Aromaschutz-Ventile:

Hintergrund:

Kaffee ist sehr sauerstoffempfindlich; frisch geröstete Kaffeebohnen geben 6 l Röstgas/kg Kaffee ab. Damit der Kaffee gleich nach dem Rösten ohne Qualitätsverlust verpackt werden kann und sich die Packung durch das Röstgas nicht aufbläht oder gar platzt, werden Aromaschutzventile auf die Packungen aufgebracht. Sie öffnen bereits bei einem Überdruck von wenigen mbar, lassen Röstgas aus der Packung entweichen und schließen dann wieder sauerstoffundurchlässig ab. Die „aromafin“-Ventile schützen vor Überdruck in luftdichten Packungen und machen dadurch die Zwischenlagerung von frisch geröstetem Kaffee überflüssig. Hierdurch wird Kontakt mit Sauerstoff vermieden, der Kaffee behält sein volles Aroma und Lagerkosten werden reduziert. Der Kaffee kann direkt nach dem Rösten verpackt werden und die Packung behält ihre gewünschte Form. Die Ventile sind kaum wahrnehmbar, funktionieren sehr zuverlässig, lebensmittelsicher. Sie sind an der Innen- oder Außenseite der Packung angebracht.

Hier hat Bosch ein weites Produktspektrum an außen und innen liegenden Ventilen mit den entsprechenden Applikatoren – geeignet für jeden Anwendungsfall. Die Bosch-Ventile haben einen reproduzierbaren, niedrigen Öffnungsdruck für eine entsprechende Verpackungsform im Verkaufsregal. Aufgrund der Ultraschweißtechnik ist die Siegelnaht des Ventils (nur bei innenliegendem Ventil) kaum sichtbar. Die Bosch-Applikatoren mit einer Leistung von bis zu 100 Beuteln/min zeigen höchste Prozesssicherheit (Effizienz) aufgrund verschiedener InLine-Überwachungen wie Sensoren für „Ventil vorhanden“ oder „Ventilfluid vorhanden“.

Einige Grundlagen zur Ventil-Funktion sind in der nächsten Abbildung „zu sehen“:

Abb. 4: Funktion des Aromaschutz-Ventils (Quelle: Robert Bosch GmbH, Packaging Technology, Waiblingen)

[Die Reihe wird fortgesetzt: In weiteren Teilen soll u. a. auf folgende Themenkomplexe eingegangen werden:
Teil 2.2.: Schlüsselstellen Siegel- und Schweißverfahren; weiter:
Trockene Füllgüter und beispielhafte Materialkombinationen und Spezifikationen; Qualitätskriterien und Qualitätssicherung (Material- und Beutelspezifikationen, praxisnahe Prüfmethoden, Dichtheitsprüfung) ]

Wir hoffen, dass wir Ihnen hiermit hilfreiche Informationen geben konnten. Für Rückfragen und Feedback stehen wir gerne zur Verfügung:

Dr. Manfred Reichert, Parkstrasse 36/1, 73630 Remshalden, Tel. 07151-72354,

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25. Januar 2012
Kennen Sie eigentlich den Unterschied zwischen Dichtheitsprüfung und Permeationsmessung?
“Prüfen und Bewerten von Folienverpackungen”: Permeation (Teil 1)
von Karsten Schröder (Innoform)

Dr. Horst-Christian Langowski vom Fraunhofer IVV in Freising sagte einmal sinngemäß auf einer Tagung: „Es muss erst alles dicht sein, bevor man Permeation messen kann“.

Das bringt es gut auf den Punkt. Die Permeationsmessung beginnt in der Regel erst dann, wenn mit üblichen Dichtheitsprüfmethoden kein Gas-/Flüssigkeitsaustausch mehr nachweisbar ist. Zur Verdeutlichung ein Praxisbeispiel:

Kennen Sie noch die Vakuumverpackungen mit gemahlenem Kaffee, die vor dem Kauf erst einmal schüchtern im Regal auf Ihre „Dichtigkeit“ hin getestet wurden? Haben Sie sich auch schon einmal dabei ertappt, die Vakuumverpackung mit normalerweise rund 500-00 mbar Unterdruck mit den Fingern zusammen zu drücken, um festzustellen, ob sie noch schön hart ist? Das tun Sie, obwohl die Verpackung vielleicht mit einer Hochbarrierefolie hergestellt wurde mit einer Aluminiumschicht als Gassbarriere. Da geht messtechnisch im Verbund kein Gas mehr durch. Dennoch weiß der geschulte Einzelhandelskunde, dass trotzdem manchmal die Packung „weich“ ist. Das liegt z. B. an der “Undichtigkeit” in der Siegelnaht oder an Mikrodurchstichen des Kaffeemehls. Haben Sie das gewusst?

Mit anderen Worten:
1. Die Permeationsmessung ist um ein vielfaches sensibler/genauer als die Dichtheitsprüfung. Sie kann somit als Untergruppe der Dichtheitsprüfungen angesehen werden.
2. Die Permeationsmessung beschäftigt sich mit dem Gasaustausch durch ein Material und nicht mit einer Strömung durch ein Loch, wie es die Dichtheitsprüfungen tun.
Genau das ist der Grund, warum für verpackten, gemahlenen Kaffee die Dichtheitsprüfungen und nicht die Permeationsmessungen zur verbesserten Qualität der Vakuumverpackungen führten. Mittlerweile sind übrigens fast alle Packungen immer sehr gut dicht. Aber wie steht es mit der Permeation? Diskutieren Sie mit mir und anderen Lesern. Gerne auch in unsere Innoform-XING-Gruppe.

