Permeation gliedert sich in 3 Schritte: Adsorption der Moleküle an der Oberfläche, Diffusion der Moleküle durch das Material und Desorption – das Entmischen der Moleküle und Lösen, z. B. im Füllgut. Wenn diese Schritte in einem konstanten, gleichförmigen Prozess ablaufen, lässt sich die Permeationsrate errechnen und messen. Zu diesen Grundlagen erörtert Karsten Schröder Details für alle, die sich mit Folienverpackungen und Barriere-Messungen sowie Barriere-Materialien befassen.
Erfahren Sie in diesem Video Hintergründe zum Mechanismus und zu den Verbesserungspotenzialen, um Barrierefolien dichter zu machen.
Diese beiden ähnlich klingenden Bezeichnungen für Barrieren, die wir in Folienverpackungen einsetzen, stiften gelegentlich Verwirrung und sorgen für Missverständnisse. So sind die organischen Barrieren gleichbedeutend mit Kunststoffbarrieren. Die anorganischen dagegen bestehen demnach aus Stoffen, die wir nicht als Kunststoffe bezeichnen. Im Fachgebiet der Folientechnologie sind das:
Aluminiumfolien
Aluminium-Bedampfungen
Aluminium-Oxid-Bedampfungen
Siliziumoxid-Bedampfungen
Wie diese sich grundlegend unterscheiden und welche Eigenschaften damit einhergehen, haben wir in einem kurzen “Did you know Video” erläutert und in diesem Blogartikel schon einmal angerissen. Nun also noch ein ergänzendes Video für mehr #folienwissen.
Wenn Sie mehr über Barrierefolien und Folienverpackungsmaterialien wissen wollen oder müssen, stöbern Sie gerne einmal in unserem Themenbereich Grundlagen Verpackungsfolien. Dort finden Sie auch eine Reihe von sofort abrufbaren “Instant Webseminaren”, die auch immer mal wieder als Live-Event online angeboten werden. Aber auch Vor-Ort-Seminare mit Prof. Markus Schmid oder René Arm und Henrik Annighöfer sind aktuell wieder eingeplant.
Im zweiten Teil unserer Reihe #Folienwissen geht es dieses Mal um den Einfluss der Materialien auf Barrierewirkungen von Folien, insbesondere für Lebensmittelverpackungen. Der Laie denkt natürlich, dass nur das Material die Barriereeigenschaften bestimmt. Das ist aber nicht der Fall. Auch Verarbeitung und Kombination mit anderen Schichten bewirken Barriereveränderungen an Folienverpackungen. Das soll hier aber heute kein Thema sein.
Dennoch kommt dem Material eine grundlegende Bedeutung zu, denn die chemische Struktur der Rohstoffe und die Anordnung der Moleküle – die Kunststoff-Gefüge – spielen eine dominierende Rolle bei fast allen Eigenschaften der Folienverpackungen.
In dieser Grafik wird die allgemeine Bedeutung von unterschiedlichen Materialien beschrieben. Diese sehr grobe Einteilung nach Sauerstoffdurchlässigkeit (OTR = Oxygen Transmission Rate) und Wasserdampfdurchlässigkeit (WVTR = Water Vapour Transmission Rate) zeigt die grundlegenden Barrierewirkungen der Kunststoffe (organische Barrieren) und der Bedampfungen und Aluminium (anorganische Barriere). Diese sind hier unabhängig von Verarbeitung und Dicke sehr grob eingeteilt.
Quelle: Fraunhofer Institut, Prof. Dr. Langowski
Man kann erkennen, dass z. B. das PE kaum eine Barriere gegen Sauerstoff, aber durchaus eine nennenswerte gegen Wasserdampf aufweist. Daher wird es auch als Wasserdampfbarriere, z. B. in Papierverpackungen wie Zementsäcken, verwendet. Aluminiumfolie ist unangefochtener Spitzenreiter bei beiden Eigenschaften (OTR und WVTR). Dazwischen liegen die anorganischen Beschichtungen, auch Bedampfungen genannt – die Metallisierung (Met.), Aluminiumoxid (AlOx) und das Siliziumoxid (SiOx). Diese anorganischen Barrieren zeigen eine gute Sperrwirkung gegen beide Gase im Gegensatz zu den meisten Kunststoffen, den organischen Barrieren, die eher immer nur gegen eines der beiden Parameter – Sauerstoff oder Wasserdampf – gute Barrieren liefern.
