Folienprüfungen in der Wärme-/Kältekammer sind noch immer keine leichte Aufgabe und weit entfernt von einer Routineprüfung. “Aber warum ist das so?”, haben sich die Experten des Innoform Testservice gefragt und eine entsprechende Vorrichtung installiert. Seit der Investition von rund 40.000 € in Oldenburg steht die Zug-Druck-Prüfmaschine kaum noch still. Die Gründe dafür sind, dass gerade Verpackungsmaterialien aus Folie in den unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen „funktionieren“ müssen. Um Schäden zu vermeiden, oder schlimmer Schäden zu analysieren und zu verstehen, werden hier Kälte und Wärme nach Normverfahren simuliert und dann an der Folie die üblichen Versuche wie Zugversuch, Durchstichversuch etc. durchgeführt. Sollten Sie also Folien einsetzen oder herstellen, die bei extremen Klimata eingesetzt werden, prüfen Sie diese doch einmal bei genau diesen Bedingungen hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften. Was da alles geht, finden Sie hier: http://www.innoform-testservice.de/tpages/checkmethod/methods.php?group=10
Übrigens kann man in dieser Wärmekammer auch Schrumpfkräfte etc. bestimmen.
Neben dem mittlerweile beliebten Permeationsrechner zur Abschätzung der Barrierewirkung üblicher Verbundfolien auf der Innoform Web-Site, gibt es nun einen zweiten, nützlichen Rechner zur Abschätzung der beschleunigten Alterung, wie es die Fachleute nennen.
Was ist das? Eine beschleunigte Alterung für Folienverpackungen mit Füllgut ist ein Standardtest, um die Verträglichkeit der Verpackung mit dem Füllgut, aber auch beispielsweise die Gewichtsverluste von verpackten Füllgütern (z.B. Feuchttüchern) zu prüfen. Damit man aber bei lange haltbaren Füllgütern nicht so lange warten und testen muss, empfiehlt sich oft eine beschleunigte Prüfung bei erhöhter Temperatur. Dazu macht man sich den Grundsatz zu Nutze, dass u.a. chemisch-physikalische Prozesse bei einer Temperaturerhöhung von 10 Grad rund doppelt so schnell ablaufen.
Um diese Beschleunigung bei den drei Variablen
– Lagertemperatur,
– zu simulierende Dauer
– Versuchstemperatur
auszurechnen, haben wir diesen Rechner hier online gestellt.
Welchen Inhalt eine Konformitätserklärung haben muss, kann man dem Anhang IV der Verordnung (EU) Nr. 10/2011 entnehmen. Welche Angaben im Detail erforderlich sind und auf welcher Grundlage diese erfolgen müssen, ist leider nicht so einfach aus den Vorschriften abzuleiten. Dies ist der erste Teil einer Reihe von INNO-LETTERN, in der die erforderlichen Maßnahmen und Prüfungen für die Erstellung von Konformitätserklärungen Schritt für Schritt erklärt werden. Mehr:
1 Konformitätsarbeit
Basis für die Erstellung einer Konformitätserklärung ist die Konformitätsarbeit. Wenn man sich einen Baum vorstellt, so ist die Konformitätsarbeit die Wurzel, ohne die der Baum nicht existieren kann. Es handelt sich um eine Zusammenstellung von Belegen, mit denen der Ersteller der Erklärung nachweisen kann, dass sein Produkt den Anforderungen der Verordnung (EU) Nr. 10/2011 entspricht.
Für den fertigen Bedarfsgegenstand muss die Konformitätsarbeit in allen Punkten abgeschlossen sein. Dafür werden die Informationen zur Konformität aller verwendeter Rohstoffe zusammengeführt. Für Produkte einer frühen Herstellungsstufe wird in der Regel ein großer Teil der Konformitätsarbeit delegiert. Dies ist aber nur möglich, wenn konkrete Maßnahmen, z.B. welche Stoffe zu überprüfen sind, weitergegeben werden. Für alle nicht delegierten Aspekte, die relevant für die Beurteilung der lebensmittelrechtlichen Konformität des Produktes sind, trägt der Lieferant die Verantwortung.
Der Käufer eines Produktes kann nur die Verantwortung für die Maßnahmen übernehmen, die an ihn delegiert worden sind.
1.1 Welche Belege sind erforderlich?
Grundlage für die Konformitätsarbeit ist die Zusammensetzung des zu beurteilenden Bedarfsgegenstandes (Materialaufbau), die Dokumente zur Bestätigung der lebensmittelrechtlichen Konformität und die vorgesehene Anwendung. Aus diesen Daten lassen sich die erforderlichen Prüfungen, Berechnungen oder sonstige Maßnahmen ableiten, die die Konformität des Bedarfsgegenstandes belegen.
Der Materialaufbau sollte nicht nur alle Kunststoffschichten enthalten, sondern auch Klebestoffe, Haftvermittler, Druckfarben etc. Für jede Komponente muss ein Dokument zur Bestätigung der lebensmittelrechtlichen Konformität vorliegen. Diese Dokumente sind unter verschiedenen Begriffen im Umlauf, wie z.B. Konformitätserklärung, Unbedenklichkeitserklärung, Unbedenklichkeitsnachweis, Zertifikat, Hinweis zur Herstellung von Lebensmittelverpackungen usw.
Die Beschreibung der Anwendung sollte z.B. folgende Punkte abdecken:
Füllgut (Art, pH-Wert, vorgesehen für Säuglinge und Kleinkinder?)
Abfülltemperatur
Wärmebehandlung (Temperatur und Dauer)
Lagertemperatur
Haltbarkeit / Lagerzeit
Zubereitung in der Verpackung
Oberfläche / Volumen-Verhältnis
Durch folgende Belege kann aufgezeigt werden, dass der Bedarfsgegenstand den Anforderungen der Verordnung (EU) Nr. 10/2011 entspricht:
Ergebnisse von Prüfungen (z.B. Migrationsprüfungen)
Ergebnisse von Berechnungen, einschließlich Modellberechnungen
sonstige Analysen (z.B. Sensorik, Farblässigkeit)
Unbedenklichkeitsnachweise
wissenschaftliche Belege oder Begründungen
1.2 Wer muss die Belege zusammenstellen?
Der Hersteller oder Importeure der Rohstoffe, Zwischenprodukte oder Hilfsstoffe, die für die Herstellung von Materialien und Gegenstände, die mit Lebensmittel in Berührung kommen können, verwendet werden, müssen auf jeder Stufe der Herstellung entsprechende Belege bereitstellen.
1.3 Wer bekommt die Belege?
Diese Unterlagen werden in der Regel nicht an Kunden gegeben. Oftmals enthalten sie vertrauliche Angaben, wie z.B. Rezepturen, Bezeichnungen von Rohstoffen und deren Lieferanten, die als Firmen Know-how nicht nach außen gegeben werden. Die Belege sind auf Anfrage den nationalen Behörden zur Verfügung zu stellen. Im Rahmen von IFS-Audits können diese Belege ebenfalls überprüft werden.
1.4 Wie oft müssen die Belege überarbeitet werden
Bleiben die Rezepturen bzw. Formulierungen sowie die Verarbeitungsbedingungen im Rahmen eines Qualitätssicherungssystems konstant und ändert sich nichts an den rechtlichen Bewertungsgrundlagen, ist keine Überarbeitung notwendig.
Um sicher zu stellen, dass die Angaben vom Zulieferer aktuell sind, empfehlen wir in regelmäßigen Abständen überarbeitete Dokumente zur Bestätigung der lebensmittelrechtlichen Konformität anzufordern und zu überprüfen. Gegebenenfalls ist auch der Abschluss einer Vereinbarung mit den Lieferanten möglich, dass diese automatisch über Änderungen informieren.
Beispiel
Wir bei Innoform haben dafür ein festgelegtes Verfahren in unserer EDV programmiert, mit dessen Hilfe wir die Konformitätsarbeit strukturiert und systematisiert haben. Dieser Prozess ist so sicher, dass wir Ihnen den größten Teil der Konformitätsarbeit abnehmen können und möchten.
Und das funktioniert so:
1) Sie schicken uns ihren Materialaufbau, Informationen zur Anwendung des Bedarfsgegenstandes, die vorliegenden Konformitätserklärungen aller Inhaltsstoffe und sofern bekannt, die Ansprechpartner ihrer Lieferanten.
2) Wir werten die Daten aus, fragen, falls gewünscht, die fehlenden Informationen bei ihren Lieferanten an und erstellen Ihnen einen Maßnahmenplan:
Abbildung 1: Beispiel eines Maßnahmenplan aus einem Innoform-Konformitätsstatus
3) Bei Bedarf erhalten Sie ein Angebot für die erforderlichen Analysen
4) Sind keine weiteren Maßnahmen erforderlich, unterstützen wir Sie gerne bei der Erstellung ihrer Konformitätserklärung oder erstellen ein Konformitätsgutachten
Interesse? Gerne erstelle ich Ihnen ein individuelles Angebot!
Der nächste INNOLETTER wird sich mit der Auswertung der Daten beschäftigen.
In der neuen, erstmalig weltweiten Studie von Schönwald Consulting wird ausgewiesen, dass Standbeutel mit rund 150 Mrd. Stück pro Jahr produziert werden. Damit liegen die Standbeutel an Position 3 der verglichenen Verpackungen nach der PET-Flasche und der Getränke-Kartonverpackung. Mehr Informationen finden Sie u.a. unter: http://verpacken-aktuell.de/artikel/2014/2/20/marktuntersuchung-standbodenbeutel/
In den letzten Jahren sind bei der Bedruckung von Lebensmittelverpackungen mit UV-Lacken oder Druckfarben immer wieder Fälle von Migration von Lack- oder Druckfarbenbestandteilen aufgetreten. Als Beispiele sind hier die Photoinitiatoren ITX und Methylbenzophenon sowie die kationisch härtenden Sulfoniumsalze genannt.
Sogenannte migrationsarme Formulierungen, die aufgrund der beschriebenen Problematik entwickelt wurden, bieten einen ersten Lösungsansatz.
Durch den Einsatz der UV-Härtung unter Inert-Bedingungen (z. B. Stickstoff als Inertgas) kann der Umsatzes von Photoinitiatoren und Monomeren in UV-Formulierungen zusätzlich deutlich verbessert und somit die Gesamtmigration deutlich verringert werden.
1. Das Problem „Sauerstoff-Inhibierung“
Bei der UV-Härtung werden in den meisten UV-Lacken und UV-Druckfarben Acrylat-Systeme als Bindemittel oder Reaktivverdünner (Monomere) eingesetzt, die sog. Doppelbindungen enthalten.
Die ebenfalls in den Formulierungen eingesetzten Photoinitiatoren werden durch die
UV-Strahlung in hochreaktive Bruchstücke (Radikale) gespalten, die im Anschluss mit den Doppelbindungen reagieren und die Polymerisation ermöglichen.
Bei der häufig durchgeführten UV-Härtung an Luft, die zu ungefähr 21% aus dem für uns lebensnotwendigen, hochreaktiven Sauerstoff (O2) besteht, tritt die sogenannte „Sauerstoff-Inhibierung“ auf.
Ursache für die Sauerstoff-Inhibierung ist die hohe Reaktivität des Luftsauerstoffs, der mit den aus den Photoinitiatoren gebildeten Radikalen als Konkurrenzreaktion reagiert und die Polymerisation an der Lack-/Farboberfläche stoppt. Die Konsequenz dieser Konkurrenzreaktion ist, dass die gebildeten Filme an der Oberfläche klebrig, schmierig oder sogar flüssig bleiben.
Dieses Problem kann auf unterschiedliche Weise gelöst werden:
Erhöhung der UV-Dosis → das heißt entweder höhere Strahlerleistung (insbesondere kurzwellige UV-Strahlung) oder arbeiten bei geringerer Produktionsgeschwindigkeit
Einsatz größerer Mengen von Photoinitiatoren → hier steigt das Risiko der Migration, da der Photoinitiator niemals zu 100% umgesetzt wird.