Ich freue mich wieder auf zahlreiche Kommentare und Anregungen für weitere Beiträge in unserer Innoform Expertenecke hier oder auf XING.

Freundlicher Gruß,

Karsten Schröder

P.S. Weitere Artikel zu diesem Themenbereich finden Sie nachstehend:

2. Was bedeutet eigentlich die Einheit cm³/m³ x d x bar bei der Permeationsmessung?

3. Was ist eigentlich die Permeationsrate?

4. Was gibt die Wasserdampfdurchlässigkeit eigentlich an?

5. Was bedeutet, die Folie hat eine gute Barriere?

6. Welchen Einfluss hat Feuchtigkeit auf die Sauerstoffbarriere?

Die nächsten Innoform Veranstaltung finden Sie HIER.

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4. Januar 2012
“Drucken und Kaschieren” (Teil 8 von 8): Trouble Shooting Guide – Über die Analyse und Beseitigung von Fehlern im Laminierprozeß

8. Teil: Häufig verwendete Folien zum Drucken und Kaschieren
Trouble Shooting Guide – Über die Analyse und Beseitigung von Fehlern im Laminierprozeß

In den bislang vorliegenden Teilen der Artikelserie (Drucken und Kaschieren) stand die Komplexität des Herstellungsprozesses von Folien, die Kaschierung sowie das entsprechende Umfeld im Zentrum der Berichterstattung. Dabei wurden dem Leser technische Zusammenhänge nähergebracht, um dessen Blick für mögliche Fehlerquellen im Produktionsalltag zu schärfen. Der Sachbereich »Flexible Verpackung« besteht jedoch aus sehr vielen Einzelaspekten, weshalb Fehler in immer neuen Variationen auftreten können. Deshalb ist ständiges Lernen sowie der Austausch einschlägiger Informationen eine unverzichtbare Voraussetzung für eine möglichst fehlerfreie Produktion. Im abschließenden Artikel dieser Serie wird den Herstellern flexibler Verpackungen ein »Trouble Shooting Guide« an die Hand gegeben, der kurz und prägnant bei der Kaschierung von Verbundmaterialien auftretende häufige Fehler und deren Ursache benennt sowie entsprechende Lösungsmöglichkeiten aufzeigt.

Am Ende der Produktionskette
Unzureichende Verbundhaftung oder Siegelnahtwerte, die eine weitere Verarbeitung beispielsweise auf Form-Fill-Seal-Maschinen (FFS) unmöglich machen, gehören zum Schlimmsten, was einem Kaschierer zustoßen kann. Im Gegensatz zu den Designern, Verpackungsentwicklern, Folienherstellern und Druckern, die ihre Aufgabe im Herstellungsprozeß bereits erledigt haben, steht der Kaschierer am Ende der Produktions- und Veredelungskette. Bevor das geschnittene Rollenmaterial oder die konfektionierten Beutel ausgeliefert werden können, muß eine funktionsgerechte, fehlerfreie Kaschierung erfolgen. Tritt während dieses Vorgangs ein Fehler auf, waren alle vorher erbrachten Leistungen vergebens.

Denn ein derartiges Produkt darf nicht zur Auslieferung kommen, da ansonsten Schadensersatzansprüche von den Befüllern der Verpakkungen zu erwarten sind. Es muß daher allen an der Produktion von Verpackungsfolien Beteiligten klar sein, daß nur größte Sorgfalt einen derartigen Fall verhindern kann. Denn ein Fehler, ob nun beim Extrudieren oder Bedrukken entstanden, wird beim Kaschieren zumeist erst nach einigen Tagen erkannt. Nach Abschluß der Aushärtung des Klebstoffs, die von der Lagertemperatur der kaschierten Rollen abhängt, erweist es sich erst nach 5–10 Tagen, ob die Kaschierung erfolgreich war. Hierzu ist anzumerken, daß in den zurückliegenden Teilen dieser Artikelserie schon mehrfach auf Hilfsmittel und Werkzeuge

zur Sicherstellung der Kaschierqualität hingewiesen wurde. Dazu zählen beispielsweise das korrekte Mischungsverhältnis des Klebstoffs und dessen tatsächliches Verhalten im Produktionsprozeß.

Druckfarben und Klebstoffe
Oftmals liegen die Ursachen von Kaschierproblemen bereits im Druckprozeß, denn besonders Druckfarben und deren unterschiedliche Bestandteile können das Verhalten des Kaschierklebstoffs beeinflussen. Dies tritt vor allem dann auf, wenn die Druckfarbe nicht völlig ausgehärtet ist. Diesem unerwünschten Effekt kann mit verschiedenen Maßnahmen entgegengewirkt werden. Dazu gehören:

● Auftragsbezogene Auswahl des Farbsystems;
● Vorbehandlung der Foliensubstrate (z.B. Korona);
● Auswahl des Lösemittels ➞ »Verlauf« ➞ Topographie;
● Farbviskosität im Druck ➞ Rauhigkeit ➞ Topographie;
● Wirksamkeit des Bindemittels;
● Größe der Farbpigmente (insbesonders weiße Druckfarben oder Mischfarben, die mit Weiß angesetzt werden);
● Zusetzung geeigneter Additive. Lösemittelhaltige (LH) und lösemittelfreie (LF) Kaschierklebstoffe verhalten sich gegenüber Druckfarben sehr unterschiedlich. LH-Qualitäten werden zumeist mit höherer Auftragsmenge (g/m2; trokken) verarbeitet, während LF-Produkte aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften nur mit eingeschränkten Auftragsgewichten eingesetzt werden können. Das Problem mit der Rautiefe von Druckfarben läßt sich bei LH-Klebstoffen durch Erhöhen der Auftragsmenge kompensieren. Diese Möglichkeit ist bei LF-Klebstoffen jedoch nur im Zehntelgrammbereich möglich, wodurch diese Korrekturmöglichkeit erheblich eingeschränkt bzw. oftmals ausgeschlossen ist.

