6. Teil: Ein Überblick über häufig verwendete Synthetikfolien zumDrucken und KaschierenDie Korona-Vorbehandlung
von MANFRED RÖMER, ANSGAR WESSENDORF
Um die Haftung von Materialien wie Klebstoffe oder Druckfarben auf Substraten zu ermöglichen, müssen deren Oberflächen entsprechende physikalische Benetzungseigenschaften aufweisen. Diese wiederum hängen von der Oberflächenspannung des jeweiligen Substrats ab, wobei in diesem Zusammenhang von polaren oder unpolaren Oberflächen gesprochen wird. Als ein etabliertes Verfahren, die erforderliche Spannung herzustellen, gilt die Korona-Vorbehandlung.
Die Korona-Vorbehandlung schafft auf unpolaren Oberflächenwie PE oder PP durch Oxidation polare Gruppen und verändert (erhöht) auf diesem Wege die Oberflächenspannung. Dadurch verbessert sich die Benetzung durch Klebstoffe oder Druckfarben und damit auch deren Anhaftung auf dem Substrat. Zusätzlich zu den angesprochenen Oxidationsvorgängen findet auch noch eine »Reinigung « der Oberflächen statt und es wird eine Mikrorauhigkeit hergestellt.
Unter der Voraussetzung korrekter Anwendung der Korona-Parameter führen diese drei Faktoren (Oxidation, Reinigung und Mikrorauhigkeit)
zu einer guten Anhaftung von Klebstoffen oder Druckfarben.
Vor den jeweiligen Bearbeitungsvorgängen stehen dem Drucker oder Kaschierer verschiedene
Möglichkeiten zur Prüfung der Oberflächenspannung zur Verfügung. Üblicherweise werden hierfür Testtinten und Teststifte eingesetzt, die eine ausreichend genaue Aussage über die Oberflächenspannung erlauben.
(Abbildung 1)
Die Entstehung der Oberflächenspannung beruht dabei auf folgendem Prinzip: Um die Moleküle aus dem Inneren der Flüssigkeit an die Oberfläche zu bringen, muß gegen die resultierenden Molekülkräfte Arbeit geleistet werden. Die Größe der Arbeit (Delta W) bezogen auf die gebildete Fläche (Delta A) ist die Oberflächenspannung. Die zu leistende Arbeit entspricht der Energie, daher wird sie auch Oberflächenenergie genannt (Abbildung 1). Messung der Vorbehandlung(Abbildung 2)
Obwohl es selbstverständlich noch eine ganze Reihe anderer einschlägiger Verfahren gibt, haben sich die Testtinten und Teststifte in der Praxis doch auf breiter Front durchgesetzt. Es muß jedoch in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen werden, daß sowohl Tinten wie auch Stifte nur eingeschränkt haltbar sind und daher nach dem Überschreiten der angegebenen Gebrauchsdauer keine zuverlässigen Ergebnisse mehr liefern (Abbildung 2).
(Abbildung 3)
Die Randwinkelmessung ist an Genauigkeit der Testtinte oder dem Teststift zweifellos überlegen, jedoch ist die Anwendung dieses Verfahrens in der täglichen Produktionspraxis
beim Drucken und Kaschieren viel zu aufwendig. Der Randwinkel stellt dabei ein Maß für das Benetzungsverhalten dar. Um einen Randwinkel messen zu können, muß die Oberflächenspannung der Testflüssigkeit größer als die Oberflächenspannung des Festkörpers sein (z.B. Folie). Sind die Oberflächenspannung von Testflüssigkeit
und Substrat gleich, findet eine vollständige Benetzung statt (Randwinkel = 0) (Abbildung 3).
Für Folien müssen bestimmte Korona-Vorbehandlungsintensitäten
erreicht werden, damit für die Bedruckung oder Kaschierung eine optimale Oberflächenspannung aufgewiesen wird:
● PE, PP-C > 38 mN/m
● PP-BO > 42 mN/m
● PA-C > 50 mN/m
● PA-BO, PET-BO > 52 mN/m
(Abbildung 4)Optimale Vorbehandlung
In Abbildung 4 wird das Prinzip der Korona-Vorbehandlung bzw. die damit verbundenen oxydativen Vorgänge dargestellt. Insgesamt wird im Schaubild verdeutlicht, daß es sich hierbei um einen komplexen Vorgang handelt, der durch Bedienungsfehler oder mangelnder Anlagenwartung auch zu Mißerfolgen führen kann.