In dem kurzen Video erhalten Interessierte weitere Informationen zwischen den Zeilen und einen Einblick in unsere beliebten Webseminare.
In unserer Reihe #Folienwissen für alle geht es heute um die Einstufung von Barrierefolien. Wann fängt Barriere an und was ist eine Hochbarriere überhaupt? Wenn wir diesen Begriff der Barriere verwenden, muss erst einmal klar werden, um welche Barriere es sich handelt. Meistens betrachtet man theoretisch die beiden “gegenläufigen” Barrieren Sauerstoff- und Wasserdampfbarriere, die für Lebensmittelverpackungen von besonderer Bedeutung sind.
Wasserdampfbarriere beschreibt dabei die Neigung, das Austrocknen zu verhindern und die Sauerstoffbarriere gibt Anhaltspunkte dafür, wie lange ein Sauerstoff empfindliches Lebensmittel haltbar gemacht werden kann. Die Kehrwerte/Gegenteile nennt man anstatt Barriere Durchlässigkeit.
Hier haben wir einmal eine grobe Übersicht erstellt, wie man diese abstrakten Eigenschaften flexibler Verpackungen einstufen kann. Bevor wir da aber einsteigen, vorab kurz zu den Einheiten und Rahmenbedingungen:
Permeation, also Barriere, ist temperaturabhängig
Organische Barriere zeigt zudem noch eine Abhängigkeit zum Feuchtegehalt in der Barriereschicht bzw. der Umgebung
Sauerstoffbarriere wird in cm³/m²xdxbar angegeben (d=day=Tag, und bar steht für die Druckdifferenz zwischen innen und außen
Wasserdampfdurchlässigkeit gibt man hingegen in g/m²xdxbar
Um sich etwas vorstellen zu können, erklären wir die Messgröße immer so: Die Sauerstoffdurchlässigkeit gibt die Menge an Sauerstoff in cm³ an, die pro Tag und pro Quadratmeter Folie hindurch permeiert sprich durchdringt. Dabei entspricht ein Kubikzentimeter (cm³) etwa einem Stück Würfelzucker.
Zu diesem Thema gibt es übrigens auch ein kurzes rund 6-minütiges Video, in dem ich intensiver bespreche. Klicken Sie doch einfach mal auf die Tabelle.
Wenn Sie einmal selbst überschlagen wollen, welche Barriere ein bestimmter Folientyp hat, dann nutzen Sie gerne unseren kostenlosen Permeationsrechner des Innoform Testservice. Dort machen wir reichlich Permeationsmessungen mit allen gängigen Versuchsaufbauten und Gasen, die für die Praxis relevant sind.
Fragen, Kommentare oder Ergänzungen und Korrekturen gerne an ks@innoform.de
Wussten Sie, dass Verpackungsfolien immer sogenannte Additive enthalten? Aber warum ist das so, welche sind das und warum gibt man Additive zu Folien dazu?
Das sind Fragen, die wir immer wieder in unseren Seminaren und Webseminaren hören. In diesem kurzen Abriss stellen wir wichtige Additive vor, erläutern die beiden Gruppen der migrierenden und nicht migrierenden Additive und erklären, warum man das als Folienhersteller, aber auch als Verpacker und Händler wissen sollte.
Um es nicht zu kompliziert zu machen, teilen wir grob in zwei Klassen ein, die für die Praktiker wichtig sind. Wir kennen migrierende und nicht migrierende Additive.