Bei einem derart komplexen Fertigungsablauf wie der Herstellung flexibler Verpackungen können immer wieder Fehler auftreten. Nur durch die konsequente Einhaltung bestimmter Regeln und ständiger Qualitätskontrolle der Abläufe innerhalb der einzelnen Fertigungsschritte kann diese schwierige Form der Veredelung (Kaschieren) erfolgreich durchgeführt werden. In diesem Zusammenhang kommt dem Informationsaustausch zwischen den am Fertigungsprozeß beteiligten Firmen und den jeweiligen Zulieferern eine besondere Bedeutung zu. Nachstehend sind einige Bereiche beispielhaft genannt:
● Granulate (z.B. Siegelschichten);
● Masterbatches (wichtige Additive);
● Druckfarben;
● Kaschierklebstoffe;
● Produktionsmaschinen (z.B. Extrusion, Druck- und Kaschiermaschinen);
● Hilfsstoffe (z.B. Lösemittel, Reinigungsmittel).

Um einen fehlerfreien Fertigungsprozeß sicherzustellen, stehen die Lieferanten in der Pflicht, alle relevanten Informationen zu Verfügung zu stellen und diese nicht unter dem Vorwand von Betriebsgeheimnissen vorzuenthalten. Zusammenfassung Fehler in der Herstellung flexibler Verpackungen lassen sich weitestgehend vermeiden, wenn alle Beteiligten über das notwendige Fachwissen verfügen. Um einer Wiederholung früherer Fehler vorzubeugen, bedarf es einer systematischen Bearbeitung und Analyse der jeweiligen Fehler. Es ist wenig hilfreich, mittels eines Telefonats oder einer e-Mail Schuldzuweisungen zu verteilen. Wichtig ist, daß Kaschierbetriebe bzw. Druckereien mit internen Kaschieranlagen in die Lage versetzt werden, das jeweilige verbundtechnische Problem präzise zu benennen. Dazu ist diesem Artikel ein Anhang mit dem Titel »Kaschierung – Trouble Shooting Guide« beigefügt, der eine Hilfestellung bei der Fehleranalyse in der Produktionspraxis geben will.

Zusammenfassung
Fehler in der Herstellung flexibler Verpackungen lassen sich weitestgehend vermeiden, wenn alle Beteiligten über das notwendige Fachwissen verfügen. Um einer Wiederholung früherer Fehler vorzubeugen, bedarf es einer systematischen Bearbeitung und Analyse der jeweiligen Fehler. Es ist wenig hilfreich, mittels eines Telefonats oder einer e-Mail Schuldzuweisungen zu verteilen. Wir gehen sicher davon aus, dass an einem Schadensfall beteiligte Firmen sehr interessiert sind zu helfen und gerne lernen was zu dem diskutierten Problem(en) geführt hat. Die Voraussetzung dafür ist jedoch das vom Kaschierbetrieb vermittelt werden kann um was für ein verbundtechnisches Problem es sich handelt. Der Aufwand ein brauchbares Protokoll eines aufgetretenen Schadens ist nicht aufwendig, vereinfacht jedoch die Kommunikation und hilft der Lösung des Problems.

P.S. Am 22./23. November können Sie uns auf der 2. Flexodruck-Tagung in Osnabrück treffen.
Dieses Mal dreht sich alles um: Ständig steigende Qualitätsansprüche und sinnvolle Lösungen?!
Es gibt völlig andere Themen und Erkenntnisse als vor 2 Jahren. Es hat sich viel getan.

Bilder, Videos und Experten Meinungen von der FD-Tagung stellen wir Ihnen nach der Tagung exklusiv auf unserer Facebook Seite zur Verfügung https://www.facebook.com/Innoform.Folienverpackungen?sk=app_247068188662059zur

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3. November 2011
“Drucken und Kaschieren” (Teil 7 von 8): Einige typische optische Probleme bei der Kaschierung

7. Teil: Häufig verwendete Folien zum Drucken und Kaschieren
Einige typische optische Probleme bei der Kaschierung

von Karsten Schröder

Zusammenfassung
Optische Mängel bei der Kaschierung sind heute in vielen Fällen auf Unwissenheit bei der Entwicklung neuer Produkte und Bedienung der Anlagen zurück zu führen, da die meisten Probleme technisch eigentlich gelöst und bekannt sind. In diesem Teil diskutiert Karsten Schröder wichtige, immer wieder auftretende optische Probleme bei der Kaschierung von primären Kunststoffkaschierungen mit und ohne Aluminium oder Papier.
Ausgehend von Falten und ihren Ursachen, werden auch Bläschen mit ihren mannigfaltigen Ursachen beschrieben.

1    Kaschierfalten
Falten sind so alt wie das Kaschieren selbst – warum sind sie immer noch da? Ein Grund für Falten sind schwankende Qualitäten der Basismaterialien. Denn – wie entstehen Falten eigentlich?