2. Lösungsansatz: UV-Härtung unter Inert-Bedingungen
Die UV-Inert-Härtung wird unter Ausschluss von Luftsauerstoff, z. B. unter Stickstoff (N2) oder Kohlendioxid (CO2) durchgeführt. Somit kann keine Konkurrenzreaktion zwischen den Doppelbindungen und Luftsauerstoff erfolgen.
Die Konsequenz ist, dass in den Lack-/Farbrezepturen einerseits der Photoinitiatorgehalt deutlich reduziert werden kann (teilweise um mehr als 80%!!!) und andererseits die Umsetzung der Doppelbindungen deutlich gesteigert werden kann. Hieraus resultiert wiederum, dass wesentlich weniger migrierfähige Bestandteile (Photoinitiatoren und Restmonomere) im Lack-/Farbfilm zurückbleiben. Gleichzeitig werden auch die Oberflächen-eigenschaften der UV-Lacke/Druckfarben massiv verbessert.
3. Laborequipment für die UV-Inert-Härtung
Produktionsanlagen für die UV-Inert-Härtung bahnförmiger Substrate sind Stand der Technik. Vielfach müssen aber im Vorfeld der Produktion UV-Lacke und UV-Druckfarben im Rahmen der Qualitätssicherung unter Inert-Bedingungen auf Eignung getestet werden.
Hierfür wurden von der Fa. Addixx Specialities, Mörlenbach, Inert-Boxen für die UV-Inert-Härtung entwickelt. Die zum Patent angemeldeten Inert-Boxen mit den Produktgruppen
IB-KSR (mit Schnappverschluss) und IB-KSV (mit Schraubverschluss, flachere Variante) und das dazugehörige Sauerstoff-Messgerät wurden erstmals auf der European Coatings Show 2013 (ECS) in Nürnberg vorgestellt.
IB-K152010SV IB-K082507SR
Die Inert-Boxen bestehen aus einem Boxunterteil mit Bodenlochplatte (zum Fixieren von Substraten) und einem Deckel; sie sind ausgestattet mit einem Gaseinlass und Gasauslass sowie einem Bestrahlungsfenster (Spezialglas) im Deckel. Die Inert-Boxen können mittels zweier Schnellverschlüsse (K-SV) oder mit Hilfe von 4 Schrauben (K-SR) schnell und dicht abgeschlossen werden.
Es besteht die Möglichkeit, die Inert-Boxen stationär oder mobil z. B. auf Durchlaufanlagen zu betreiben.
Bei der stationären Arbeitsweise wird die Inert-Box direkt an eine Inertgasflasche oder an eine sonstige Inertgasquelle angeschlossen. Am Gasauslass kann das Inertgas mit Hilfe
eines Schlauches zum Abzug oder durch ein Fenster nach außen geleitet werden. Die Bestrahlung erfolgt direkt während der Inertisierung.
Für den mobilen Betrieb beispielsweise auf Durchlaufanlagen (Transportbänder) werden optional ein bzw. zwei Abschlussventile mitgeliefert (. Die Inertisierung erfolgt bis zum Erreichen einer definierten Rest-O2-Konzentration. Sobald diese erreicht ist werden die Ventile manuell verschlossen, das Eingangsventil von der Inertgasquelle getrennt, die Inert-Box auf ein Transportband gelegt und anschließend mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit bei konstanter Rest-O2-Konzen-tration unter der Strahlenquelle hindurchgefahren.
Die Messung der Rest-O2-Konzentration in der Inert-Box kann einfach mit Hilfe unserer Sauerstoff-Messzelle IB-MZ-001 „extern“ durchgeführt werden. Hierzu wird aus einer Inertgasquelle Gas durch das geöffnete Gaseinlassventil in die Inert-Box eingeleitet. Das geöffnete Gasauslassventil wird mittels eines Schlauches mit der Messzelle verbunden und diese mit dem Gas aus der Inert-Box gespült. Dabei wird kontinuierlich die aktuelle Rest-O2-Konzentration ermittelt und angezeigt. Das austretende Gas wird anschließend mit einem Schlauch in einen Abzug oder durch ein Fenster nach außen geleitet. Beim Erreichen der gewünschten Rest-O2-Konzentration werden die beiden Absperrventile der Inert-Box geschlossen und die Inert-Box von der Gasquelle und von der Messzelle getrennt.
In den ersten beiden Teilen der Analytik von Thermoformfolien wurden die Methoden wie Dickenmessung, Schrumpf, Glanzgrad, DSC, DMA und einige andere (siehe Inno-Letter „Analytik von Thermoformfolien – Teil I und Teil II “) beschrieben.
Der Inno-Letter Teil III (Teil I der „Analytik der Thermoformergebnisse“) beschäftigte sich mit Analysenmethoden für fertig geformte, aber noch offene Behälter.
In diesem Inno-Letter wird nun auf die wichtigsten Untersuchungsmöglichkeiten für fertig geformte, gefüllte und versiegelte Behältnisse eingegangen.
Dies sind vor allem die Bestimmung von:
Berstdruck und Dichtigkeit (sind eng miteinander verbunden)
Aufreißkraft
1 Allgemeines
Es werden Methoden gezeigt, mit denen die Gesamtqualität des fertig hergestellten, verschlossenen Behältnisses geprüft werden kann. Vor allem ist hier die Qualität der Siegelung, also des Aufbringens der Deckfolie auf die gefüllten Behältnisse, gemeint.
2 Berstdruck und Dichtigkeit
Zur Bestimmung der Qualität der Siegelung der Deckfolie auf die Becher bzw. Schalen von gefüllten verschlossenen Behältern platziert man diese Behälter in eine Vakuumkammer. Die Siegelqualität hängt im Einzelfall vor allem ab von:
Den Siegelbedingungen (Zeit, Druck, Temperatur)
Der Art und Qualität des Siegelmediums der Deckfolie
Und der Art der Bodenfolie
Die Vakuumkammer ist in der Regel mit Wasser gefüllt, so dass die Behälter vollständig im Wasser eingetaucht sind. Nun wird langsam ein Vakuum in der Kammer aufgebaut. Durch die entstehende Druckdifferenz werden die Siegelnähte beansprucht und eventuelle Leckagen können entdeckt werden. Es perlen Luftblasen aus dem Behälterinneren durch die Leckage in das umgebende Wasser.
Die genauen Testbedingungen (Höhe des Vakuums, Prüfdauer) hängen vom jeweiligen Einzelfall bzw. von den Kundenwünschen ab und werden mit dem Kunden festgelegt. Normalerweise bewegt sich die Testzeit im Bereich von 15 bis 20 Sekunden, im Extremfall bis zu einer Minute. Das erzeugte Vakuum (Differenzdruck zum Normaldruck) schwankt zwischen ca. 200 mbar und etwa 800 mbar.
Als konkretes Beispiel sei der Test von Kaffeesahne-Bechern erläutert, die in einer mit Wasser gefüllten Vakuumkammer geprüft werden.
Dazu wird eine gewisse Anzahl an Stichproben (diese ist jeweils im Einzelfall mit dem Kunden festzulegen) getestet. Die Packungen werden wie erwähnt in der Vakuumkammer platziert, ein Vakuum wird angelegt => „grobe“ Undichtigkeiten werden durch aufperlende Luftblasen erkannt. Es ist aber keine Aussage zu dem genauen Wert über die Größe der Undichtigkeit möglich. Die erkennbare Porengröße bei diesem Test liegt bei etwa 15 µ und drüber. Auch Kapillaren mit einer Länge von über 15 µ werden detektiert (Quelle: Fa. Innoform, Osnabrück, Fraunhofer AVV Dresden)
ABER: Die Lokalisierung der Leckage ist möglich (das ist sehr wichtig im Hinblick auf Troubleshooting und Fehlersuche)
Dieser Test ist eine in der Praxis sehr gängige Methode, relativ einfach und schnell durchzuführen.
Als Beispiel für ein Testgerät (Vakuumkammer) wird ein Apparat der Fa. Witt Gasetechnik, Witten (bzw. Fa. Haug Quality Equipment, CA, USA) kurz dargestellt.
Der Name des Prüfsystems ist: Pack-Vac Leak Detector:
Test der Packungen in einer mit Wasser gefüllten evakuierten Kammer
Testzeit: bis ca. 30 sec pro Prüfling
Nach erfolgter Evakuierung wird der Prüfling beobachtet, ob Luftblasen (=> Hinweis auf Undichtigkeiten) auftreten; eine Ortung der Leckage ist wie erwähnt möglich.
Eine Prüfkammer ist in folgender Abbildung zu sehen:
Abb. 1: Vakuum-Prüfkammer von Fa. Witt Gasetechnik, bzw. Fa. Haug Quality Equipment
Bei diesen Prüfungen besteht in der Praxis oft ein „Konflikt“ zwischen:
Siegelnahtfestigkeit (Öffnungskräfte, s. u.), und
Dichtheit
Denn oft wird zur Sicherheit die Packung zu fest versiegelt, sie ist aber dann zu schwer zu öffnen.
Dies hängt sehr von den Materialpaarungen der zu versiegelnden Kunststoffe ab (Siegellack bzw. Siegelbeschichtung der Deckfolie gegen Siegelschicht der Bodenfolie). Deshalb ist – jeweils in Absprache mit den Packstoffherstellern (Boden- und Deckfolie) und dem Kunden – oft Projekt bezogen ein Optimierungsvorgang nötig. D. h., es müssen des öfteren verschiedene Materialpaarungen untersucht werden, um jeweils die am besten geeignete Paarung herauszufinden.
Die Aufreißkraft ist auch abhängig von der Geometrie des Siegelprofils (s. u.). Es ist also immer eine optimale Abstimmung Öffnungskraft – Dichtheit nötig.
Ein anderer Schnelltest zur Untersuchung der Dichtigkeit von Siegelnähten ist der so genannte Rhodamin-Test:
Dazu werden in die von unten aufgeschnittene und entleerte Packung einige Milliliter 0,5 % ige Lösung von Rhodamin (rotes Pulver) in Propanol gefüllt. Damit wird die zu prüfende Siegelnaht benetzt. Jede Naht ist ca. 15 Minuten lang zu benetzen. Anschließend wird das Behältnis mit Warmluft ausgetrocknet. Nach dem vollkommenen Austrocknen (ca. 2 Stunden) kann untersucht werden, ob die rote Testflüssigkeit an irgendeiner Stelle nach außen gedrungen ist. Ist das rote Rhodamin dann auf der gegenüberliegenden Seite der Siegelung nicht zu sehen, ist die Siegelung – im Rahmen der erkennbaren Leckagegröße – dicht. Die Siegelnähte dürfen erst im völlig ausgetrockneten Zustand auseinander gezogen werden.
Mit diesem Test werden Leckagen (Kapillaren) von etwa > 15 µm detektiert (Quelle: Fa. Innoform, Osnabrück, Fraunhofer AVV Dresden).
Verschärft werden kann die Prüfung, wenn beispielsweise bewusst kleine Verunreinigungen (z. B. Verstaubung) bei Testsiegelungen mit eingesiegelt wurden (ist die Packung bei bestimmter Verunreinigung trotzdem rhodamindicht?)
Abb. 2: mit Rhodamin geprüfter Becher (Quelle: K. Schröder, Fa. Innoform, 2006)
In diesem Fall wurde der mit einer transparenten Deckfolie verschlossene Becher mit Rhodamin benetzt. Deutlich ist in der Bildmitte oben zu sehen, dass das rote Rhodamin von innen nach außen oder umgekehrt durch die Siegelnaht (weiß) gedrungen ist. Hier ist also eine undichte Stelle in der Packung gewesen.
Dieser Test ist bei transparenten Verpackungen direkt nach dem Entleeren und Reinigen möglich.