Das typischste Beispiel für die migrierenden Additive ist das Gleitmittel, das fast immer in Verpackungsfolien vorkommt. Wie der Name schon sagt, sorgt es für ein optimiertes Gleitverhalten der Folie z.B. beim Abpackprozess. In der Regel versucht man einen konstant niedrigen Gleitreibwert zu erhalten. Besonders häufig setzt man es bei den “eher stumpfen” Polyolefinen” wie Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) ein. Diese Folien lassen sich ohne Gleitmittel oft gar nicht oder nur sehr umständlich über z.B. Stahlflächen, Formschultern in Abpackmaschinen oder Leitblechen ziehen. Mit der Zugabe von Gleitmittel – heute meistens Erucasäureamid (ESA) – verringert sich die Haft- und Gleitreibung zu niedrigeren werden. Das heißt die Folie gleitet leichter über Stahl, Holz und sich selbst.
Dieser Effekt tritt aber erst dann ein, wenn sich das Gleitmittel (ESA) aus der Folie an den Oberflächen zu einer durchgängigen Schicht ausgebildet hat. Dieses kann je nach Folienrezeptur, Wickeldruck und Mengenzugabe zwischen einigen Stunden bis hin zu einigen Wochen dauern. Wichtig für den Verarbeiter dabei ist eben, dass vor dem Abpacken das Gleitmittel auch wirklich auf der Folienoberfläche liegt und nicht mehr in der Folie selber gelöst ist.
In diesem Schaubild von Borealis wird schematisch dargestellt, wie nach der Folienherstellung (Extrusion) das Gleitmittel nach und nach an die Oberfläche wandert (migriert), bis sich ein gleichmäßiger Film von Erucasäureamid an der Oberfläche gebildet hat. Jedes Additiv hat auch Nebenwirkungen. Die Gleitmittel haben gleich eine ganze Menge davon:
Sie erschweren das Kaschieren und Bedrucken
Sie können zu Ablagerungen an Walzen und Blechen führen
Sie führen manchmal zum Kleben, warum man auch Antiblockmittel in Kombination verabreicht.
Und damit kommen wir zum Beispiel der nicht migrierenden Additive, dem Antiblockmittel. Das Antiblockmittel soll das aneinander haften der Folien beim Abwickeln oder später beim Öffnen der Beutel verbessern. Stark vereinfacht zeichnen sich alle nicht migrierenden Additive dadurch aus, dass sie gleichmäßig in der gesamten Folienmatrix verteilt sind. Man kann also sofort nach der Extrusion mit den Eigenschaften rechnen. Das bedeutet aber auch, dass man die gesamte Folie mit dem Additiv “füllen” muss, was insbesondere bei Antiblockmitteln zu Trübungen führen kann. Antiblockmittel können wir uns hier als fein gemahlenen Sand vorstellen. Dieser feine Sand bewirkt, dass zwischen den Folienlagen immer etwas Raum bleibt – beim Wickeln und auch nachher bei den Beutelinnenseiten.
Das verbessert nicht nur das Auf- und Abwickelverhalten, sondern führt auch dazu, dass Gleitmittel schneller und konstanter ihre Wicklung entfalten können. Daher werden Antiblockmittel (nicht migrierend) und Gleitmittel (migrierend) oft gemeinsam verabreicht – man könnte also von einem Kombipräparat sprechen. Fast alle Additive lassen sich in diese 2 Gruppen unterteilen und folgen den gleichen Gesetzmäßigkeiten. Eine gute Idee ist es daher, bei jedem Additiv zu überlegen, wie es sich wohl verhalten wird.
Heute sprechen alle über voll recycelfähig, 100% rezyklierbar und 100% nachhaltige Folien. Aber was heißt das eigentlich für die Praxis? Generell kann man sagen, dass diese Begriffe überhaupt nicht geschützt oder ausreichend definiert sind. Das ist auch nur schwer möglich, denn je nach Materialgruppe, Recyclingverfahren und Kunststoffmix, kann das ganz anders interpretiert werden. Daher sagen wir auch bei Marketing-Claims: Achtung Green-Washing. Wenn uns nämlich jemand nachweisen kann, dass wir zwar 100% recyclingfähig sagen, aber gar keine genaue Vorstellung davon haben, was das heißen soll oder gar keine Untersuchung gemacht haben, kann es teuer werden. Es würde hier zu weit führen dieses Thema gleichzeitig zu behandeln. Mehr Informationen dazu liefert unser Webseminar:
Aber es gibt praxisnahe Lösungsvorschläge von den Recyclern. Monomaterialfolien oder insgesamt Monomaterial-Verpackungen gelten als gut wiederverwertbar und recyclingfähig. Und das gilt erst einmal für alle Recyclingverfahren, ob mechanisches Recycling oder chemisches Recycling, Einstoff-Fraktionen sind immer hilfreich und erhöhen die Qualität des Regenerates. Das Regenerat oder Regranulat ist der Stoff, der durch das Recycling gewonnen wird und wieder als Granulat oder Flakes in den Kunststoffkreislauf – alternativ und als Zusatz zur Neuware – eingesetzt wird.