(Abbildung 5)(Abbildung 6)
Die Oxidationsvorgänge an der Folienoberfläche bewirken, daß dem Substrat eine größere Oberflächenenergie verliehen wird. Durch Verdampfung erhöht sich die Mikrorauhigkeit der Substratoberfläche, die entscheidend zu einer besseren Haftung von Druckfarbe und Kaschierkleber beiträgt. Doch es ist darauf zu achten, daß insbesondere bei hoher Luftfeuchtigkeit es zu einem Abbau von Molekülketten und damit zu einer Verringerung der Oberflächenspannung kommen kann. Darüber hinaus wird durch Koronavorbehandlung die Siegelfähigkeit verschlechtert (Vernetzung der Makromoleküle). Im Zusammenhang mit der Korona-Vorbehandlung spielt auch die sogenannte »Aktivierungsenergie « eine wichtige Rolle. Sie bezeichnet das Niveau der einzubringenden Energie zur Initiierung der vorher genannten Prozesse. Die notwendige Dosis der Korona-Energie (W min/m2) zur Erreichung der gewünschten Oberflächenspannung (mN/m) variiert in Abhängigkeit zu den jeweiligen Foliensubstraten. In Abbildung 5 werden einige typische Zusammenhänge zwischen Dosis und Oberflächenenergie dargestellt. Die Vorbehandlung einer Folie wirkt nicht unbegrenzt, sondern erfordert nach Ablauf einer gewissen zeitlichen Frist eine Auffrischung. Abbildung 6 stellt den »Schwund« des Vorbehandlungsgrades in Abhängigkeit zur Zeit dar.
Viel hilft nicht viel(Abbildung 7)
In diesem Zusammenhang könnte der Eindruck entstehen, diesem »Schwund« der Vorbehandlung bzw. der Oberflächenspannung mit dem Einbringen einer höheren Dosis an Korona-Energie entgegenwirken zu können. Davor muß jedoch dringend gewarnt werden, da das Einbringen einer zu hohen Dosis den gegenteiligen Effekt mit sich bringt und die Haftungseigenschaften durchaus wieder verschlechtern kann. Dies hat seinen Grund darin, daß ein zu hoher Energieeintrag die Substratoberfläche soweit abbaut, daß es zu adhäsiven Oberflächenbelägen kommt, die eine Haftung von Druckfarben oder Klebstoffen verhindern (Abbildung 7). Im Gegensatz dazu führt eine zu niedrige Korona-Vorbehandlung zu schlechter Benetzung und damit zu schlechten Anhafteigenschaften.
Fazit
Grundsätzlich ist die Kenntnis der in diesem Artikel vorgestellten Zusammenhänge für Drucker und Kaschierer äußerst empfehlenswert und vorteilhaft, um die Voraussetzungen zur Schaffung optimaler Oberflächenhaftung auf den jeweils eingesetzten Substraten zu schaffen (wird fortgesetzt).
[Artikel Serie 1-8 “Drucken und Kaschieren” wird fortgesetzt]
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Die moderne Kaschiertechnik, und die damit hergestellten Produkte (Laminate), sind heute, sowohl für technische Produkte als auch für Verpackungsmaterialien, nicht mehr wegzudenken.
Der Kaschiervorgang kombiniert die Materialeigenschaften einzelner Filme / Folien zu einem neuen Werkstoff mit oft überragenden Eigenschaften. Im Folgenden beschäftigt sich dieser Beitrag mit der Kaschiertechnik im Ganzen, ohne auf spezifische Maschineneigenschaften der unterschiedlichen Hersteller einzugehen.
Desweiteren bezieht sich dieser Beitrag im Besonderen auf die Herstellung von Laminaten (Verbundfolien) für den Lebensmittelverpackungsbereich.
Warum Verpackungsfolien?
• Barriere gegen:
• Licht, Gase (O2; N2; CO2; Wasserdampf …)
• Gute Optik (Wechselspiel Kleber – Druckfarbe)
• Festigkeit (Flächenhaftung + Siegelnaht)
• Siegelbarkeit (Verschlusssicherheit)
• Peelbarkeit (kontrollierte Öffnungskraft der Versiegelung)
• Maschinengängigkeit (Potlife oder dyn. Panlife)
• … u.a.