Bei Aluminium-Verbunden wird der Test nach Reinigung sowie Ablösung von Lack und Aluminium durchgeführt.
Die Undichtigkeit kann jeweils lokalisiert werden.
(Quelle: K. Schröder, Fa. Innoform, 2006)
Allgemeiner Hinweis zu Dichtigkeits-Prüfmethoden:
In diesem Rahmen kann nicht ausführlich auf die Vielzahl der möglichen Prüfmethoden zur Dichtheitsprüfung von Packungen eingegangen werden. Hier wurden nur exemplarisch einige Methoden kurz angeführt, die in der Praxis oft Verwendung finden.
Weitere Möglichkeiten zur Dichtigkeitsprüfung werden in einem separaten Inno-Letter in ihren Grundzügen beschrieben werden.
3 Aufreißkraft
Damit wird bestimmt, mit welcher Kraft ein Behälter zu öffnen ist, d. h. mit welcher Kraft die Deckfolie von dem Behälter abgezogen wird. Diese Messung hängt – wie die Messung des Berstdruckes – ebenfalls von den oben genannten Faktoren ab.
Zur Messung der Aufreißkraft spannt man die Behälter in eine Zugprüfmaschine ein. Beispielsweise fixiert man die Behältnisse in einem Winkel von z. B. 45°, indem sie durch eine Klemmvorrichtung fest fixiert werden. Die Aufreißlasche befindet sich dabei im unteren Teil des Deckels. Diese Lasche wird ebenfalls mit einer Klemmvorrichtung und einer Schnur mit der Zugmessdose verbunden. Die Traverse der Prüfmaschine fährt nun mit einer definierten Geschwindigkeit nach unten, dadurch wird der Behälter langsam geöffnet. Im Normalfall ist die anfangs gemessene Anrisskraft größer als die im weiteren Verlauf gemessene Weiterreißkraft.
Im Folgenden ist die Prinzipskizze der Möglichkeit zur Messung der Aufreißkraft dargestellt:
Abb. 3: Prinzipskizze zur Messung der Aufreißkraft:
Interessant ist, dass die Geometrie des Siegelprofils – v. a. im Bereich der Aufreißlasche – einen wesentlichen Einfluss auf die Öffnungskraft besitzt.
In der folgenden Abbildung ist deshalb ein Vergleich der Öffnungskräfte bei unterschiedlichen Siegelgeometrien dargestellt:
Abb. 4: Öffnungskräfte bei unterschiedlichen Siegelgeometrien
Zur Siegelnahtprüfung an Packungen existiert noch keine Norm (Quelle: K. Schröder, Fa. Innoform, 2006).
Abb. 5 zeigt noch mal ein typisches Beispiel eines Messdiagramms:
Abb. 5: Messkurve zur Ermittlung von Öffnungskräften (Quelle: K. Schröder, Fa. Innoform, 2006)
Es ist deutlich erkennbar, dass die Anrisskraft stärker ist als die Weiterreißkraft. Zum Schluss der Messung steigt die gemessene Kraft jedoch wieder an.
Die folgende Abb. 6 zeigt abschließend den Ausschnitt einer Vorrichtung zur Messung der Aufreißkraft: Dabei wird das Behältnis festgeklemmt und die Aufreißlasche (in Bildmitte oben zu sehen) wird mit der Messdose verbunden.
Abb. 6 : Vorrichtung zur Messung der Aufreißkraft (Quelle: K. Schröder, Fa. Innoform, 2006)
Abschließend sei erwähnt, dass es zu diesem Thema “Easy Opening peelbarer Verpackungen” ein Forschungsprojekt gab (2007 – 2009), das unter der Federführung des Fraunhofer-Anwendungszentrums für Verarbeitungsmaschinen und Verpackungstechnik AVV, 01189 Dresden (Ansprechpartner Frau Andrea Liebmann) war. Bezüglich weiterer Informationen hierzu wird gebeten, sich direkt mit Frau Liebmann in Verbindung zu setzen.
Ihre Daten sind: Andrea Liebmann, Heidelberger Str. 20, D – 01189 Dresden; Telefon: +49 (0) 351 / 4 36 14-40, Fax +49 (0) 351 / 4 36 14-59; andrea.liebmann@avv.fraunhofer.de;
www.avv.fraunhofer.de; www.easy-opening.com.
In den ersten beiden Teilen der Analytik von Thermoformfolien wurden die Methoden wie Dickenmessung, Schrumpf, Glanzgrad, DSC, DMA und einige andere (siehe Inno-Letter „Analytik von Thermoformfolien – Teil I und Teil II “) beschrieben.
In diesem Inno-Lettter wird nun auf die wichtigsten Analysemöglichkeiten der Ergebnisse der Thermoformung eingegangen, also auf Untersuchungsmöglichkeiten der fertig hergestellten Behältnisse (zunächst leere Behältnisse).
• Zusätzlich wird ein Teststand am Fraunhofer Anwendungszentrum (AVV) in Dresden in seinen Grundzügen beschrieben.
1 Allgemeines
Die oben genannten Möglichkeiten für Analysen sind einerseits wichtig im Hinblick auf die Überprüfung der Behälterqualitäten, die durch den Thermoformvorgang erzielt worden waren. Anderseits sind diese Analysen aber auch sehr wichtig im Hinblick darauf, in welchen Toleranzbereichen die einzelnen Behälterqualitäten jeweils innerhalb eines Mehrfachnutzens schwanken. Wie gleichmäßig ist z. B. die Becherqualität über einen Formtakt gesehen – beispielsweise bei 60 Bechern / Formtakt ?
2 Wanddickenverteilung
In der Regel werden – jeweils in Abhängigkeit von der Geometrie des zu beurteilenden Behältnisses – in den Behälterwänden, dann oft in den Ecken, und gegebenenfalls am Behälterboden genaue Positionen der Messpunkte zur Messung der Wanddickenverteilung festgelegt.
Beispiele: Wanddickenverteilung, Messpunkte an Bechern verschiedener Geometrie
Behälter 1:
Abbildung 1: Messpunkte für Wanddickenverteilung an Bechern
Oft werden die genauen Positionen der Messpunkte (x, y, z) vom Kunden vorgegeben. Die Messpunkte in der Becherwand und in der Ecke werden jeweils 4 mal am Becherumfang – jeweils um 90° versetzt – gemessen. Vom Kunden werden gewisse Mindestwanddicken an den einzelnen Messpunkten vorgegeben, die – mit einer statistischen Sicherheit – jeweils bei allen Bechern eines Formnutzens (s. o.) deutlich eingehalten werden müssen.
Die gemessenen Werte werden prozess-bedingt in einem gewissen Toleranzbereich liegen, bzw. um einen Mittelwert schwanken. Beispielsweise ist die geforderte Mindestwanddicke in Wandmitte 300 µ. Bei statistischer Auswertung der Messergebnisse müssen die Mittelwerte dann z. B. im Toleranzbereich 3 s über den 300 µ liegen.
Hintergrund ist – vereinfacht ausgedrückt – folgender: oft sind die Produkte, die der Kunde abfüllt, sehr empfindlich gegen Sauerstoff und Wasserdampf. Deswegen werden sogenannte Sperrschichtfolien zur Thermoformung eingesetzt.. Das sind Mehrschichtfolien, die eine Barriereschicht gegen Sauerstoff bzw. gegen Wasserdampf besitzen. (Auf spezielle Thermoformfolien wird in einem anderen Inno-Letter noch eingegangen werden). Bei der Thermoformung – von der flachen Ausgangsfolie zum fertigen Behältnis – ist die Wanddicke im fertigen Behältnis zwangsläufig geringer als in der Ausgangsfolie. Die Dickenverringerung der Sperrschicht ist dabei unverhältnismäßig größer als die der anderen Folienschichten, vor allem in den Ecken der Behälter. Zu dünne Stellen der Sperrschicht im Behälter haben eine verringerte Haltbarkeit bzw. im Endeffekt schlechtere Produktqualität zur Folge. Deswegen ist hier die Überprüfung der Behälterqualität anhand der Wanddickenmessung so wichtig. Die genaue Schichtdickenmessung der einzelnen Schichten – also auch der Sperrschicht – an kritischen Stellen im Behälter (z. B. an den Ecken) kann an sogenannten „Mikrotomschnitten“ vorgenommen werden.
Sollte die Becherqualität den Anforderungen des Kunden nicht genügen, so sind – ggf. umfangreiche – Optimierungsarbeiten am vorliegenden Prozess vorzunehmen. Auf prozesstechnische Einzelheiten bzw. Möglichkeiten zur Prozessoptimierung wird in einem späteren Inno-Letter eingegangen.
Keinesfalls lassen sich zu geringe Wanddicken im Behältnis allein durch Verwendung einer dickeren Ausgangsfolie beheben !
Messmethode: Normalerweise werden diese Wanddickemessungen zerstörungsfrei mit einem Dickenmessgerät vorgenommen. Solche Geräte werden z. B. von Fa. Panametrics angeboten (z. B. „Magna Mike 800“). Das Messverfahren ist magnetisch-induktiv. Zunächst werden die Messpunkte mittels einer Schablone auf den Bechern gekennzeichnet. Bei der Messung wird eine Messkugel mit definiertem Durchmesser in das Behälterinnere eingebracht. Von außen wird die Messsonde dann an den definierten Messpunkten angesetzt. Die Messsonde zieht die Messkugel dann jeweils an den definierten Punkt hin. Der Messwerte wird jeweils dann per Fußschalter abgespeichert.
Beispiel 2: Behälter 2
Abbildung 2 : Messpunkte für Wanddickenverteilung an einem flachen Behältnis
Behälter wie dieser werden auf die gleiche Weise ausgemessen. Jedoch bei Behältern mit solchen oder ähnlichen Geometrien ist selbstverständlich die Anzahl der Messstellen deutlich geringer.
3 Stauchdruck
Mit der Stauchdruckprüfung wird die Stabilität bzw. die Steifigkeit der thermogeformten Behälter ermittelt. Mit dieser Prüfung gewinnt man wichtige Erkenntnisse bezüglich der weiteren Behandlung bzw. Belastung der Behälter in der Praxis. Beispielsweise ist diese Prüfung wichtig, um die mögliche Belastung von in mehreren Lagen übereinander gestapelten Joghurtbechern zu bestimmen.
Der Stauchdruck bzw. die Behälterstabilität hängt eng zusammen mit der Wanddickenverteilung des Behälters. Im jeweiligen Einzelfall sind sowohl der geforderte notwendige Stauchdruck als auch die damit zusammenhängende Wanddickenverteilung durch entsprechende Auswahl der Thermoform-Folien und durch die optimale Einstellung der Thermoform-Verfahrensbedingungen zu optimieren.
Für die von den Kunden geforderten Stauchdruckwerte gilt das gleiche wie für die Werte der Wanddickenmessungen: die gemessenen Stauchdruckwerte müssen mit einer statistischen Sicherheit über den geforderten Mindest-Stauchdruckwerten liegen. Das heißt, die statistisch ermittelte Bandbreite – Stauchdruck-Mittelwert aus den Messungen, und Standardabweichung 3 s – müssen über dem geforderten Mindestwert liegen. Auch bei den gemessenen Stauchdruckwerten – wie bei den Werten der Wanddickenverteilung – wird man immer prozess-bedingt eine gewisse Streuung bzw. Toleranz feststellen. Dies ist sowohl bei einer Vielzahl von Messungen an einer einzelnen Kavität der Fall, als auch bei der vergleichsweisen Messung der Kavitäten eines gesamten Formnutzens.