Nun gibt es aber ja auch noch den Begriff der Monofolie. Diese Wortschöpfung hingegen bezeichnet nur die Folien, die aus einer Schicht bestehen. Diese sind oft auch nur aus einem Material hergestellt. Normalerweise werden tatsächlich auch nur Materialien in dieser einen Schicht gemischt, die gut miteinander mischbar (kompatibel) sind und daher meistens aus einer Materialgruppe stammen.
Monofolie aus einer Schicht und meistens auch aus Monomaterial aber als Mischung z.B. PE-LD, PE-LLD
Diese werden unterschieden von den Verbundfolien, die sich wiederum in 2 Gruppen unterteilt:
Coextrudierte Verbundfolien
Kaschierte Verbundfolie (mittels Klebstoff- oder Extrusionskaschierung)
Coextrudierte Verbundfolie sowohl Monomaterial, meistens aber noch Multimaterial z.B. PA-PE-EVOH-PE
Kaschierte Verbundfolie, meistens Multimaterial, aber auch Monomaterial möglich, hier PET-BO/AL/PA-BO/PP
Wir tun also alle gut daran, die Begriffe Monomaterial und Monofolie auseinander zu halten und den Unterschied zu kennen und zu berücksichtigen, wenn wir kompetent über Folien und Folienverpackungen diskutieren und diese immer nachhaltiger machen. Und diese Nachhaltigkeit erzeugen wir auch dadurch, dass wir mehrschichtige Verbundfolien entwickeln, die aber aus Monomaterialien bestehen, um die vielfältigen Eigenschaften, die an eine Verpackungsfolie gestellt werden, zu erfüllen.
Beispiele für Monomaterialverpackungen in diesem Sinne der Recyclingfähigkeit sind die beiden ersten Beispiele. Die kaschierte Verbundfolie mit Aluminium hingegen ist schwer stofflich zu verwerten, also zu recyceln, da das Aluminium nicht gut mit dem Kunststoff zusammen recycelt werden kann. Es müsste getrennt werden, was aber meistens zu aufwendig wird. Es bleibt also meistens nur die Verbrennung oder Deponielagerung, was wir strikt vermeiden wollen und sollen.
Verbundfolien aus PP-BO kaschiert zu PE-LLD gelten aber als Monomaterialien, da sie aus einer Stoffgruppe der Polyolefine stammen und gut miteinander recycelt werden können. Besser wäre natürlich reines PE oder reines PP, aber das funktioniert praktisch oft noch nicht gut genug. Man will ja gerade die unterschiedlichen Eigenschaften der Rohstoffe PE und PP kombinieren für die Verwendung.
Was bedeuten eigentlich die Begriffe organische und anorganische Barriereschichten? Darum geht es nicht nur in diesem Beitrag, sondern auch beim 4. Inno-Talk am 21. Mai.
Einfach ausgedrückt sind die organischen Barriereschichten auf Kunststoffen basierend.
Es sind Schichten wie
Polyamid (PA)
Ethylen-Vinylalkohol (EVOH)
Poly-Acrylnitril (PAN)
Polyvinylidenchlorid (PVDC), welchem aber eine Sonderrolle zufällt.
Allgemein lässt sich sagen, dass diese Schichten in nennenswerten Dicken in Folien vorliegen müssen, damit diese ihre Barriere insbesondere gegen Sauerstoff und Aromen/ Gerüche ausbilden können. Hier sind von einigen wenigen µm (1000tel mm) bis hin zu 100 µm üblich für Folienverpackungen. Insbesondere beim EVOH pendeln sich die üblichen Schichtdicken im Bereich von 2 – 10 µm für Verpackungszwecke ein.