Welche Möglichkeiten zur Herstellung von Verbundfolien gibt es?
• Kaschierung
– LF = Lösemittelfrei
– LH = Lösemittelhaltig
• Mehrlagen-Extrusion (Adhäsions-Promoter)
• LH-Primer (z.B. PU Kleber o.ä.)
• Wässrige-Primer (EAA Dispersionen)
• Primer aus der Schmelze (EAA)
• Maleinsäure
Bei der Kaschierung unterscheidet man zwei wesentliche Techniken:
• Lösungsmittelhaltig
• Glattwalzenauftrag (Schöpfwalze/Auftragswalze)
• Rasterwalzenauftrag (Schöpfwalze/Rakel)
• Rasterwalzenauftrag (Kammerrakel)
• Lösungsmittelfrei
• Dreiwalzenauftrag (Stahl-Gummi-Stahl)
• Vierwalzenauftrag ( Stahl-Stahl-Gummi-Stahl)
Schema der LH Kaschierung:Schema der LF Kaschierung:Definition der unterschiedlichen Kaschiertechniken:
Nasskaschierung und Trockenkaschierung.
Definition:
Wenn das Kaschieren unmittelbar nach dem Klebstoffauftrag , also ohne
Zwischentrocknung erfolgt, spricht man vom Nasskaschieren.
Bei den eingesetzten Klebstoffen handelt es sich um physikalisch
trocknende aber auch vernetzende Systeme.
Die Bindekraft beruht auf physikalische Prozesse, d.h. auf der
Trocknung des Klebstoffes nach Verdunsten des Lösungsmittels /Vehikels
(Wasser).
Die Anwendung von Dispersionen dominiert bei der Kaschierung
von Folien mit saugfähigen Stoffen, wie Papier, Pappe, Filz oder
Textile-Substrate.
Ist der zu verarbeitende Klebstoff in einem organischen Lösungsmittel gelöst, muss dieses Lösungsmittel vor dem Kaschierprozeß in einem Trockenkanal entfernt werden. Bei der Zusammenführung der Bahnen im Kaschierwerk liegt also ein „trockener“ Klebstofffilm vor und man nennt diesen Kaschiervorgang Trockenkaschierung.
Im Falle der lösungsmittelfreien Kaschierung (LF), wird natürlich kein Lösungsmittel verdampft und die Termini Nass – oder Trockenkaschierung treffen hier nicht zu. Bei der LF-Kaschierung ist folglich das „Nassauftragsgewicht“ auch das „Trockenauftragsgewicht“.
Es wird dem Leser klar, dass bei der LF Kaschierung ganz besonders auf gleichmäßigen Klebstoffauftrag geachtet werden muss, um z.B. optische Uniformität des Klebstofffilms sicherzustellen.
Da die Maschinentechnik für LH-Klebstoffe heute als perfekt bezeichnet werden kann und dem Verarbeiter durch die Tatsache, dass er mit dem Lösungsmittel nicht nur eine gute Benetzungshilfe zum Substrat, sondern auch ein „Werkzeug“ zur Kontrolle eines sehr homogenen Auftragsbildes besitzt, werden wir uns im Folgenden mit der LF-Klebstoffverarbeitung beschäftigen.
Mitte der 70iger Jahre gab es noch eine Fülle von Problemen bei der Verarbeitung von LF-Klebstoffen, die heute, sowohl von den Klebstoffherstellern als den Maschinenherstellern gelöst wurden.
Trotzdem stellt die perfekte LF-Kaschierung (Optik) bei der Fülle von möglichen Folienkombinationen und Druckbildern bzw. Druckfarben die Maschinenführer vor wechselnden Problemen.
Am Markt findet man überwiegend zwei Typen von LF-Kaschiermaschinen, die Drei- oder Vierwalzenmaschinen. Beide Maschinentypen besitzen noch eine Presseurwalze die den einzustreichenden Film auf die Klebstoffauftragswalze drückt.
• In der Praxis haben sich beide Maschinentypen bewährt.
• Die Tendenz nach unserer Beobachtung geht jedoch in Richtung der Vierwalzenmaschinen.
• Moderne LF-Kaschierkleber laufen auf beiden Maschinentypen problemlos.