Das Messprinzip ist – vereinfacht dargestellt – folgendes: die Behälter werden in der Regel leer, mit der Öffnung nach unten, in eine geeignete Prüfmaschine (beispielsweise ein Gerät von Fa. Zwick/Roell GmbH, Ulm) platziert. Von oben fährt mit einer festgelegten Geschwindigkeit eine an eine Druckmessdose gekoppelte Platte auf die Behälter und staucht sie zusammen. Hierbei wird die von dem Behälter aufgenommene Kraftaufnahme gemessen und mitgeschrieben. Sobald der Behälter zum ersten Mal einknickt, ist die Stauchdruckmessung in der Regel beendet. Der Stauchdruck ist dann gleich dem abgelesenen maximalen Wert der Kraft.
In nachfolgender Skizze ist das Messprinzip grob dargestellt:
Abbildung 3 : Prinzip der Stauchdruckmessung an einem Becher
4 Visuelles Erscheinen
Visuelles Erscheinen bedeutet: Beurteilung des optischen Aussehens der geformten Behälter. Hier sind vor allem folgende Punkte von Bedeutung:
• Ist die Ausformung überall vollständig erfolgt? Vor allem ist hier auf die kritischen Bereiche wie scharfe Kanten und Ecken zu achten.
• Ist der Behälter ansonsten in Ordnung? Hier ist darauf zu schauen, ob nicht ein ungewollter Rückschrumpf im Behältervolumen vorliegt. Vor allem bei Bechern aus Polypropylen kann dies bei ungenügender Kühlung bei dem Formprozess der Fall sein.
• Gibt es Abschreckmarken (sichtbar in Form von Schlieren etc.) auf der Innenseite des Behälters? Dies kann beispielsweise durch falsche Wahl des Vorstreckmaterials bzw. der Vorstreckstempelgeometrie der Fall sein, kann aber auch z. B. durch falsch gewählte Temperatur beim Heizprozess der Folien hervorgerufen werden. Vor allem bei der Herstellung von transparenten Behältern sind diese Abschreckmarken dann zu sehen.
5 Wasserdampfdurchlässigkeit (WDD)
Allgemein ist die Empfindlichkeit von Lebensmitteln gegenüber Wasserdampf weitaus geringer als gegen Sauerstoff. Deshalb sind hier auch die Anforderungen an eine wasserdampfdichte Verpackung – von Extremen abgesehen – geringer, so dass in Fällen mäßiger Empfindlichkeit und / oder kürzeren Lagerzeiten auch Packungen mit beispielsweise
nur dicht gefalteten Verschlüssen angewandt werden können (Quelle: Buchner, N, Verpackung von Lebensmitteln, Springer Verlag Berlin, 1999, S. 217).
Die WDD ist in der Praxis üblicherweise angegeben in [g x 100 µm/m2 x d]. Mit DIN 53122 sind die Bedingungen für die Messung des Durchgangs von Wasserdampf durch Packstoffe genormt. Bevorzugt ist hierbei 23°C, 85 – 0% r. F., und 38°C, 90 – 0% r. F.
Zur Messung der WDD kann beispielsweise ein Gerät der Fa. Mocon, Elk River, MN, USA, verwendet werden (z. B. PERMATRAN-W 3/31). Hier wird ein spezieller Infrarotsensor verwendet, um die WDD durch flache Folien oder fertig geformte Packungen zu detektieren. Weitere Einzelheiten zum Messprinzip sind in diesem Rahmen nicht möglich.
6 Sauerstoffdurchlässigkeit
Bei der Gasdurchlässigkeit von Folien ist die Sauerstoffdurchlässigkeit die wichtigste Art von Gasdurchgang. Die Gasdurchlässigkeit wird nach DIN 53380 gemessen. Die Gasdurchlässigkeitswerte von Kunststoffen werden in den einschlägigen Tabellen angegeben in Ncm3 x 100 µm/m2 x d x bar. (Quelle: Buchner, N:, wie unter Punkt 5)
Als Beispiel eines Messgerätes zur Sauerstoffdurchlässigkeit sei das Gerät OX-TRAN 2/20 der Firma Mocon erwähnt. Es können damit flache Folien oder geformte Packungen gemessen werden. Hier ist das Messprinzip folgendes: Es wird ein spezieller Sensor verwendet. Flache Folienzuschnitte werden in die Diffusionszelle eingespannt, die dann anhand eines sauerstofffreien Trägergases von Restsauerstoffspuren gereinigt wird. Das Trägergas wird zum Sensor geleitet, bis sich ein stabiler Nullwert eingestellt hat. Dann wird reiner Sauerstoff in die Außenseite der Diffusionszelle eingeleitet. Sauerstoffmoleküle, die durch die Folie zur inneren Kammer diffundieren, werden durch das Trägergas zum Sensor transportiert.
7 Lichtdurchlässigkeit
Lebensmittel-Packungen sind auf ihrem Vertriebsweg oft natürlichem Licht ausgesetzt. Die Lichtgefährdung solcher Lebensmittel ist dabei in den letzten Jahren gestiegen. Denn es wurden z. B. des öfteren Wandstärken von teildurchlässigen Packungen (z. B. Kunststoffbechern) aus ökologischen Gründen reduziert.
Ein Maß für die Menge des durch einen Packstoff durchgehenden Lichtes ist die Trübung. Bei teilweise lichtdurchlässigen Packungen wird neben dem durchgehenden Lichtanteil ein Teil remittiert (zurückgewiesen), ein anderer Teil absorbiert. Die gemessenen Werte werden dementsprechend dargestellt als:
• Lichttransmission in %, z. B. abhängig von der Packstoffdicke
• Oder als Remission (Reflexion)
Es ist möglich, den Packstoffen UV-absorbierende Filterzusätze zuzusetzen (Quelle: Buchner, N., wie unter Punkt 5)
8 Testapparatur zur praxisnahen Beurteilung der Thermoformbarkeit (Federführung: Fraunhofer AVV Dresden)
Bisher erschwerten Probleme bei der Beschreibung der Thermoformbarkeit von Kunststofffolien die Kommunikation zwischen:
• Packstoffherstellern
• Maschinenherstellern
• Verarbeitern
Deshalb entstanden Anregungen bzw. Wünsche der Endverarbeiter für eine Suche nach einem praxisnahen Prüfverfahren, mit dem die Thermoformbarkeit von Folien beurteilt werden konnte.
In einem Gemeinschaftsforschungsprojekt der IVLV, welches durch die AiF gefördert wurde (Vorhaben 13091BR) – bestehend aus Folienherstellern und Maschinenherstellern, sowie dem Fraunhofer AVV Dresden – wurde so ein Prüfverfahren entwickelt, mit dem die Thermoformbarkeit als Messgröße erfasst werden kann.
Im Endeffekt wurde ein Thermoform-Versuchsstand aufgebaut, mit dem unter definierten Bedingungen Prüfkörper hergestellt werden. Als Maß für die Beurteilung diente die Wanddickenverteilung an exakt definierten Messpunkten, zusammen mit den Umformparametern (also jeweils Messung der Wanddickenverteilung bei unterschiedlichen Herstellbedingungen).
Einstellbare Parameter des Versuchsstandes: Heiztemperatur (bis 160°C), Heizzeit (ab 1 sec), Formdruck (bis 6 bar), Formzeit (ab 250 ms). Je nach gewünschtem Umformgrad konnte zusätzlich die Formtiefe in der Prüfform variiert werden. Dadurch konnten die Folien bis zur Grenze der Verarbeitbarkeit getestet werden.
Konkret benutzte man als Prüfform eine Becherform mit Kopfkreisdurchmesser von 100 mm. Die Becherhöhe war zwischen 50 und 80 mm variierbar.
Gestaltung des Formbodeneinsatzes: im Bereich der Becherrundung entsteht ein Absatz mit 1 mm Breite. Hiermit soll die Ausformung der Form überprüft werden. Der Packstoff wird auch in die gesamte Form gedrückt. Eine Entformschräge von 5° soll dabei die Entformung erleichtern (siehe folgende Abbildung 4):
Prüfform für die Vorversuche
Ein Bild der Formstation ist in der nachfolgenden Abbildung 5 zu sehen:
Formstation
Formstation mit den Umformparametern. Daraus ergeben sich folgende Vorteile:
• Genaue Definition des Funktionsbereiches der Folie
• Möglichkeit der Folienprüfung vor der Verarbeitung in der Maschine
• Parameter-Einstellung abhängig vom Funktionsbereich der Folie
Mit diesem Wissen um die Thermoformbarkeit der Folie ist eine höhere Prozessstabilität erreichbar. Ach wird die Qualität der hergestellten Produkte gesichert oder verbessert, und Ausfallzeiten werden minimiert.
Aktuell werden weitere Verbesserungen am Fraunhofer AVV untersucht. Aktuelle Forschungsschwerpunkte sind: Weiterentwicklung des Verfahrens sowie Einsatz von Heizelementen zur gezielten ungleichmäßigen Folienerwärmung.
Ziel des Forschungsprojektes:
• Vereinfachung des Thermoformprozesses dahingehend, dass auf Vorstreckstempel verzichtet werden kann
• => Steuerung der Wanddickenverteilung durch die unterschiedlichen Folientemperaturen. Dazu wird eine kreisförmige Heizplatte mit neun konzentrischen Heizkreisen verwendet, die jeweils separat steuer- und regelbar sind.
• Parallel dazu wird ein FEM-Modell zur Simulation der Vorgänge bei der Thermoformung erstellt.
Zur Reduzierung des derzeitigen hohen Mess- und Auswerteaufwandes wird eine Alternative des Umformverhaltens untersucht: Das zu prüfende Halbzeug wird in den freien Raum geformt. Die erzielte Umformtiefe zeichnet man in Abhängigkeit verschiedener Parameter auf.
(Quelle: Fraunhofer AVV, Dresden, Informationsflyer-Thermoformen, 2010)
Hier gelangen Sie zu Teil 1 sowie zu Teil 2 der Inno-Letter Reihe “Thermoformen Analytik”.
Wir hoffen, dass wir Ihnen hiermit hilfreiche Informationen geben konnten. Für Rückfragen und Feedback stehen wir gerne zur Verfügung:
Im ersten Teil der Analytik von Thermoformfolien beschränkte ich mich auf die klassischen Methoden wie Dickenmessung, Schrumpf, Glanzgrad, und einige andere (siehe Inno-Letter „Analytik von Thermoformfolien – Teil I “). Teil II geht auf weiterführende Methoden ein:
In den nachfolgenden Abschnitten
DSC (Differential Scanning Calorimetry)
DMA (Dynamisch-mechanische Analyse)
Torsionsschwing-Versuch
werden weiterführende Methoden zur Analyse von Thermoformfolien beschrieben. Ziel ist es, dem Anwender Hilfestellungen aufzuzeigen, wie mit solchen Methoden die Eigenschaften der Thermoform-Folien im Hinblick auf ihr Verhalten auf der Thermoform-Maschine besser als bisher erfasst werden können. So sollen z. B. Unterschiede von Folien verschiedener Hersteller, die nominell anscheinend gleich sind, sich aber beim Thermoformen deutlich unterschiedlich verhalten, erkannt und bewertet werden. Dadurch soll insgesamt die Prozesssicherheit verbessert werden. Allerdings werden wohl des Öfteren zur genauen Analyse und Interpretation spezielle Fachfirmen bzw. Fachinstitute hinzugezogen werden müssen.
1 Allgemeines
Die Qualität der Folien, die beim Thermoformprozess verarbeitet werden sollen, ist von extrem wichtiger Bedeutung. Die Thermoformung – also die Herstellung von Bechern, Schalen etc. aus der flachen Ausgangsfolie – stellt dabei beispielsweise bei der Verpackung von Lebensmitteln einen sehr wichtigen Verfahrensschritt dar.
Durch die Qualität der Folien wird wesentlich das Betriebsverhalten einer Thermoformmaschine mit bestimmt. Und das Betriebsverhalten bestimmt im Endeffekt die Wirtschaftlichkeit und die Produktivität des Herstellprozesses. Denn durch eine nicht maschinengängige oder schlechte Thermoformfolie werden Funktionsstörungen im gesamten maschinellen Ablauf verursacht.