Die notwendige Schichtdicke ergibt sich dabei aus der Anforderung des verpackten Gutes und der Eigenschaft des Materials. So ist beispielsweise PA wesentlich “durchlässiger” gegenüber Sauerstoff als EVOH oder PVDC, aber deutlich dichter als PE und PP.
Wer einmal seine Folien “durchrechnen” möchte, kann dieses kostenlos mit dem Innoform Permeationsrechner tun. Hier ein paar Beispielrechnungen üblicher Verbundfolien:
Dieser Verbund ist ein Standard für Verpackungsfolien ohne besondere Barriereanforderungen gegen Sauerstoff und Aromen durch das Füllgut. Beispiele sind Snacks, Waschmittel oder Süßwaren.
Die PA/PE Verbunde hingegen bieten schon einen deutlich besseren Schutz gegen Sauerstoff und Aromen. Hier werden nur durch den Austausch der PET-BO Folie durch eine PA-BO Folie deutliche Verbesserungen (Faktor 3) erreicht. Beispiele hierfür sind eingelegte Gemüse-, Fisch- und Fleischverpackungen sowie alles, was eine erhöhte Durchstoßfestigkeit verlangt. Denn Barriere ist nur eine von vielen Anforderungen an Folienverpackungsmaterialien.
Die Folie mit der größten Sperrwirkung gegen Sauerstoff und Aromen ist die EVOH-Variante. Diese Folien werden im Gegensatz zu den o.g. Varianten im Koextrusionsverfahren hergestellt und können dann anschließend ebenfalls weiter mit Klebstoff kaschiert werden – z.B. zu PP-BO, um eine bessere Maschinengängigkeit zu erlangen. Diese Konstruktionen bieten nicht nur den Vorteil der besten Barriere, sondern ermöglichen auch ein “Monomaterial” aus reinen Polyolefinen, zu denen PP und PE, aber auch EVOH gezählt werden, und die sich durchaus gemeinsam mechanisch recyceln lassen.
All diese organischen Barriereschichten eint, dass sie thermoplastisch sind und mit der Extrusion hergestellt werden können. Das macht sie insbesondere für Folienanwendungen so interessant. Nachteile gibt es aber natürlich auch. All diese Materialien zeigen einen Abfall der Barriere bei höheren Feuchtigkeiten und eine Abnahme der Barriere bei steigender Temperatur. Eine Ausnahme bildet das PVDC, welches man aber u. a. aus Umweltgründen aus der Lebensmittelverpackung verbannt hat.
Die anorganischen Barrieren wie Aluminiumfolien in 6-12 µm (AL), die wir hier nicht näher betrachten, aber vor allem Bedampfungen wie
AL-Metallisierungen (met)
Siliziumoxid (SiOx)
Aluminiumoxid (AlOx)
zeigen diese Abhängigkeit vom Klima auf die Barriereeigenschaften nicht. Daher sind gerade bei Verpackungsentwicklern zunehmend die Bedampfungen attraktiv. Sie sind transparent oder silbrig glänzend – je nach Ausführung. Sie zeigen Barrierewerte wie die EVOH-Schichten im Top-Level und sind enorm kostengünstig herzustellen. Nachteil ist: Sie sind kratzempfindlich und offline zu beschichten. Dennoch zeigen sich zunehmende Mengen in den Regalen. Auffallend bei diesen anorganischen Bedampfungen
AlOx
SiOx
AL-Metallisierung
ist die sehr geringe Schichtdicke von einigen wenigen hundert Nanometern. Diese Schichten sind so dünn, dass aus heutiger Sicht keine Beeinträchtigung beim mechanischen Recycling zu erwarten oder bisher zu beobachten ist.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die anorganischen Bedampfungen auf dem Vormarsch zu sein scheinen ob ihrer genialen Eigenschaftsprofile. Das reine Aluminium als Folie wird dadurch maßgeblich verdrängt. Motoren dafür sind Kosten und Entsorgungs-Sorgen. Die organischen Schichten hingegen punkten bei besonders beanspruchten Materialien wie Thermoformfolien oder extremen Knitterbeanspruchungen. In tropischen Klimaten sowie Sterilisationsanwendungen verlieren diese zu Gunsten der Bedampfungen oder auch noch den Alu-Folien an Boden.