• Ältere LF-Klebstoffentwicklungen zeigen für Vierwalzenmaschinen häufig ein zu geringes dyn. Panlife. Das ist die Zeit, die dem Maschinenführer zur Verfügung steht Einstellungen vorzunehmen, bevor er das Auftragswerk Grundreinigen muss.
Der Kaschierer hat bei der Verarbeitung von LF-Klebstoffen nur eine „Stellschraube“, die das Kaschierergebnis, was die Optik angeht, wesentlich beeinflusst, nämlich die Klebstoffauftragstemperatur! Andere wichtige Optimierungsmöglichkeiten oder Unabdingbarkeiten, wie die Koronavorbehandlung, werden im Laufe der Serie separat behandelt.
Man unterscheidet drei Varianten LF-Kaschierklebstoffe:
1.) „kaltverarbeitbar“
2.) „warmverarbeitbar
3.) „heißverarbeitbar“
Für die jeweilige „Klasse“ gibt es bestimmte „Daumenregelungen“, was die Temperatureinstellungen betrifft.
Kaltverarbeitbar:
Dosierung : <40°C
Auftrag : < 50°C
Kaschierwerk 50°C – 60°C
65°C – 75°C (mit Aluminium)
Bei langem Bahnweg der eingestrichenen Folie erhöht man die Kaschierwalzentemperatur um ca. 10°C.
Warmverarbeitbar:
Dosierung : < 40°C
Auftrag : 55°C – 60°C
Kaschierwerk: 50°C /60°C 65°C /75°C (mit Aluminium)
Bei langem Bahnweg der eingestrichenen Folie erhöht man die Kaschierwalzentemperatur um ca. 10°C.
Heißverarbeitbar:
Dosierung : >50°C – 60°C
Auftrag : 65°C > 80°C
Kaschierwerk 50°C /60°C
65°C /75°C (mit Aluminium)
Bei langem Bahnweg der eingestrichenen Folie erhöht man die Kaschierwalzentemperatur um ca. 10°C
? Handhabung durch kurzes „Panlife“ problematisch.
? Kleber reagiert auf der Auftragswalze.
Reinigung schwieriger! Klebstoffverluste durch Stopps!
Typische Maschinenkonfigurationen (Klebstoffauftragswerke)
Wie vorher gesagt kommt der Temperaturführung des Auftragswerkes eine besondere Bedeutung zu.
Durch falsche Temperaturführung der Dosier- oder Auftragswalze kommt es nicht nur zu schlechter Kaschieroptik, sondern auch zum „nebeln“ oder „spinnen“. Nebeln bedeutet, dass der Klebstoff in Form feiner Tropfen im Umfeld des Auftragswerkes zu einer Verunreinigung der Kaschiermaschine kommt und erheblichen Reinigungsaufwand erforderlich macht.
Spinnen bedeutet, dass es zwischen der Transferwalze/Auftragswalze und Auftragswalze/Substrat (einzustreichende Bahn)auf Grund gegebener Klebstoffzähigkeit zur Fädchenbildung kommt. Daraus resultiert u.s. schlechte Kaschieroptik.
Man spricht von einer idealen Klebstoffauftragstemperatur oder „Viskositätsfenster“. Dem Klebstoffhersteller muss es gelingen diesen Bereich so weit wie möglich bzw. nötig zu gestalten um dem Kaschierer eine optimale Verarbeitung des Klebstoffes zu gewährleisten.
Wird fortgesetzt.
von
Dipl. Ing. Manfred-Werner Römer
Römer Consult
Distelweg 26
28816 Stuhr-Seckenhausen
[Artikel Serie 1-8 “Drucken und Kaschieren” wird fortgesetzt]
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4. Teil: Häufig verwendete Folien zum Drucken und Kaschieren.BARRIEREFOLIEN IM HINBLICK AUF VERARBEITUNG UND ANWENDUNG – EIN KOMPRIMIERTER ÜBERBLICK
von Karsten Schröder und Ansgar Wessendorf
Im vierten Teil dieser Artikelserie über die marktüblichen Arten und Typen synthetischer Folien (Kunststofffolien) zur Herstellung von Lebensmittelverpackungen stehen die Barrierefolien, die vor allem In Kaschieranwendung einen stetig wachsenden Anteil ausmachen.