In der Praxis hat es sich oft als schwierig erwiesen, solche Funktionsstörungen zu erklären bzw. eindeutigen Ursachen zuzuweisen:
Ist die Störung durch die Maschine bedingt? Beispielsweise sind Probleme oder gar der (teilweise) Ausfall der Folienheizung bzw. auch Probleme beim eigentlichen Thermoformprozess denkbar. Beim Thermoformprozess kann z. B. eine schlechte Abstimmung im Prozessablauf vorliegen, oder eine Beschädigung oder falsche Materialauswahl bei den Vorstreckstempeln etc.
Ist die Störung durch die Qualität der Folie bedingt? Wie kann die Qualität bzw. können Schwankungen in der Qualität festgestellt werden?
Auch können Funktionsstörung selbstredend beide Ursachen – Maschine und Folie – gleichzeitig haben.
Auf jeden Fall muss den vielen möglichen Gründen im Einzelfall nachgegangen werden. Was die Folie betrifft, so ist es sehr wichtig, die Qualität genau angeben zu können, und die Folie entsprechend durch geeignete Analysen untersuchen zu können.
Das ist in letzter Zeit immer wichtiger geworden. Die Thermoformfolien wurden laufend weiter entwickelt, dadurch wurden und werden immer größere Anforderungen an die Betreiber von Thermoformanlagen gestellt: bessere und gleichmäßigere und immer gleich gute Qualität der hergestellten Behälter, möglichst bei gleichzeitiger Verwendung von dünneren Folien als bisher (Packstoffersparnis und dadurch Erhöhung der Wirtschaftlichkeit). Dazu ist auch eine Gewährleistung einer guten Maschinengängigkeit der Folie beim Thermoformen auf der Maschine unbedingt notwendig.
Es kommt erschwerend hinzu, dass hier die Anwendung von relativ schwer verarbeitbaren Folien wie Polypropylen (PP) große Zuwachsraten aufweist. PP ist ein so genannter teilkristalliner Kunststoff. Das bedeutet, vereinfacht ausgedrückt, dass dieses Material bei der Erwärmung (Vorstufe vor der Thermoformung) nur in einem sehr engen Temperaturfenster erwärmt werden kann, was an sich schon relativ hohe Anforderungen an die Ausführung der Heizstation der Maschine bedeutet. Andere gängige Materialien wie Polystyrol (PS) oder Polyvinylchlrorid (PVC), die amorphen Charakter haben, können im Gegensatz dazu in einem breiteren Temperaturfenster verarbeitet werden.
Bei einer PP-Folie hat aber auch die Morphologie (d.h. ihr innerer Gefügezustand mit seiner teilweise kristallinen Struktur) einen Einfluss auf die Thermoformung. Weitere Einflüsse sind: die Art des Folienextrusionsprozesses, die dabei verwendeten PP-Typen, und auch die Bedingungen bei der Lagerung der Folien.
Eine umfangreiche Analytik der Folien bzw. Qualitätssicherung muss deshalb in der Lage sein, diese Qualitätsmerkmale so weit wie möglich zu erfassen und auch zu bewerten.
Wurde bisher nur von so genannten Monofolien (wie z.B. PP und PS) gesprochen, so werden aber oft in der Praxis für empfindliche Abfüllprodukte, die eine längere Haltbarkeit erfordern, Verbundfolien eingesetzt. Diese haben beispielsweise eine zusätzliche Sperrschicht gegen Sauerstoff und / oder gegen Feuchtigkeit eingebaut.
Bei all diesen Folien ist hier eine möglichst genaue Folienspezifikation bzw. –definition notwendig.
Zur genauen Erfassung der Folienqualität werden bisher vor allem die klassischen Prüfmethoden verwendet, die bereits im vorherigen Inno-Letter („Analytik von Thermoformfolien – Teil I „) beschrieben wurden.
Schrumpfmessung
Dickenmessung (Dicke der Gesamtfolie bzw. der Einzelschichtdicken)
Zugversuch
Oberflächenbeschaffenheit (Glanzgrad)
Flammenfärbung (Schnelltest zur Materialbestimmung)
Diese klassischen Methoden sind aber nicht ausreichend, haben nur eine bedingte Aussagekraft. Damit kann weder den Werkstoff noch dessen Güte identifiziert werden. Eine Aussage zum jeweiligen Gefügezustand der Folien und damit zu deren Verformbarkeit ist nur bedingt möglich.
Nun kommt es in der Praxis oft vor, dass Anwender Folien von verschiedenen Herstellern benutzen, die nominell anscheinend gleich sind. Eine ausführliche Analyse der Folien ist mit den oben genannten Methoden aber nicht ausreichend möglich.
Es sind auch beispielsweise verschiedene Unterschiede in den Folien – die man so ohne weiteres nicht erkennen kann – möglich. Die Unterschiede können z. B. in der Qualität der verwendeten Rohstoffe liegen, oder in der Anzahl und Qualität von Zusätzen zur Folie.
Auch kann ggf. Rezyklat als eine Schicht in der Folie – nicht zur Produktseite hin – verwendet werden.
Ebenso kann die Methode der Folienherstellung – also die Technik des Folienextrusionsprozesses – bei den verschiedenen Folienherstellern unterschiedlich sein.
All dies kann sich auf das Verarbeitungsverhalten auf der Maschine auswirken.
Es sind deshalb in Ergänzung zu den herkömmlichen Prüfmethoden optimierte und dabei praxisgerechte Prüfmethoden für die Thermoformfolien nötig, um weitere nötige Informationen zu erhalten. Diese Methodensollen die klassischen Methoden ergänzen bzw. deren Nachteile ausmerzen.
Solche Testmethoden sind:
DSC (dynamische Differenz-Kalorimetrie, bzw. Differential Scanning Calorimetry)
DMA (dynamisch-mechanische Analyse)
Torsionsschwing-Versuch
2 DSC (Differential Scanning Calorimetry)
Mit der DSC werden thermische Effekte ermittelt, die mit physikalischen Umwandlungen wie Glasübergängen, Schmelz- und Kristallisationsvorgängen verbunden sind. Der Glasübergang ist ein reversibler Übergang in amorphen Materialien oder in amorphen Bereichen teilkristalliner Materialien von einem harten und relativ spröden, eingefrorenen Zustand in den Zustand der Schmelze bzw. in einen gummiartigen Zustand. Darüber hinaus kann mit der DSC aber auch die spezifische Wärmekapazität der Folien bestimmt werden.
Die DSC ist nach den Normen DIN 51007 und DIN 53765 beschrieben.
Bei der DSC wird das Material einem kontrollierten Temperatur-/Zeit-Programm unterworfen. Dabei wird der Wärmestrom von und zur Probe gemessen. Messgröße ist die Temperaturdifferenz zwischen der Probe und einer Referenz. Diese Temperaturdifferenz ist proportional zu dem von der Probe aufgenommenen oder abgegebenen Wärmestrom. Es können somit alle physikalischen und chemischen Vorgänge, die mit einem Wärmeeffekt verbunden sind, charakterisiert werden. Man gewinnt Informationen über endotherme und exotherme Wärmetönungen. Somit erhält man sehr gute Möglichkeiten, Materialunterschiede in den verschiedenen Folienchargen zu erkennen.
Die DSC bietet optimale Möglichkeiten, wenn es darum geht, Materialunterschiede zu erkennen. Der praktische Grund für diese Analyse ist folgender: die Thermoformmaschinen werden bei den Abnahmeläufen auf eine bestimmte Foliensorte eingestellt. Genau diese Folie wird bei der Maschinenabnahme verwendet und ist somit die Referenzfolie. Von dieser Folie wird eine DSC-Analyse durchgeführt und als Referenzdiagramm/Thermogramm abgelegt. Falls später andere Folien als die beim Abnahmelauf vereinbarten Folien von dem Kunden verwendet werden, die sich z. B. durch anderes oder schlechteres Thermoformverhalten auf der Maschine auszeichnen, kann diese mit der DSC sehr einfach und schnell festgestellt werden. Denn die DSC registriert das thermische Probenverhalten. Durch diese Analyse wird in Form eines Messdiagrammes jeweils ein charakteristischer „Fingerabdruck“ von der gemessenen Folie erhalten.
An dieser Stelle sei ein Beispiel für die Anwendung der DSC-Analyse aus der Praxis erwähnt: bei einer Molkerei wurden PS- Thermoformfolien verschiedener Hersteller getestet. Diese Folien wiesen aber unterschiedlich gutes Thermoformverhalten auf (obwohl sie nominell gleich sein sollten). Durch die DSC konnte nachgewiesen werden, dass bei der Folie, die ein gutes Thermoformverhalten aufwies, die DSC-Ergebnisse (Wärmekapazität, Glasübergangstemperatur) anders waren als bei der Folie mit schlechtem Thermoformergebnis.
Das grobe Prinzip der Foliencharakterisierung mit DSC-Analyse ist in nachfolgender Abbildung zu sehen:
Abbildung 1: Foliencharakterisierung mit Thermoanalyse DSC; Quelle: A. Frick, FH-Aalen, Kunststofftechnik
Beschreibung der vorstehenden Abbildung:
In dem linken Bild bedeutet „P“ die Probe, „R“ die Referenz. ?T bedeutet die Temperaturdiffenenz zwischen „P“ und „R“, die proportional dem Wärmestrom ?Q ist (siehe Text weiter oben).
In dem rechten Bild ist das Schmelzverhalten (beim Erwärmen) bzw. das Erstarrungsverhalten einer Probe (beim Abkühlen) prinzipiell dargestellt.
Konkrete Beispiele für die Analyse verschiedener Kunststoffe sind in nachfolgender Abbildung 2 zu sehen:
Abbildung 2: Beispiele für Werkstoffidentifikation mit DSC-Analyse; Quelle: A. Frick, FH-Aalen, Kunststofftechnik
Kurze Erklärung der Abbildung:
Hier sind schematisch die DSC-Kurven beim Aufheizen verschiedener Kunststoffe abgebildet. Deutlich zu erkennen ist dabei das Verhalten teilkristalliner Kunststoffe (Ausbildung von Schmelzpeaks) sowie amorpher Kunststoffe wie PVC.
Messmethodik und Messergebnisse sind noch einmal in der folgenden Abbildung 3 gezeigt:
Abbildung 3: DSC-Analyse, Messmethodik und Messergebnisse; Quelle: A. Frick, FH-Aalen, Kunststofftechnik
Kurze Erläuterung zu der obigen Abbildung:
Oberes Bild (Methodik): 1. Aufheizung der Folie: Kristallisationspeak beim Erwärmen; Erstarrungskurve beim Abkühlen; 2. Aufheizung: erneuter Kristallisationspeak.
Das DSC-Signal der 1. Aufheizung über den Erweichungspunkt beinhaltet die thermomechanische Vorgeschichte des Materials und so wichtige Informationen über die Verarbeitung (beispielsweise bei der Herstellung der Folie). Mit dem vollständigen Erweichen wird diese Vorgeschichte „gelöscht“. Die anschließende Abkühlung schafft einen einheitlichen Zustand und ermittelt das Erstarrungs- bzw. Kristallisationsverhalten. Die 2. Aufheizung gibt die reinen Stoffeigenschaften wieder und stellt somit die Basis für eine direkte Vergleichbarkeit des Materials mit anderen Proben dar.
Unteres Bild (Messergebnis) zeigt noch ein DSC-Diagramm eines Materials, vom festen Körper über den Schmelzbereich bis zur Zersetzung.
Die DSC detektiert also auch:
Unterschiedliche Werkstoffe und
Unterschiedliche Bedingungen bei der Herstellung von den Folien
Deshalb wird empfohlen, die DSC-Analyse zur Spezifizierung der Folien für eine prozesssichere Thermoformung im Rahmen der Wareneingangskontrolle einzusetzen.