1.1    Querfalten
Querfalten z.B. sind auf unterschiedliche Längen der Kaschierpartner zurück zu führen. Oft treten Falten im Randbereich direkt beim Zusammenführen der Folien auf. Diese stammen von so genannten Hängekanten eines oder beider Materialien.
Gleicht der Maschinenbediener diese Hängekanten durch mehr Bahnspannung aus, so ist die Planlagetemperatur verschoben. Die Planlagetemperatur ist die Temperatur, bei der das ausgehärte Laminat plan liegt. Diese Temperatur ist besonders für die Weiterverarbeitung von Bedeutung.
Gleicht er diese Hängekanten nicht ausreichend durch mehr Bahnspannung aus, um die Planlagetemperatur korrekt einzustellen, kommt es zur Faltenbildung. Oft wird dieser schlechte Kompromiss in Kauf genommen in der Hoffnung: Die Wickelspannung wird es schon richten. Leider wird die Wickelspannung nur dazu führen, dass die Falte flach gedrückt wird und im besten Fall unkontrolliert verklebt. In jedem Fall können sich insbesondere bei Barriereverpackungen aus solchen Falten Delaminationen und Produktverderb ergeben – also kein „kleiner“ Mangel.
Ein Ausweg aus dem Dilemma ist zum einen das Wissen um das Problem und eine strikte Eingangskontrolle und Spezifikation der „Hängekantentoleranz“ Hierzu gibt es bisher mehrere, nicht genormte Verfahren. Prüfanweisungen hierzu können bei Innoform bezogen werden.

1.2    Längsfalten
Diese Falten in Maschinenrichtung ergeben sich entweder durch Materialmängel (Durchhang in der Mitte der Rolle) oder durch Maschinenmängel/ falsche Parameter an der Anlage.
Wird ein dünnes Material (z.B. PET-BO 12 µm) schon mit Längsfalten angeliefert, wird kein Kaschierer diese mehr ausbügeln können. In seltenen Fällen, eher schon bei dickeren, weicheren Folien, könne Breitstreckwalzen hier noch wahre Wunder verrichten, wenn mit optimaler Spannung gefahren wird – aber auch hier Achtung Planlagetemperatur.
In der Maschine entstehen Längsfalten ebenfalls durch mehrere Ursachen- Einige sind z.B. ein-/abgelaufene Walzen und Presseure, zu hohe Bahnspannung, zu grobe Walzenprofilierung bei dünnen Folien).
Für beide Faltenarten gilt: Vormaterialien machen einen Großteil der Problematik aus. Falten werden oft als Schönheitsfehler abgetan, können aber zu großen Fehlern bis hin zur Konsumentenschädigung durch Produktverderb führen. Falten können zusätzlich das Versiegeln von Verpackungen erschweren, wodurch sich zusätzliche Produktgefahren durch Undichtigkeiten ergeben.
Zusammenfassend ist also festzustellen, dass eine auf die leichte Schulter genommenen Faltenproblematik durchaus ernste Folgen haben kann. Falten sind vermeidbare und echte Kaschiermängel, die es in jedem Fall zu verhindern vermeiden gilt.

2    Blasenbildung
Blasen, Bläschen oder Kaschierflecken – egal wie man das Phänomen auch nennt – es ist vermeidbar und unschön. Es gibt eine Vielzahl von Ursachen für solche Fehler, die oft noch als leichte, optische Mängel (die oft toleriert werden) abgetan. Doch in vielen Fällen steckt mehr dahinter. Dort wo Bläschen zu sehen sind, ist die Verbundhaftung gestört und das kann auch zu technischem Versagen des Verbundes führen.

2.1    Wie sehen Kaschierbläschen und Kaschierflecken aus?
In den folgenden Abbildungen sehen Sie einige Aufnahmen aus unserem Labor, welche alle unter dem Sammelbegriff Blasenbildung zusammen gefasst werden können.

2.1.1    Regelmäßige, gleichmäßig verteilte Bläschen

Man sieht unter geeigneter Beleuchtung und geschultem Blick gleichmäßige, Stecknadelkopf kleine Flecken. Diese Flecken rühren von fehlendem Kontakt zwischen den beiden Kaschierpartnern her. Denn das Kleben bringt ja die beiden Partner eng zusammen, wodurch überhaupt erst eine Verbundhaftung und „Kontakttransparenz“ hergestellt wird. Ist dieser Kontakt nicht ideal, fehlt die o.g. Kontakttransparenz und das Auge nimmt diese Farbunterschiede abhängig von Farbton und Größe der Blasen wahr. Egal welche Blasen – das ist ein Alarmsignal für Kaschierer – das darf nicht passieren. Problematisch ist nur, dass einige Bläschen nach dem Aushärten verschwinden. Dieses ist durch Einwirkung von Wickeldruck bei Lösemittelfreien Kaschierungen oft der Fall, weshalb beim Kaschieren Bläschen gelegentlich unterschätzt werden.

2.2    Blasen aufgrund rauer Druckfarben wie z.B. weiß
Insbesondere in weiß bedruckten Bereichen findet man dieses Phänomen besonders häufig. Die Frage ist: Warum?

In der Draufsicht sieht man deutlich die grauen Flecken im weiß hinterlegten Bereichen. Das sind die Kontakttransparenz-Aussetzer“. Wie entstehen die und wichtiger – wie vermeidet der aufmerksame Kaschierer/Drucker solche Fehler?

Zum einen kann der Drucker eine geeignete, besonders fein gemahlene Druckfarbe verwenden, um die Rauigkeit des Farbfilms zu reduzieren, wodurch auch mit wenig Klebstoffmenge (1,8 bis 2,2 g/m² bei Lösemittelfreien Klebstoffen) gut und blasenfrei kaschiert werden kann.

In der Prinzipskizze wird verdeutlicht, wie sich zu wenig Klebstoff auf einer rauen Oberfläche (z.B. Druckfarbe) auswirkt.

Im folgenden Mikrotomschnitt sieht man ein weiteres Phänomen – der Klebstoff ist stellenweise gar nicht vorhanden. Es hat gar keine Benetzung stattgefunden. Das kann u.a. durch falsche Temperaturführung beim Auftragen, ungeeignete Kaschierpartner oder eine Druckfarbe mit zu geringer Oberflächenspannung entstehen.