Gesamtverbrauch von Standbodenbeuteln in Europa mit und ohne Spout
Quelle: SCHÖNWALD CONSULTING
Der Verbrauch von Standbodenbeuteln mit Spout wird in den nächsten Jahren in Europa stärker wachsen als der gesamte Standbodenbeutelmarkt. Auch das ist ein Ergebnis der neuen Marktstudie von SCHÖNWALD CONSULTING, die den Verbrauch von Standbodenbeuteln in Europa in 9 Marktsegmenten von 2020 bis 2023 mit den durchschnittlichen jährlichen Wachstumsraten untersucht.
Der Spout hat sich zu einem wichtigen Bestandteil des Standbodenbeutels entwickelt. In einigen Marktsegmenten ist er heute unerlässlich. 2020 betrug der Anteil an Standbodenbeuteln mit Spout in Europa 26%. In seiner neuesten Marktstudie listet SCHÖNWALD CONSULTING 926 Verwender von Standbodenbeuteln auf. 340, und damit fast 37%, nutzen Spouts.
Der Benefit der Studie ist die Auflistung nach Markenartiklern (805), Einzelhändlern (52) und von Co-Packern / Markenartiklern (297) im Food, Non-Food und Pet Food Bereich.
Die Übereinstimmung von Lebensmittelkontaktmaterialien aus Kunststoff mit den gesetzlichen Forderungen kann nur gewährleistet werden, wenn entlang der Lieferkette einschlägige Informationen zwischen Lieferanten und Kunden ausgetauscht werden. Doch haben sie immer an alles gedacht, alles gecheckt und dokumentiert? Wir haben uns dafür eine Checkliste angelegt.
Denn der Artikel 15 der Verordnung (EU) 10/2011 gibt vor, dass für jene Materialien Konformitätserklärungen zu erstellen sind, die dem Anhang IV entsprechen. Damit sichergestellt wird, dass diese Erklärungen alle erforderlichen Informationen enthalten, haben wir eine Checkliste entwickelt. Man kann diese benutzen um eigene Erklärungen zu kontrollieren und zu optimieren, aber natürlich auch um Dokumente der Lieferanten zu überprüfen. Haben wir Ihr Interesse geweckt? Dann können Sie die Checkliste hier kostenlos anfordern.
Wir senden Ihnen dann kostenlos die Checkliste zu und freuen uns, damit einen kleinen Beitrag zur Verpackungssicherhiet beizutragen.
Aufgrund der anhaltenden Einschränkungen durch die Pandemie erleiden immer noch viele unserer Teilnehmer Reise-Restriktionen. Aus diesem Grund bieten wir nun einige unserer Bestseller-Präsenz-Seminare wahlweise im Präsenz- oder Online-Format mit exakt gleichem Umfang an.
Dieses Format unterscheidet sich von den Instant und Live-Webseminaren inhaltlich und didaktisch. So werden Teilnehmer bei den Hybrid-Seminaren und Workshops mit den Präsenzteilnehmern zusammengeschaltet. Alle erleben das Event live und in Echtzeit. Mit modernen Tools binden wir auch interaktive Inhalte in gemischten Gruppen ein. So können auch Online-Teilnehmer Fragen stellen, in Gruppen üben oder auch Kontakt mit den anderen Teilnehmern aufnehmen.
Innoform bietet bis Jahresende diese Online-Teilnahme zu einem einmaligen Einführungspreis von 595 € anstelle von 995 € für 2 Tage an. Und, wenn Sie noch Seminar-Gutscheine bei uns haben, lösen wir diese natürlich auch dafür ein.
Hier finden Sie eine Liste der entsprechenden Hybrid-Seminare. Achten Sie dabei auf dieses Symbol
Wir denken damit ein attraktives Angebot zu haben, um auch in diesen schwierigen Zeiten die Fortbildung zu ermöglichen.