Eine direkte Aussage zum Thermoformverhalten der Folien ist aber mit der DSC-Analyse nicht möglich. Hierzu eignen sich andere Methoden: DMA-Analyse und Torsionsschwingversuch.
3 DMA (Dynamisch-mechanische Analyse)
Mit dieser Methode werden die viskoelastischen Eigenschaften von Folien erfasst. Denn der Kunststoff besteht immer aus zwei Komponenten: einer viskosen Komponente, und einer elastischen Komponente. Das Verhältnis dieser beiden Komponenten – also ob mehr viskos oder mehr elastisch – gibt Aussagen zur Thermoformbarkeit . Hiermit kann- im Gegensatz zur DSC-Analyse – also die Thermoformbarkeit von Folien analysiert werden. Das Ergebnis einer DMA-Messung ist zum einen der sog. Speichermodul oder E-Modul E’ eines Materials, der Aussagen über die Steifigkeit des Kunststoffes abgibt. Das zweite Ergebnis der Analyse der sog. Verlustmodul E’’, der etwas über das viskose Verhalten des Kunststoffes aussagt.
Diese Werkstoff-Kenndaten können mit Hilfe der DMA nach DIN 53440, DIN 53513 sowie ASTM D 4065-90 bestimmt werden. Damit können direkte Aussagen zum mechanischen Probeverhalten gemacht werden. Es werden die mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Temperatur und einer möglichen Belastungsfrequenz ermittelt. Der E-Modul ist ein Maß für die Festigkeit oder Steifigkeit einer Probe und liefert eine direkte Aussage über die Verformbarkeit des Materials. Der Verlustmodul hingegen gibt Aussagen über die viskosen Bestandteile, die ebenfalls für die Verformbarkeit wichtig sind.
Die DMA-Analyse ist universell einsetzbar und liefert eine komplette Foliencharakteristik. Neben den o. g. Aussagen bekommt man gleichzeitig auch Aussagen über Glasübergänge und über das Längenänderungsverhalten des Materials.
Das Grundprinzip der Folienanalyse mit DMA ist in nachfolgender Abbildung zu sehen:
Abbildung 4: Foliencharakterisierung mit Thermoanalyse DMA; Quelle: A.Frick, FH-Aalen, Kunststottechnik
Erklärung zu dieser Abbildung:
Linkes Bild (grobes Schema des Messprinzips): Die Probe erfährt eine harmonsiche, nach Amplitude und Phase definierte, Anregung mittels einer oszillierenden dynamischen Kraft F(t), die in der Probe eine Verformung erzeugt. Die Antwort auf dieses Eingangssignal wird analysiert (nach Amplitudenhöhe und Phasenlage). Damit erhält man z. B. Aussagen zur Steifigkeit des Materials. Je nach Art des Materials (mehr viskos oder mehr elastisch) gibt es auf die „oszillierende“ Anregung ein Antwortsignal, das aber mehr oder weniger „phasenverschoben“ ist. Vereinfacht ausgedrückt: bei einem völlig elastischen Material („Gummiball“) gibt es keine innere Dämpfung durch die Anregung, die Phasenverschiebung = 0. Bei einem rein viskosen Material („Honig“) wird die in das Material eingebrachte Energie vollkommen „dissipiert“ (geschluckt). Es kann keine Energie elastisch gespeichert werden. Die Phasenverschiebung = 90°. Die Kunststoff-Folien, die getestet werden, bestehen jeweils aus einem viskosen und einem elastischen Anteil. Je nach Güte des Materials sind aber die beiden Anteile prozentual unterschiedlich (der Wert der Phasenverschiebung liegt also irgendwo zwischen 0 und 90°), was sich aber auf das Thermoformverhalten auswirken kann.
Rechtes Bild: Beispiel des Verhaltens des komplexen E-Moduls E* über die Temperatur; Der komplexe E-Modul E* setzt sich zusammen aus dem Speichermodul E’ und dem Verlustmodul E’’. Bei einem rein elastischen Material ist der komplexe E-Modul E* gleich dem Speichermodul E’ (Phasenverschiebung = 0). Anderes Extrem: rein viskoses Material: Der komplexe E-Modul E* ist gleich dem Verlustmodul E’’ (Phasenverschiebung = 90°).
Es sind zwei um den Winkel ? phasenverschobene Kurven zu sehen. Die beiden unteren Kurven zeigen den Verlauf des tand. Tan d ist der sog. „Verlustfaktor“: das Verhältnis von Verlustmodul E’’ zu Speichermodul E’. Es ist ein Maß für die innere Dämpfung der Folie. Ein hoher Wert bedeutet ein Werkstoffverhalten mit ausgeprägtem viskosen Verformungsanteil. Bei einem kleinen Wert sollte die Folie schwierig thermoformbar sein. Die Verformungsenergie ist hier weitgehend elastisch gespeichert => nach Aufhebung des Verformungszwangs während der Thermoformung stellt sich die Folie elastisch wieder zurück.
DMA-Messergebnisse können beispielsweise auch anhand eines sog. Dehnungssweeps dargestellt werden, siehe folgende Abbildung:
Kurze Erläuterung dazu: Hier wird – bei gleich bleibender Temperatur – das Verhalten des komplexen E-Moduls E* in Abhängigkeit der Dynamischen Dehnung dargestellt. Im Beispiel wurde auf diese Weise das Verhalten von PP-Folien, die mit verschiedenen Verfahren hergestellt worden waren, untersucht.
Die DMA-Methode zeigt also, inwieweit ein Material viskoses oder elastisches Verhalten aufweist. Das Verhältnis von viskosem zu elastischem Anteil wirkt sich auf das Thermoformverhalten aus.
4 Torsionsschwingversuch
Eine weitere dynamisch-mechanische Analyse stellt der Torsionsschwingversuch dar. Dieser beschreibt ebenfalls das mechanisch-thermische Verhalten, z. B. von Thermoformfolien. Hier können aufgrund entsprechender Unterschiede im charakteristischen Kurvenverlauf von teilkristallinen Thermoplasten Rückschlüsse auf das Thermoformverhalten gezogen werden. In diesem Versuch werden die charakteristischen Zustandsformen und Übergangsbereiche beim Erwärmen des Kunststoffes beschrieben. Diese charakteristischen Kurvenverläufe des mechanisch-thermischen Verhaltens sind in folgender Abbildung zu sehen. Und zwar ist dabei einmal das Verhalten amorpher Kunststoffe (wie PS) und das von teilkristallinen Kunststoffen (wie PP) dargestellt.
Die Kurvenverläufe veranschaulichen die Tatsache, dass sich die Thermoformung des teilkristallinen PP im Vergleich zu beispielsweise zum amorphen PS etwas kritischer gestaltet (Quelle: P.,de Mink, Fa. Borealis,Linz, in : Netze, C. „Folien für thermogeformte Verpackungen“, VDI Verlag, Düsseldorf, 1998)
Abbildung 6: mechanische-thermisches Verhalten von amorphen und teilkristallinen Polymeren
Kurze Erklärung dazu: es wird jeweils das Verhalten des Schubmoduls (elastische Komponente) und des Verlustfaktors in Abhängigkeit von der Temperatur aufgezeigt. Bei amorphen Kunststoffen fällt der Schubmodul im Temperaturbereich der Glasübergangstemperatur noch relativ moderat ab. Bei teilkristallinen Kunststoffen hingegen ist bei der Temperatur des Kristrallitschmelzbereiches ein abrupter Abfall des Schubmoduls zu erkennen, was die Thermoformung erschwert.
Abschließend sollen zu den genannten Methoden noch folgende Bemerkungen bedacht werden:
Die meiste Praxiserfahrung dürfte insgesamt bei Anwendung der DSC-Analyse vorliegen.
Die Messungen mit der DMA-Analyse erlauben die Erfassung der viskoelastischen Eigenschaften der Folie, die also das Thermoformverhalten beurteilen. Die Folien können in Verbindung mit der DSC-Analytik eindeutig identifiziert werden.
Schwierig ist aber immer noch die genaue Aussage über die Maschinengängigkeit der Folien. Denn nach wie vor sind die Begriffe „Maschinengängigkeit“ und „Thermoformqualität“ nicht eindeutig definiert.
In konkreten Fällen können bisher DMA-Messungen an Folien mit unbekannten Verformungseigenschaften durchgeführt werden. In den einzelnen Anwendungsfällen ist aber – wenn nötig – die Korrelation der DMA-Folienanalyse mit dem konkreten Thermoformergebnis auf der Maschine zu erarbeiten.
Der Torsionsschwing-Versuch ähnelt der DMA,-Methode. Er wird bei verschiedenen Unternehmen als Qualitäts-Prüfmethode verwendet.
Bei den Endanwendern dürften in den wenigsten Fällen aber die Möglichkeiten vorhanden sein, die Folien mit den genannten Methoden zu untersuchen => vielmehr ist man hier auf Fachfirmen bzw. Fachinstitute angewiesen, sowohl zur eigentlichen Analyse, als auch zur Interpretation der Ergebnisse und dadurch zur Erstellung von Zusammenhängen von Analysenergebnissen zu den Resultaten der Thermoformen im praktischen Versuch.
Im Einzelfall wird empfohlen, sich wenn nötig mit den Fachfirmen oder Instituten in Verbindung zu setzen. Insbesondere ist dann jeweils der genaue Prüfumfang gemeinsam festzulegen (u. a. auch Kosten und Zeitaufwand für die Untersuchungen).
Die beiden Inno-Letter „Analytik von Thermoform-Folien – Teile I und II“ befassten sich v. a. mit den Untersuchungen für die flache Ausgangsfolie. In Teil III (folgt noch) werden Prüfmethoden für die fertig hergestellten, verschlossenen Behältnisse erläutert.
werden die klassischen Methoden zur Analyse von Thermoformfolien beschrieben. Ziel ist es die Gründe für diese Analysenmethoden zu erläutern und auch gegenseitigen Wechselwirkungen dieser Methoden aufzuzeigen. Vor allem sollen auch nützliche Hinweise aus der Praxis dem Anwender Hilfestellung leisten.
1 Allgemeines
Bei der Herstellung von Verpackungen für die Lebensmittelindustrie (z. B. Bechern oder Schalen) auf Thermoform-, Füll- und -Verschließanlagen erwartet der Anwender eine stets gleichgute Qualität seiner Produkte. Ebenso muss eine gute Maschinengängigkeit der Folien bei der Verarbeitung auf der Maschine gewährleistet sein.
Nun gibt es eine Vielzahl von möglichen Kunststoff-Folien, von denen jeweils – abhängig vom Einsatzzweck und vom Produkt – die am besten geeignete Folie ausgesucht wird. Beispiele sind: Für die Herstellung von Joghurt-Bechern werden zum großen Teil Folien aus PS (Polystyrol) oder PP (Polypropylen) eingesetzt. Empfindlichere Produkte, die eine längere Haltbarkeit haben, benötigen Verbundfolien mit einer Sperrschicht, vor allem gegen Sauerstoff. Beispiele für Produkte sind Kaffeesahne, Kondensmilch, Suppen, Fertiggerichte, Babynahrung, und viele andere.
Für die angesprochene nötige gleich bleibende Produktqualität ist eine genaue Definition und Spezifikation der jeweils eingesetzten Folie notwendig. Die Folie muss also gewissen Prüfungen unterzogen werden.
Es gibt dazu eine Vielzahl von Prüfmöglichkeiten, die herkömmlichen Prüfungen sind hier:
Schrumpfmessung
Dickenmessung (Dicke der Gesamtfolie bzw. der Einzelschichtdicken)
Zugversuch
Oberflächenbeschaffenheit (Glanzgrad)
Flammenfärbung (Schnelltest zur Materialbestimmung)
Alle diese Methoden haben aber nur eine bedingte Aussagekraft. Es kommt oft vor, dass Anwender Folien von verschiedenen Herstellern benutzen, die nominell anscheinend gleich sind. Eine ausführliche Analyse der Folien ist mit den oben genannten Methoden aber nicht ausreichend möglich.