2.3    Gasblasen
Betrachtet man nun im Gegensatz dazu eine Gasblase, die durch das entstehende CO2, welches bei der Reaktion von Polyol und aromatischem Isocyanat immer entsteht, sieht der Schnitt etwas anders aus.

Hier ergibt sich am Rand der wesentlich größeren und unregelmäßigen Blasen eine Art Wulst, die dadurch entsteht, dass das Gas den Klebstoff verdrängt. Der Klebstoff sammelt sich aufgrund seiner Kohäsionskräfte am Rand der Blase und es entsteht dieser Klebstoffwulst.

Das gleiche Phänomen tritt auch bei partiellen Benetzungsstörungen auf, die durch Kontamination der Oberfläche oder ungeeignete Oberflächenspannung passieren kann.

2.4    Blasen aufgrund ungleichmäßigen Auftrags im “Mikrobereich”
Betrachtet man mittels Multiple Imaging Alignment nun einen stark vergrößerten Bereich einer Klabstofffuge im Mikrotomschnitt, so sind oft enorme Dickenschwankungen der Klebstoffschicht in der Praxis zu beobachten.
In diesem Beispiel schwankt die Auftragsmenge auf einer Länge von 0,5 mm von 0,4 µm auf 4.4 µm (etwa = g/m²). Das kann nicht an einer falschen Walze oder schlechter Druckfarbe alleine liegen. Hier sind Rauigkeit und Oberflächenspannungseffekte mit im Spiel. Ein Lösungsansatz ist: Zunächst einmal die eigenen Produkte mit dem Mikroskop untersuchen, wie groß die Mikro-Schwankungen sind und ob Blasen sichtbar sind. Sollte das der Fall sein, kann das erneute vorbehandeln über dem Bedruckstoff schon Abhilfe schaffen, um eine möglichst hohe und gleichmäßige Oberflächenspannung zu erzielen. Zudem sollte die Viskosität des Klebstoffes variiert werden (durch Temperaturänderung), um den Einfluss dieses Parameters zu ergründen. Hier verhalten sich unterschiedliche Klebstoffe durchaus unterschiedlich auf gleichen Bedruckstoff und umgekehrt.

2.5    Stippen als Ursache für Blasenbildung
Auch Folien, Farb- oder Klebstoffstippen (Gels) können natürlich zu Kaschierfehlern führen, die sich als Blasen darstellen. Diese sind aber seltener pro Flächeneinheit und in der Regel deutlich größer.
Hier mal ein Beispiel einer Stippe in einer Folienschicht im Schnitt und Draufsicht:

2.6    Gasblasen CO2
Die oben schon erwähnten, durch Gasabspaltung bei der chemischen Reaktion zwischen den beiden, das Polyurethan bildende Komponenten, Polyol und Isocyanat, sind oft groß (mehrere Millimeter im Durchmesser nicht kreisrund und meistens unregelmäßig verteilt.

Diese Blasen treten vor allem bei Gasbarrierefolien wie SiOx beschichteten oder metallisierten Folien sowie EVOH Sperrschichtfolien gehäuft auf. Hier können aliphatische, Klebstoffe oder einer Reduzierung der Auftragsmenge Abhilfe schaffen. Zudem sollte das System nicht zu schnell reagieren, so dass das entstehende Gas permeiren kann. Hier ist also eine Temperung/Warmlagerung eher kontraproduktiv.

2.7    Gasblasen aufgrund einkaschierter Luft
Das Einkaschieren von Luft geschieht oft durch falsche Presseurhärte im Kaschierwerk. Ist der Presseur zu weich, entsteht enorme Walkarbeit, was zu Verbundstörungen führen kann. Ist er zu hart, werden Luftblasen nicht „ausgequetscht“ und dadurch nicht vermieden. Optimal wird üblicherweise eine Shore A Härte von 80 – 90° eingehalten. Was steht denn in Ihrem Wartungsplan für ein Sollwert und wie oft prüfen Sie die Härte eigentlich?

2.8    Blasen am Rand von Druckkanten
Sehr häufig finden sich Blasen am Rand von Druckkanten. Hier ist der Wickeldruck, insbesondere, wenn diese Kanten längs zur Laufrichtung verlaufen, geringer und Gase haben Platz sich zu sammeln. Hier helfen oft s.g. Stützlackierungen. Das sind transparente Lackierungen – meistens mit Verschnitt (= Farbe ohne Pigment), um diese Höhentoleranzen durch unterschiedliche Druckschichtdicken im Rapport oder in Längsrichtung auszugleichen.

[Artikel Serie 1-8 “Drucken und Kaschieren” wird fortgesetzt]

P.S. Am 22./23. November können Sie uns auf der 2. Flexodruck-Tagung in Osnabrück treffen.
Dieses Mal dreht sich alles um: Ständig steigende Qualitätsansprüche und sinnvolle Lösungen?!
Es gibt völlig andere Themen und Erkenntnisse als vor 2 Jahren. Es hat sich viel getan.