Was verstehen wir heute unter Barriere in Bezug auf Folien, die für die Veredelung von Lebensmittelverpackungen gedacht sind? Versucht man in Lexika Definitionen hierfür zu finden, so sind diese sehr vielfältig. Begriffe wie:
– Hindernis
– Sperre
– Schranke
– Wellenbrecher
findet man z.B. in der online Enzyklopädie Wikipedia. Alles diese Begriffe beschreiben auch die Funktion, die eine Barriere für Folienverpackungen aufweisen soll.
Eine der wesentlichen Funktionen einer Folienverpackung ist naturgemäß der Produktschutz und die Abschirmung zur Umwelt. Aber auch das Fernhalten von Stoffen aus der Folie selbst wird immer häufiger – gerade bei Lebensmittelverpackungen – zur Nebenaufgabe. So können beispielsweise „Schadstoffe“ aus weiter außen liegenden Schichten der Verpackungsfolie durch eine innen liegende Barriereschicht dazu führen, dass diese Stoffe nicht mehr auf das verpackte Gut übergehen können. In Einzelfällen kann nur so die Gesetzgebung eingehalten werden. Hierzu werde ich im weiteren Verlauf näher eingehen.
Zunächst einige Bemerkungen zur Barriereberechnung. Grundsätzlich lassen sich heute Barriereeigenschaften von vielen Materialien rechnerisch gut abschätzen. In diesem Artikel werden wir aber mehr auf die praxisnahen Messungen und Füllgutschutz eingehen. Hier aber einige Grundlagen für den Praktiker, die jeder Barrierefolien-Hersteller kennt:
1. Barriere
Die Barriere setzt an drei Schritten zusammen (mache Literaturstellen nennen auch noch eine vierte – die Absorption, die wir hier auslassen möchte, da sie in der Praxis mehr verwirrt als nützt, bei akademischen Betrachtungen aber durchaus relevant sein kann).
a. Adsorption – das Anlösen des „Permeanden= Stoff der durchdringen kann/wird“
Damit ist also die Aufnahme des z.B. Gases Sauerstoff O2 gemeint, die direkt an der Oberfläche der Folie geschieht.
b. Diffusion – das Durchdringen des z.B. O2 durch die Folie, nachdem er in die Folie eingedrungen ist
Hier spielt primär die Diffusionskonstante eine Rolle, die Material abhängig ist
c. Desorption – Das Verlassen des Sauerstoffs der Folie – das „Ausdringen“ ist der dritte, der Adsorption umgekehrte Schritt, der die gesamte Permeation bedingt/beschreibt.
Abbildung 1 schematische Darstellung der Permeation von innen nach außen und von außen nach innen
2. Einflussfaktoren:
Die Verbesserung der Barriere ist möglich, indem man einen oder alle drei Schritte so verändert, dass der Permeand langsamer oder gar nicht mehr hindurch permeieren kann. Man kann also entweder die Adsorption reduzieren oder unterdrücken. Diese geschieht z.B. durch Metallisierungen, Lackierungen oder andere Oberflächenbehandlungen wie chemisch reaktive Prozesse. Alternativ dazu kann die Diffusion durch die Veränderung des Materials beeinflusst werden, um eine günstigere Diffusionskonstante zu erhalten muss in jedem Fall der Werkstoff gewechselt oder verändert werden. Auch das Verhältnis beispielsweise beim EVOH Copolymer zwischen Ethylen und Vinylalkohol verändert die Barriereeigenschaften aufgrund der veränderten Diffusion deutlich. Faustregel ist: Je mehr Vinylalkohol (VOH) desto besser die Barriere gegen Sauerstoff. Je mehr Ethylen €, desto besser ist die Feuchtigkeitsunempfindlichkeit der Folie hinsichtlich Sauerstoffpermeation. Dazu werden wir im abschnitt Barrierematerialien aber detaillierter zurück kommen.
3. Durchbruchzeit
Als Durchbruchzeit kann man die Zeit beschreiben, die es dauert, bis genauso viele Sauerstoffatome außen in die Folie eindringen, wie innen austreten. Man beschreibt hiermit also die Zeit, die es dauert, bis ein Gleichgewichtszustand erreicht ist, der primär vom Konzentrationsgefälle des Permeanden innen zu außen und dem Klima abhängt.
Die Steigung der Summenkurve gibt dabei die Permeationsrate an. Legt man an den linearen Verlauf eine Tangente an, so gibt der Schnittpunkt mit der X-Achse die Durchbruchzeit an, die zwischen Sekunden und einigen Tagen liegen kann und somit nur für kurz haltbare Lebensmittel bei der Barriereauslegung bedeutsam ist.