Denn es sind z. B. folgende Unterschiede in den Folien – die man so ohne weiteres nicht erkennen kann – möglich:
Qualität der verwendeten Rohstoffe
Anzahl und Qualität von Zusätzen
Ggf. Verwendung von Rezyklat als eine Schicht in der Folie (darf nicht zur Produktseite hin sein)
Methode der Folienherstellung; diese kann bei den verschiedenen Folienherstellern unterschiedlich sein.
All diese Faktoren können eine Auswirkung auf das Verarbeitungsverhalten haben. Deswegen wird eine genauere Analyse angeraten.
In Ergänzung zu den „klassischen“ o. g. Prüfmethoden können dementsprechend weitere Tests durchgeführt werden, um weitere nötige Informationen zu erhalten. Solche Testmethoden sind:
Torsionsschwing-Versuch
DSC (dynamische Differenz-Kalorimetrie)
DMA (dynamisch-mechanische Analyse)
In diesem vorliegenden ersten Teil sollen die sog. „klassischen Methoden“ kurz erläutert werden.
Die weiteren Methoden werden separat in Teil II behandelt werden.
2 SCHRUMPFMESSUNG
Unter Schrumpf versteht man die Kontraktion im viskosen (heißen) Zustand bei definierter Temperatur und Verweilzeit. Die so ermittelten Längenänderungen in Breite und Länge sind somit ein Maß für die Eigenspannungen der Folie.
Schrumpfmessung: Bestimmung der Maßänderung der Folie durch Wärmeeinwirkung. Diese Messung ist zur Qualitätsbeurteilung der Folien notwendig. Denn bei der Folienherstellung (Folienextrusion) entstehen je nach Verarbeitungsbedingungen mehr oder weniger starke Molekülorientierungen sowie Eigenspannungen. Bei der Folienextrusion werden Spannungen erzeugt und eingefroren. Eine völlig spannungsfreie Thermoformfolie ist nicht herstellbar. Es können aber bei guten und optimierten Maschineneinstellungen sehr niedrige Eigenspannungen erreicht werden.
Genaue Definition für Schrumpf: die Kontraktion einer Schale oder einer Folie unter Einwirkung von Wärme.
Der Schrumpf berechnet sich nach folgender Formel:
L = (Lb – Lu)/Lu x 100%
L: Maßänderung verursacht durch Wärmebehandlung in %
Lb: Absolutmaß nach der Wärmebehandlung in mm
Lu: Absolutmaß vor der Wärmebehandlung in mm
100%: Umrechnungsfaktor vom Absolutwert in Prozent
Prüfmöglichkeiten für das Schrumpfverhalten:
Hier existiert eine Vielzahl von verschiedenen Prüfmöglichkeiten. Die verschiedenen Firmen – Maschinenhersteller und Folienhersteller – benutzen oft ihre eigenen Methoden.
Beispiele für unterschiedliche Methoden bei verschiedenen Firmen (Schrumpfmessung an PS-Folien).
Pro Test werden aus dem zu prüfenden Folienstück 10 Quadrate mit den Abmaßen 100×100 mm verwendet; diese werden im Wärmeschrank 15 min bei 150°C belassen. Nach Abkühlen werden die Zuschnitte wieder vermessen. In der Regel misst man vor allem einen gewissen Schrumpf in Längsrichtung. Ein Schrumpfen in Querrichtung ist hingegen kaum festzustellen. Die gemessenen Schrumpfwerte lassen Rückschlüsse auf das Folienverhalten auf der Maschine zu. Das ist v .a. wichtig bei Maschinenanfahren nach einem Maschinenstillstand.
Pro Prüfling Ausschneiden eines Quadrates von 140 mm. In diesem Quadrat wird ein Kreis mit 100 mm Durchmesser markiert und später ausgemessen. Die Probe kommt für 10 min in ein Ölbad, bei 150°C. Nach Abkühlen wieder Vermessung des Kreises längs und quer.
Eine einheitliche Prüfmethode konnte in der Branche noch nicht durchgesetzt werden. So können im Zweifelsfall nur jeweils die Proben mit beiden Methoden gemessen und die Messergebnisse dann verglichen werden. Bei vergleichenden Schrumpfmessungen mit diesen beiden Methoden wurden z. B. deutliche Unterschiede festgestellt.
Das bedeutet für die Praxis, dass man sich im jeweiligen Einzelfall miteinander abstimmen muss, um nachfolgende Probleme und Unstimmigkeiten zu vermeiden.
3 DICKENMESSUNG
Bestimmung der Dicke durch mechanische Abtastung: die Prüfung nach DIN 53 370 dient zur Ermittlung der Dicke von glatten, nicht geprägten Kunststoff-Folien und wird so durchgeführt, dass Dicken-Ungleichmäßigkeiten in der Breite und Länge der Folienbahn ermittelt werden können. Hierdurch kann auf verhältnismäßig schnelle Art die Einhaltung von vereinbarten Dickentoleranzen überprüft werden. Weiterhin dient die Prüfung als Hilfsuntersuchung für andere Prüfungen wie z. B. den Zugversuch. Die zulässige Messfehlergrenze bei der Dickenbestimmung, von der das anzuwendende Messgerät abhängt, ist abhängig von der zu überprüfenden Toleranzfeldgröße.
Als Faustregel gilt: Die Messgenauigkeit des Messgerätes sollte um Faktor 10 höher liegen als das Toleranzfeld der zu untersuchenden Folie. D. h., für eine Folie, die auf 1/100 mm genau gefertigt wird, sollte ein Messgerät mit der Genauigkeit von 1/1000 mm verwendet werden.
Bei jeder Anwendung von Thermoformfolien auf einer Maschine ist die Überprüfung der Dicke bzw. der Dickentoleranzen (Gesamtdicke, s. o., Einzelschichtdicken => Ausmessung von Mikrotomschnitten., s. u.) ein absolutes Muss.
Beispiel: Gesamtdickentoleranz: muss < +- 5% sein. Ansonsten Probleme beim Aufheizen, beim Anliegen an Heizplatten, bei Anliegen am Formwerkzeug etc.
Einzelschichtdickentoleranz: sollte z. B. < +- 10% sein. Grund: bei jeder Folienherstellung gibt es sowohl bei der Gesamtdicke als auch bei den Einzelschichtdicken Toleranzen. Werden diese nicht eingehalten, kann es zu erheblichen Problemen kommen.
Beispiel von Dickenschwankungen der Einbettung einer Sperrschicht (EVOH, weiß) in eine PP-Folie (blau), quer zur Folienlaufrichtung. Dickenschwankungen im PP sind deutlich zu sehen.
Abbildung 1: Dickenschwankungen des PP (blau) in einer Mehrschicht-Verbundfolie
Beispiel für Dickenschwankungen (wieder quer zur Folienlaufrichtung) von EVOH in einer PP-Verbundfolie. Verschiedene Dicken des EVOH bedeuten u. a. auch dann verschiedene
Sperrschichtqualitäten im aus dem jeweiligen Bereich gefertigten Becher (im Beispiel 4 Stück, quer zur Laufrichtung). Becher 2 hat dann z. B. erheblich mehr EVOH als Sperrschicht als Becher 1.
Abbildung 2: Dickenschwankungen des EVOH (weiß) in einer Mehrschicht-Verbundfolie
Hinzu kommt noch, dass die Folienbreite bei der Folienherstellung viel breiter ist als dann bei der Verwendung auf der Thermoformmaschine. Im o. g. Beispiel ist die Folie bei der Herstellung doppelt so breit wie auf der Maschine. Die Folie wird dann also in zwei Hälften geschnitten, eine Folienrolle „East“ und eine „West“ (offizielle Bezeichnungen aus den USA). Je nachdem, ob gerade „East“ oder „West“ auf der Maschine gefahren wird, ergeben sich unterschiedliche Bedingungen und Qualitäten.
Deshalb ist eine Überprüfung der Folienschichtdicken so wichtig.
Abschließend noch ein Beispiel, bei dem die einzelnen Komponenten in einer Mehrschichtfolie zu sehen sind .
Abbildung 3: Beispiel eines vielschichtigen Aufbaues in einer Mehrschicht-Verbundfolie (Quelle: E. Ysewyn, RPC Cobelplast, B – Lokeren, 2009
3 ZUGVERSUCH
Mit dem Zugversuch nach DIN 53 455 können lediglich die mechanischen Eigenschaften der Thermoformfolien getestet werden. Dieser Versuch dient zur Beurteilung des Verhaltens von Kunststoffen bei einachsiger quasistatischer Beanspruchung auf Zug. Man erhält ein Spannungs-Dehnungsdiagramm, durch das die Zusammenhänge zwischen Spannung und Dehnung leicht überschaubar sind. Je nach Kunststoff (z. B. spröde mit hoher Festigkeit oder gummiähnlich mit geringer Festigkeit) erhält man charakteristische Messkurven. Im Normalfall werden bei dieser Prüfung die Proben längs und quer zur Folienextrusionsrichtung aus dem Thermoformfolien mit Hilfe eines genormten Stanzwerkzeuges herausgeschnitten. Die Ergebnisse aus diesen Versuchen sind jedoch – bezogen auf die Aussagen zum Thermoformverhalten – nur bedingt aussagefähig. Denn sie liefern nur charakteristische mechanische Kenngrößen bei Raumtemperatur.
Untenstehende Abbildung zeigt allgemein das unterschiedliche Spannungs-Dehnungs-Verhalten verschiedener Kunststoffe.
Glanz ist eine visuelle Wahrnehmung, die bei der Betrachtung von Oberflächen entsteht. Die Glanzwahrnehmung ist umso ausgeprägter, je gerichteter das Licht reflektiert wird.
Auf ebenen, völlig glatten, polierten Oberflächen können Spiegelbilder deutlich erkannt werden. Das einfallende Licht wird an der Oberfläche gerichtet reflektiert, d.h. nur in die Hauptreflexionsrichtung. Der Reflexionswinkel ist gleich dem Einstrahlwinkel.
Von rauen Oberflächen wird das Licht nicht nur in die Hauptreflexionsrichtung, sondern auch diffus in andere Richtungen reflektiert. Dadurch ist eine Abbildungsqualität der Oberfläche vermindert: ein reflektiertes Objekt wird nicht mehr brillant, sondern verschwommen abgebildet.
Nachfolgend ist eine Abbildung eines Glanzgradmessgerätes (Reflektometer) dargestellt:
Abbildung 5: Beispiel eines Glanzgrad-Messgerätes (Reflektometer)
Die Messergebnisse des Reflektometers werden nicht auf die eingestrahlte Lichtmenge bezogen, sondern auf einen schwarzen, polierten Glasstandard mit definiertem Brechungsindex. Für diesen Standard wird der Messwert = 100 Glanzeinheiten gesetzt (Kalibrierung).
Bei Materialien mit höherem Brechungsindex kann der Messwert durchaus größer als 100 Glanzeinheiten (GE) sein, z.B. bei Thermoformfolien. Bei transparenten Materialien kann der Messwert durch Mehrfachreflexion im Material zusätzlich erhöht sein. Aufgrund der hohen Reflexion können bei Metallen sogar bis zu 2000 Glanzeinheiten gemessen werden. Hier ist es auch üblich, die Messung auf die eingestrahlte Lichtmenge zu beziehen und in % anzugeben.
Um vergleichbare Messergebnisse zu erhalten, wurden die Reflektometer und ihre Handhabung international genormt. Besonders stark beeinflusst der verwendete Einstrahlwinkel den Reflektometerwert. Um hochglänzende bis matte Oberflächen gut differenzieren zu können, wurden drei Geometrien, d.h. drei Messbereiche genormt:
Abbildung 6: Einstrahlwinkel und Reflexion bei der Glanzgradmessung (Quelle: Fa. Byk-Gardner, Geretsried, 2003)Tabelle 1
Die verschiedenen Geometrien sind in den Anwendungsgebieten folgendermaßen abgegrenzt:
Mittelglänzende Oberflächen werden mit der 60°-Einstrahlungsrichtung gemessen und sollten dort im Bereich von 10 bis 70 Glanzeinheiten liegen.