Bilder, Videos und Experten Meinungen von der FD-Tagung stellen wir Ihnen nach der Tagung exklusiv auf unserer Facebook Seite zur Verfügung https://www.facebook.com/Innoform.Folienverpackungen?sk=app_247068188662059zur

zur Innoform XING-Gruppe: “Sichere Folienverpackungen durch Prüfen, Bewerten und Wissen mit Innoform”

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24. Oktober 2011
“Drucken und Kaschieren” (Teil 6 von 8): Die Korona-Vorbehandlung

6. Teil: Ein Überblick über häufig verwendete Synthetikfolien zum Drucken und Kaschieren

Die Korona-Vorbehandlung

von MANFRED RÖMER, ANSGAR WESSENDORF

Um die Haftung von Materialien wie Klebstoffe oder Druckfarben auf Substraten zu ermöglichen, müssen deren Oberflächen entsprechende physikalische Benetzungseigenschaften aufweisen. Diese wiederum hängen von der Oberflächenspannung des jeweiligen Substrats ab, wobei in diesem Zusammenhang von polaren oder unpolaren Oberflächen gesprochen wird. Als ein etabliertes Verfahren, die erforderliche Spannung herzustellen, gilt die Korona-Vorbehandlung.

Die Korona-Vorbehandlung schafft auf unpolaren Oberflächenwie PE oder PP durch Oxidation polare Gruppen und verändert (erhöht) auf diesem Wege die Oberflächenspannung. Dadurch verbessert sich die Benetzung durch Klebstoffe oder Druckfarben und damit auch deren Anhaftung auf dem Substrat. Zusätzlich zu den angesprochenen Oxidationsvorgängen findet auch noch eine »Reinigung « der Oberflächen statt und es wird eine Mikrorauhigkeit hergestellt.
Unter der Voraussetzung korrekter Anwendung der Korona-Parameter führen diese drei Faktoren (Oxidation, Reinigung und Mikrorauhigkeit)
zu einer guten Anhaftung von Klebstoffen oder Druckfarben.

Vor den jeweiligen Bearbeitungsvorgängen stehen dem Drucker oder Kaschierer verschiedene
Möglichkeiten zur Prüfung der Oberflächenspannung zur Verfügung. Üblicherweise werden hierfür Testtinten und Teststifte eingesetzt, die eine ausreichend genaue Aussage über die Oberflächenspannung erlauben.

(Abbildung 1)

Die Entstehung der Oberflächenspannung beruht dabei auf folgendem Prinzip: Um die Moleküle aus dem Inneren der Flüssigkeit an die Oberfläche zu bringen, muß gegen die resultierenden Molekülkräfte Arbeit geleistet werden. Die Größe der Arbeit (Delta W) bezogen auf die gebildete Fläche (Delta A) ist die Oberflächenspannung. Die zu leistende Arbeit entspricht der Energie, daher wird sie auch Oberflächenenergie genannt (Abbildung 1).

Messung der Vorbehandlung

(Abbildung 2)

Obwohl es selbstverständlich noch eine ganze Reihe anderer einschlägiger Verfahren gibt, haben sich die Testtinten und Teststifte in der Praxis doch auf breiter Front durchgesetzt. Es muß jedoch in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen werden, daß sowohl Tinten wie auch Stifte nur eingeschränkt haltbar sind und daher nach dem Überschreiten der angegebenen Gebrauchsdauer keine zuverlässigen Ergebnisse mehr liefern (Abbildung 2).

(Abbildung 3)

Die Randwinkelmessung ist an Genauigkeit der Testtinte oder dem Teststift zweifellos überlegen, jedoch ist die Anwendung dieses Verfahrens in der täglichen Produktionspraxis
beim Drucken und Kaschieren viel zu aufwendig. Der Randwinkel stellt dabei ein Maß für das Benetzungsverhalten dar. Um einen Randwinkel messen zu können, muß die Oberflächenspannung der Testflüssigkeit größer als die Oberflächenspannung des Festkörpers sein (z.B. Folie). Sind die Oberflächenspannung von Testflüssigkeit
und Substrat gleich, findet eine vollständige Benetzung statt (Randwinkel = 0) (Abbildung 3).

Für Folien müssen bestimmte Korona-Vorbehandlungsintensitäten
erreicht werden, damit für die Bedruckung oder Kaschierung eine optimale Oberflächenspannung aufgewiesen wird:
● PE, PP-C > 38 mN/m
● PP-BO > 42 mN/m
● PA-C > 50 mN/m
● PA-BO, PET-BO > 52 mN/m

(Abbildung 4)

Optimale Vorbehandlung
In Abbildung 4 wird das Prinzip der Korona-Vorbehandlung bzw. die damit verbundenen oxydativen Vorgänge dargestellt. Insgesamt wird im Schaubild verdeutlicht, daß es sich hierbei um einen komplexen Vorgang handelt, der durch Bedienungsfehler oder mangelnder Anlagenwartung auch zu Mißerfolgen führen kann.

(Abbildung 5)

(Abbildung 6)

Die Oxidationsvorgänge an der Folienoberfläche bewirken, daß dem Substrat eine größere Oberflächenenergie verliehen wird. Durch Verdampfung erhöht sich die Mikrorauhigkeit der Substratoberfläche, die entscheidend zu einer besseren Haftung von Druckfarbe und Kaschierkleber beiträgt. Doch es ist darauf zu achten, daß insbesondere bei hoher Luftfeuchtigkeit es zu einem Abbau von Molekülketten und damit zu einer Verringerung der Oberflächenspannung kommen kann. Darüber hinaus wird durch Koronavorbehandlung die Siegelfähigkeit verschlechtert (Vernetzung der Makromoleküle). Im Zusammenhang mit der Korona-Vorbehandlung spielt auch die sogenannte »Aktivierungsenergie « eine wichtige Rolle. Sie bezeichnet das Niveau der einzubringenden Energie zur Initiierung der vorher genannten Prozesse. Die notwendige Dosis der Korona-Energie (W min/m2) zur Erreichung der gewünschten Oberflächenspannung (mN/m) variiert in Abhängigkeit zu den jeweiligen Foliensubstraten. In Abbildung 5 werden einige typische Zusammenhänge zwischen Dosis und Oberflächenenergie dargestellt. Die Vorbehandlung einer Folie wirkt nicht unbegrenzt, sondern erfordert nach Ablauf einer gewissen zeitlichen Frist eine Auffrischung. Abbildung 6 stellt den »Schwund« des Vorbehandlungsgrades in Abhängigkeit zur Zeit dar.