Abbildung 2 Durchbruchzeit und Permeationsrate schematisch dargestellt
2 Definition Dichtigkeit
Als Überbegriff der Permeation fungiert die Dichtigkeit. Dichtigkeit oder Dichtheit beschreiben bei Verpackungen das gesamte System – also die Permeation durch das Material aber auch Einflüsse durch Siegelnahtfehler oder Löcher in der Verpackung. Nun beschreiben Dichtheitsprüfungen einige Zehnerpotenzen geringere Genauigkeiten des Stoffdurchtritts in eine Verpackung als die Permeation, weshalb der Schluss nahe liegt, dass zuerst einmal eine Verpackung dicht (verschlossen) und unbeschädigt sein muss, bis man über Permeation nachdenken sollte.
Eine der bedeutendsten Barrierematerialien aus Kunststoff ist nach wie vor das EVOH, das sich durch gute Transparenz, gute Verarbeitbarkeit, hervorragende Sperrwirkung gegen Sauerstoff und Aromen sowie Thermo-Verformbarkeit auszeichnet.
Wo Licht ist, ist leider auch Schatten. So hat das EVOH ein bisher ungelöstes Problem mit Feuchtigkeit. Natürlich gibt es Konstruktionen und Lebensmittel, die hier unproblematisch sind, dennoch ist stets drauf zu achten, dass EVOH in möglichst trockenem Zustand seine volle Barrierewirkung entwickelt. Welchen Einfluss Feuchtigkeit und Temperatur auf die Barriere von EVOH Verbundfolien haben kann, zeigt das folgende Diagramm.
Abbildung 3 Folie aus dem Seminar Grundkurs Kaschiertechnologie: Einfluss von Temperatur und Feuchtigkeit auf Sauerstoffbarriere vom EVOH
An dieser stelle werden wir nicht näher auf die enormen Einflussfaktoren auf die Barrierewirkung eingehen. Weitere Informationen finden Sie u.a. unter http://www.eval.be/web/index.asp?lang=de&ut=L .
Für den Weiterverarbeiter, wie Drucker und Kaschierer, ist auf jeden Fall darauf zu achten, das wenig Feuchtigkeit in der Anwendung an die EVOH Schicht gelangt. Das ist auch ein Grund, warum EVOH immer im Verbund (z.B. mit PE, PP oder PA) verarbeitet wird.
3.2 Typische Anwendungen und Eigenschaften von EVOH-Verbundfolien
Eine typische Anwendung von EVOH Folien sind die vielfältigen MAP-Verpackungen (modified atmosphere packaging). Hier spielt das thermoverformbare EVOH seine ganze Stärke aus. Zum einen kann durch Wechsel der EVOH Copolymer-Type die Sauerstoffdurchlässigkeit (OTR=Oxygene transmission rate) eingestellt werden oder einfach über die Schichtdicke. Aufgrund seiner Verformbarkeit wird es gerne in Unterfolien eingesetzt, wenn ein besonders O2 empfindliches Produkt verpackt werden soll. Aber auch in den Deckelfolien wir traditionell EVOH eingesetzt, obwohl heute auch weniger feuchtigkeitsempfindliche Materialien wie SiOx bedampfte Folien oder Metallisierungen verwendet werden. Insbesondere für feuchte Füllgüter sind diese nicht organischen Bedampfungen (nicht aus Kunststoff bestehenden) Folien wirksamer.
So finden sich heute u.a. in vielen Wurst-/Fleisch- oder auch Tubenlaminaten EVOH Barrieren.
3.3 EVOH als funktionelle Barriere
Das Lebensmittelbedarfsgegenständerecht sieht europaweit vor, dass „Schadstoffe“, die in Folien technisch unvermeidbar sind, durch s.g. funktionelle Barriereschichten gesperrt werden können, so dass dann in der Lebensmittel abgewandten Seite höhere Konzentrationen von „Schadstoffen“ toleriert werden können, wenn nachgewiesen wird, dass die funktionelle Barriere diese Stoffe vom Lebensmittel fern hält/sperrt.