Hochglänzende Flächen, die in der 60°-Geometrie Messwerte von größer als 70 Einheiten zeigen, sollten unter 20° ausgemessen werden.
Dagegen werden matte Flächen von weniger als 10 Glanzeinheiten (bei 60°) mit der 85°-Geometrie gemessen. Um eine bessere Differenzierung der Messwerte zu erreichen, wird empfohlen, den 85°-Einstrahlungswinkel schon dann anzuwenden, wenn der 60°-Wert unter 30 Einheiten liegt.
Bei einem konkreten Beispiel klebten beim Aufheizen verschiedener Thermoformfolien
Die Folien an den Heizplatten einer Maschine verschieden stark an. Es wurden nach Optimierungsarbeiten an der Maschine verschiedene Untersuchungen durchgeführt. Bei den Versuchen wurde festgestellt, dass das Anklebeverhalten neben der Heizplattentemperatur v. a. vom Glanzgrad der Folien abhängt. D.h. die matte Folie klebte im Vergleich zu einer glänzenderen Folie so gut wie nicht.
Je höher die Werte, desto glänzender die Folie.
Durchsichtige Thermoformfolien werden nicht mit diesem Gerät gemessen, da ein Teil des einfallenden Lichtes absorbiert und das Ergebnis somit verfälscht wird.
Ankleben der Folien an den Heizplatten kann zu erheblichen Problemen bei der Weiterverarbeitung führen. Die Behälterqualität kann ungenügend sein; Zudem kann der Folientransport in der Maschine gestört sein, was z. B. zum Herausschwappen des Produktes führen kann (bei dünnflüssigen Produkten).
Deshalb ist die Überprüfung des Glanzgrades so wichtig. Es gibt aber keine genau definierten Glanzgradwerte, die aussagen, wann eine Folie klebt und wann nicht. Das hängt auch von anderen Faktoren wie Temperatur und Oberflächenbeschaffenheit der Heizplatten ab.
5 FLAMMENFÄRBUNG
Zu guter Letzt sei noch ein relativ einfacher Test kurz angesprochen, der aber nichtsdestoweniger in der Praxis oft Verwendung findet. Oft ist der Anwender bei Verwendung einer Thermoformfolie in der Praxis nicht sicher, um was für Material es sich handelt. Um einen ersten Hinweis über die Art des Materials zu bekommen, wird als Schnelltest die Flammenfärbung zu Rate gezogen. Denn beim Anzünden eines Probestückes erlauben Flammenfärbung und Geruch eine schnelle Diagnose.
Als Beispiele wird hier das Verhalten von PS und PP herangezogen:
PS: gelb-orangene Flammenfärbung, schwarzer rußiger Rauch; der etwas scharfe Geruch soll an frisches Pflanzengrün erinnern.
PP: weißer Rauch, Geruch nach Kerzenwachs
Im Gegensatz zu diesem Test sind hingegen für die ergänzenden Methoden wie DSC, DMA etc. oft spezielle Firmen, Prüfinstitute oder Hochschulen ausgerüstet. Auf diese Methoden wird in Teil II eingegangen werden.
In weiteren Teilen sollen dann auch Methoden zur Prüfung fertig hergestellter Behälter beschrieben werden.
Wir hoffen, dass wir Ihnen hiermit hilfreiche Informationen geben konnten. Für Rückfragen und Feedback stehen wir gerne zur Verfügung:
Die Frage, ob die Barriere einer Verpackung ausreicht oder nicht, beschäftigt primär die Lebensmittelhersteller. In diesem Artikel gehe ich darauf ein, welche Hilfestellung ein Packmittelhersteller geben kann, was dieser mindestens wissen und auf was er hinweisen muss.
1 Gibt es Literaturdaten für Barriereanforderungen für bestimmte Lebensmittel?
Nein – sagen die meisten Experten auf diese provokante wie einleuchtende Frage. Lebensmittel sind eine Mixtur von „Chemikalien“. Anders ausgedrückt: Lebensmittel sind Naturprodukte – oder sollten es zumindest mehrheitlich sein – die zum einen großen Schwankungen in ihren Ingredienzen ausgesetzt sind und zum anderen die Bestandteile einzeln und in ihrer Kombination unterschiedlich auf z.B. Sauerstoff, Mikrobenwachstum oder UV-Strahlung reagieren. Aus diesem Grunde ist gerade die Praxisprüfung hinsichtlich der Eignung der Verpackung bei verpackten Lebensmitteln das Mittel der Wahl.
Allerdings gibt es einige, wenn auch grobe und veraltete Anhaltswerte, welche Gruppen von Lebensmitteln denn nun wie empfindlich auf z.B. Sauerstoffgehalt in der Packung reagieren. Hierzu haben u.a. das Fraunhofer Institut IVV in Freising und das ofi in Wien grobe Daten zusammengetragen, die dem „ Anfänger“ erste Richtwerte liefern.
2 Wie kann ich eine optimale Barriere (so viel wie nötig und so preiswert wie möglich) entwickeln?
Auf einer Experten-Tagung zum Thema Barrierefolien sprachen genauso viele Referenten über die nötige Barriere, wie über die (best-) mögliche Barriere. Daraus könnte man ableiten, dass heutzutage genauso intensiv an der Reduzierung der Barriereeigenschaften von Folienverpackungen gearbeitet wird, wie an deren Verbesserung. In der Tat dient ein großer Teil der Permeationsmessungen im Innoform Testservice dazu, Barrieren „abzuspecken“. Aber warum bemühen sich viele Ingenieure um das „Verschlechtern“ von Barrieren? Nun, der Grund ist die Kostenoptimierung. Zudem ist die Zahl der Varianten von Barrieren (organische und anorganische) stark gestiegen. Die Vielfalt fördert die Entwicklungsgeschwindigkeit und Ideen der Entwickler ebenso wie die der Controller in den Lebensmittelunternehmen.
Was antworten denn nun die Verpackungshersteller auf die Frage: „Ich möchte das Produkt Milchpulver mit Vitamin C Anreicherung für 2 Jahre dicht verpacken. Welche Folie empfehlen Sie?“
2.1 Markts-Screening oder “Wettbewerbsanalyse”
Hat nun der Packmittelhersteller keine solchen Folien bereits qualifiziert, hilft ein Blick in die Bibliothek nur bedingt. Besser ist ein Blick in die Regale. Reverse Engineering nennt das die Auto-Industrie, die so etwas ständig und systematisch tut – gucken, wie es die anderen machen.
Mit Hilfe von heutigen Materialbestimmungs-Möglichkeiten mittels DSC, FTIR, Mikroskopie, REM, etc. können Folienverpackungen bis auf die Rohstoffebene schichtweise zerlegt und analysiert werden. Diese Materialanalysen an Folienverpackungen bilden auch einen Schwerpunkt in den Labors großer Folienhersteller und natürlich bei Innoform Testservice für den Mittelstand.
Wichtige Fragestellungen neben den reinen Strukturen sind natürlich:
Barrierewerte der Folie
Barrierewert der Gesamtverpackung
Schichtaufbau und Schichtdicken
Art der Barriereschicht (Aluminium, Metallisierung, SiOx-/AlOx Beschichtung, EVOH-Coex Schichten, PA-Schichten, Lacke etc.)
Art des Füllgutes (wie gut stimmt das Wettbewerbsprodukt mit „dem zu verpackenden“ Produkt überein)
Liegen alle diese Informationen – entweder durch Markt-Screening oder durch eigene Erfahrungen – vor, kommt es zum nächsten, wichtigen Schritt einer Verpackungsentwicklung – dem Lagertest.
2.2 Der Lagertest (Verifizierung)
Unter einem Lagertest verstehen wir hier den Test im Labor unter möglichst praxisnahen Bedingungen. Da Laborprüfungen nie die Wirklichkeit abbilden können, ist dieser wichtige Test doch nur eine Vorstufe des Praxistes, der aber zeit- und kostenschonend ist. Hinzu kommt, dass viele Varianten verglichen und geprüft werden können z. B. verschiedene Folien, verschiedene Rezepturen der Lebensmittel, verschiedene Lagerbedingungen und -zeiten.
Grundsätzlich gibt es immer Wechselwirkungen zwischen
Umwelt und Füllgut
Füllgut und Packstoff
Umwelt und Packstoff
Alle drei Varianten müssen bei der Prüfung mit betrachtet werden – das geht nur im Dialog zwischen Lebensmittelhersteller und Packmittelproduzenten.
Und so geht man am einfachsten vor:
a) Erstellung von Testpackungen in den verschiedenen Packmaterialien und ggfs. mit verschiedenen Rezepturen des Lebensmittels (z. B. Extreme, die die Schwankungen der Jahreszeiten und Prozesse abdecken)
b) Messung relevanter Qualitätskenngrößen einer Barriereverpackung
Restsauerstoffgehalt nach Verschluss der Packung
Vitamingehalt
Bewertung/Messung der Farbe
Sensorik…
c) Lagerung unter den gewünschten, den zu erwartenden und den worst-case Bedinungen
d) Bewertung der Schlüssel-Qualitätskriterien (z.B. Restsauerstoffgehalt, Gewichtsveränderung, Sensorik, Vitamingehalt…)
e) Bewertung der Ergebnisse und Planung des Praxistests
Wichtig ist bei dem Lagertest, dass wirklich möglichst nah an der Praxis gearbeitet wird. Denn die Störer lauern im Prozess genauso wie im Material. Letzlich kommt es auf die Gesamtverpackung an.
Abbildung 2: Typische Schwachstellen einer flexiblen Verpackung hinsichtlich Barriere
2.3 Der Praxistest (Validierung)
Der Spitzenreiter aus dem Lagertest kommt nun ins Finale – den Praxistest. Heutzutage haben nicht mehr viele Unternehmen die Zeit, das Geld und vor allem die Experten im Praxistest noch mehrere Kandidaten ins Rennen zu schicken. Meistens wird sofort eine kleine Produktionsmenge des besten Produktes aus dem Lagertest für einen Markttest oder eine Promotions-Menge genommen. Hier ist besonders darauf zu achten, dass wirklich keine Änderungen mehr im Vergleich zu der Probemenge „gewagt“ werden. Das ist nach meiner Erfahrung leider häufig der Fall und fast immer der Grund für ein Scheitern. Sollten sich neue Erkenntnisse eines noch besseren Systems im Lagertest ergeben haben, muss dieses neue System noch einmal durch den Lagertest geschickt werden, bevor man in die Serie geht – auch wenn es schwer fällt.
Und zuletzt noch ein Apell: Sorgen Sie schon im frühen Stadium der Entwicklung – also vor dem Lagertest spätestens, für eine Lebensmittelrechtliche Konformität. Prüfen Sie parallel zu den üblichen, oben genannten qualitätsrelevanten Prüfungen auch die lebensmittelrechtliche Seite – sowohl formal als auch mit echten Laboruntersuchungen wie Migrationsprüfungen und Packmittelsensorik, um später keine Überraschung zu erleben und die Zeit, die die Lagertests benötigen, parallel auch hierfür zu nutzen.
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:
Produkte einer frühen Herstellungsstufe wird in der Regel ein großer Teil der Konformitätsarbeit delegiert. Dies ist aber nur möglich, wenn konkrete Maßnahmen, z.B. welche Stoffe zu überprüfen sind, weitergegeben werden. Für alle nicht delegierten Aspekte, die relevant für die Beurteilung der lebensmittelrechtlichen Konformität des Produktes sind, trägt der Lieferant die Verantwortung.