Viel hilft nicht viel

(Abbildung 7)

In diesem Zusammenhang könnte der Eindruck entstehen, diesem »Schwund« der Vorbehandlung bzw. der Oberflächenspannung mit dem Einbringen einer höheren Dosis an Korona-Energie entgegenwirken zu können. Davor muß jedoch dringend gewarnt werden, da das Einbringen einer zu hohen Dosis den gegenteiligen Effekt mit sich bringt und die Haftungseigenschaften durchaus wieder verschlechtern kann. Dies hat seinen Grund darin, daß ein zu hoher Energieeintrag die Substratoberfläche soweit abbaut, daß es zu adhäsiven Oberflächenbelägen kommt, die eine Haftung von Druckfarben oder Klebstoffen verhindern (Abbildung 7). Im Gegensatz dazu führt eine zu niedrige Korona-Vorbehandlung zu schlechter Benetzung und damit zu schlechten Anhafteigenschaften.

Fazit

Grundsätzlich ist die Kenntnis der in diesem Artikel vorgestellten Zusammenhänge für Drucker und Kaschierer äußerst empfehlenswert und vorteilhaft, um die Voraussetzungen zur Schaffung optimaler Oberflächenhaftung auf den jeweils eingesetzten Substraten zu schaffen (wird fortgesetzt).

[Artikel Serie 1-8 “Drucken und Kaschieren” wird fortgesetzt]

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13. Oktober 2011
“Drucken und Kaschieren” (Teil 5 von 8): Kaschiermaschinen und Auftragstechnik

5. Teil: Ein Überblick über häufig verwendete Synthetikfolien zum Drucken und Kaschieren
Kaschiermaschinen und Auftragstechnik
von Dipl.-Ing. Manfred Römer

Die moderne Kaschiertechnik, und die damit hergestellten Produkte (Laminate), sind heute, sowohl für technische Produkte als auch für Verpackungsmaterialien, nicht mehr wegzudenken.
Der Kaschiervorgang kombiniert die Materialeigenschaften einzelner Filme / Folien zu einem neuen Werkstoff mit oft überragenden Eigenschaften. Im Folgenden beschäftigt sich dieser Beitrag mit der Kaschiertechnik im Ganzen, ohne auf spezifische Maschineneigenschaften der unterschiedlichen Hersteller einzugehen.
Desweiteren bezieht sich dieser Beitrag im Besonderen auf die Herstellung von Laminaten (Verbundfolien) für den Lebensmittelverpackungsbereich.

Warum Verpackungsfolien?
•    Barriere gegen:
•    Licht, Gase (O2; N2; CO2; Wasserdampf …)
•    Gute Optik (Wechselspiel Kleber – Druckfarbe)
•    Festigkeit (Flächenhaftung + Siegelnaht)
•    Siegelbarkeit (Verschlusssicherheit)
•    Peelbarkeit (kontrollierte Öffnungskraft der Versiegelung)
•    Maschinengängigkeit (Potlife oder dyn. Panlife)
•    … u.a.

Welche Möglichkeiten zur Herstellung von Verbundfolien gibt es?

•    Kaschierung
– LF = Lösemittelfrei
– LH = Lösemittelhaltig
•    Mehrlagen-Extrusion (Adhäsions-Promoter)
•    LH-Primer (z.B. PU Kleber o.ä.)
•    Wässrige-Primer (EAA Dispersionen)
•    Primer aus der Schmelze (EAA)
•    Maleinsäure

Bei der Kaschierung unterscheidet man zwei wesentliche Techniken:
•    Lösungsmittelhaltig
•    Glattwalzenauftrag (Schöpfwalze/Auftragswalze)
•    Rasterwalzenauftrag (Schöpfwalze/Rakel)
•    Rasterwalzenauftrag (Kammerrakel)
•    Lösungsmittelfrei
•    Dreiwalzenauftrag (Stahl-Gummi-Stahl)
•    Vierwalzenauftrag ( Stahl-Stahl-Gummi-Stahl)

Schema der LH Kaschierung:

Schema der LF Kaschierung:

Definition der unterschiedlichen Kaschiertechniken:
Nasskaschierung und Trockenkaschierung.
Definition:
Wenn das Kaschieren unmittelbar nach dem Klebstoffauftrag , also ohne
Zwischentrocknung erfolgt, spricht man vom Nasskaschieren.
Bei den eingesetzten Klebstoffen handelt es sich um physikalisch
trocknende aber auch vernetzende Systeme.
Die Bindekraft beruht auf physikalische Prozesse, d.h. auf der
Trocknung des Klebstoffes nach Verdunsten des Lösungsmittels /Vehikels
(Wasser).
Die Anwendung von Dispersionen dominiert bei der Kaschierung
von Folien mit saugfähigen Stoffen, wie Papier, Pappe, Filz oder
Textile-Substrate.
Ist der zu verarbeitende Klebstoff in einem organischen Lösungsmittel gelöst, muss dieses Lösungsmittel vor dem Kaschierprozeß in einem Trockenkanal entfernt werden. Bei der Zusammenführung der Bahnen im Kaschierwerk liegt also ein „trockener“ Klebstofffilm vor und man nennt diesen Kaschiervorgang Trockenkaschierung.
Im Falle der lösungsmittelfreien Kaschierung (LF), wird natürlich kein Lösungsmittel verdampft und die Termini Nass – oder Trockenkaschierung treffen hier nicht zu. Bei der LF-Kaschierung ist folglich das „Nassauftragsgewicht“ auch das „Trockenauftragsgewicht“.
Es wird dem Leser klar, dass bei der LF Kaschierung ganz besonders auf gleichmäßigen Klebstoffauftrag geachtet werden muss, um z.B. optische Uniformität des Klebstofffilms sicherzustellen.
Da die Maschinentechnik für LH-Klebstoffe heute als perfekt bezeichnet werden kann und dem Verarbeiter durch die Tatsache, dass er mit dem Lösungsmittel nicht nur eine gute Benetzungshilfe zum Substrat, sondern auch ein „Werkzeug“ zur Kontrolle eines sehr homogenen Auftragsbildes besitzt, werden wir uns im Folgenden mit der LF-Klebstoffverarbeitung beschäftigen.
Mitte der 70iger Jahre gab es noch eine Fülle von Problemen bei der Verarbeitung von LF-Klebstoffen, die heute, sowohl von den Klebstoffherstellern als den Maschinenherstellern gelöst wurden.
Trotzdem stellt die perfekte LF-Kaschierung (Optik) bei der Fülle von möglichen Folienkombinationen und Druckbildern bzw. Druckfarben die Maschinenführer vor wechselnden Problemen.
Am Markt findet man überwiegend zwei Typen von LF-Kaschiermaschinen, die Drei- oder Vierwalzenmaschinen. Beide Maschinentypen besitzen noch eine Presseurwalze die den einzustreichenden Film auf die Klebstoffauftragswalze drückt.
•    In der Praxis haben sich beide Maschinentypen bewährt.
•    Die Tendenz nach unserer Beobachtung geht jedoch in Richtung der Vierwalzenmaschinen.
•    Moderne LF-Kaschierkleber laufen auf beiden Maschinentypen problemlos.
•    Ältere LF-Klebstoffentwicklungen zeigen für Vierwalzenmaschinen häufig ein zu geringes dyn. Panlife. Das ist die Zeit, die dem Maschinenführer zur Verfügung steht Einstellungen vorzunehmen, bevor er das Auftragswerk Grundreinigen muss.

Der Kaschierer hat bei der Verarbeitung von LF-Klebstoffen nur eine „Stellschraube“, die das Kaschierergebnis, was die Optik angeht, wesentlich beeinflusst, nämlich die Klebstoffauftragstemperatur! Andere wichtige Optimierungsmöglichkeiten oder Unabdingbarkeiten, wie die Koronavorbehandlung, werden im Laufe der Serie separat behandelt.

Man unterscheidet drei Varianten LF-Kaschierklebstoffe:
1.)    „kaltverarbeitbar“
2.)    „warmverarbeitbar
3.)    „heißverarbeitbar“
Für die jeweilige „Klasse“ gibt es bestimmte „Daumenregelungen“, was die Temperatureinstellungen betrifft.

Kaltverarbeitbar:
Dosierung :             <40°C
Auftrag      :              < 50°C
Kaschierwerk         50°C – 60°C
65°C – 75°C (mit Aluminium)

Bei langem Bahnweg der eingestrichenen Folie erhöht man die Kaschierwalzentemperatur um ca. 10°C.

Warmverarbeitbar:
Dosierung     :       < 40°C
Auftrag          :     55°C – 60°C
Kaschierwerk:     50°C /60°C                                                         65°C /75°C (mit Aluminium)

Bei langem Bahnweg der eingestrichenen Folie erhöht man die Kaschierwalzentemperatur um ca. 10°C.

Heißverarbeitbar:

Dosierung :                   >50°C – 60°C
Auftrag      :           65°C > 80°C
Kaschierwerk        50°C /60°C
65°C /75°C     (mit Aluminium)
Bei langem Bahnweg der eingestrichenen Folie erhöht man die Kaschierwalzentemperatur um ca. 10°C
?        Handhabung durch kurzes „Panlife“ problematisch.
?        Kleber reagiert auf der Auftragswalze.
Reinigung schwieriger! Klebstoffverluste durch Stopps!

Typische Maschinenkonfigurationen (Klebstoffauftragswerke)

Wie vorher gesagt kommt der Temperaturführung des Auftragswerkes eine besondere Bedeutung zu.
Durch falsche Temperaturführung der Dosier- oder Auftragswalze kommt es nicht nur zu schlechter Kaschieroptik, sondern auch zum „nebeln“ oder „spinnen“. Nebeln bedeutet, dass der Klebstoff in Form feiner Tropfen im Umfeld des Auftragswerkes zu einer Verunreinigung der Kaschiermaschine kommt und erheblichen Reinigungsaufwand erforderlich macht.
Spinnen bedeutet, dass es zwischen der Transferwalze/Auftragswalze und Auftragswalze/Substrat (einzustreichende Bahn)auf Grund gegebener Klebstoffzähigkeit zur Fädchenbildung kommt. Daraus resultiert u.s. schlechte Kaschieroptik.

Man spricht von einer idealen Klebstoffauftragstemperatur oder „Viskositätsfenster“. Dem Klebstoffhersteller muss es gelingen diesen Bereich so weit wie möglich bzw. nötig zu gestalten um dem Kaschierer eine optimale Verarbeitung des Klebstoffes zu gewährleisten.

Wird fortgesetzt.

von
Dipl. Ing. Manfred-Werner Römer

Römer Consult
Distelweg 26
28816 Stuhr-Seckenhausen

[Artikel Serie 1-8 “Drucken und Kaschieren” wird fortgesetzt]

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6. Oktober 2011