Auch in solchen Anwendungen findet EVOH Einsatz. Zum Beispiel die immer häufiger eingesetzten Wiederverschluss-Systeme, die in der Regel aus leicht migrierenden Komponenten formuliert werden, müssen in ihrer Migrationsneigung ins Füllgut gebremst werden. Diese Aufgabe übernimmt in einigen Fällen eine sehr dünne (1 – 3 µm) EVOH Sperrschicht, die quasi nebenbei natürlich auch die Sauerstoffbarriere erhöht und somit zu einer längeren Haltbarkeit des verpackten Lebensmittels führt.
3.4 Bedampfungen
Eine weitere Möglichkeit Folien hinsichtlich Ihrer Barriereeigenschaften erheblich zu verbessern ist die Bedampfung. Eine Untergruppe stellt hier die Aluminium-Metallisierung dar, die im großtechnischen Maßstab eingesetzt wird. Diese silbrige Folienbeschichtung führt zudem zu einem oft ausreichendem Lichtschutz.
Zudem finden transparente, anorgansische Bedampfungsschichten immer mehr Einsatz. Hier erwähnen wir nur kurz SiOx und AlOx als die häufigsten. Aufgrund der Oxodation behalten die Stoffe ihre Sperrwirkung, werden aber hoch transparent. Sie lassen sich problemlos mit geeigneten Druckfarben bedrucken.
Nähere Details können jederzeit von den einschlägigen herstellern oder bei Innoform erfragt werden.
Vergleicht man nun einmal typische Druckträgerfolien hinsichtlich ihrer Barriereeigenschaften, so lässt sich daran einiges an physikalischen Grundlagen erklären. Betrachten wir im Folgenden einmal diese typischen Folien in ihren handelsüblichen Dicken:
PP-BO 20 µm
PET-BO 12 µm
PA-BO 15 µm= Polyamid biaxial orientiert
PA-C 20 µm = Polyamid cast (Gießfolie nicht orientiert)
PET-BO 12 µm mit SiOx Beschichtung
Hier einige Daten, wie einige handelsüblichen kaschierfplien im Vergleich bei OTR- Betrachtungen abschneiden. Dieses sind nur Richtwerte und Spezialtypen weichen natürlich im Detail ab. Die Tendenz bleibt aber.
Abbildung 4 Sauerstoffdurchlässigkeit handelsüblicher kaschier-/Druckfolien
Betrachtet man hier die Sauerstoffdurchlässigkeit im Vergleich, so wird deutlich, dass mit zunehmender Polarität des Werkstoffes die Permeation abnimmt. Am schlechtesten schneidet das PP-BO ab, das kaum eine Sperrwirkung gegen O2 zeigt. Das PET und das PA hingegen schon als zumindest O2 Bremsen bezeichnet werden können. In den Bereich echter Barriere dringt aber nur das PET-BO mit SiOx Beschichtung vor.
Betrachtet man nun die Wasserdampfdurchlässigkeit in der folgenden grafik, wird schnell klar, dass bei den organischen, Kunststoffschichten sich das Bild umkehrt. Bei der anorganischen SiOx Schicht hingegen, bleibt das Niveau niedrig.
Abbildung 5 Wasserdampfdurchlässigkeit handelsüblicher kaschier-/Druckfolien
Die genannte SiOx und AlOx Schichten sind genau wie Aluminium-Metallisierungen deshalb in ihrer dünnen Ausprägung spröder als organische/Kunststoffschichten. Das bedeutet für den Drucker und Kaschierer, aber auch für das Logistikteam besondere Sorgfalt.
So sind beispielsweise die transparenten Barrieren nach der Herstellung „vorgespannt“ auf der Folienoberfläche. Dehnt man nun die Folie extrem, so können die dünnen Schichten brechen und teilweise Ihre Barrierewirkung verlieren.
Abbildung 6 Schematische Darstellung der Eigenspannung von anorganischen Beschichtungen
Natürlich kann auch eine schwer drehende Welle oder ein kratzendes Entionisierungs-Selbstkonstruktion zu kleinsten Kratzern und somit Fehlstellen führen. Diese fehlstelölen sieht man erstens nicht und zweitens sind sie nur durch aufwendige Permeationsmessungen statistisch zu erfassen.
Die Lösung ist wie so oft Wissen und Sorgfalt beim Umgang.
4.1 Auf welcher Seite drucke ich gerade?
Diese Frage hat sich vielleicht schon mancher Drucker, Kaschierer und Betriebsleiter gestellt, wenn er bedampfte, transparente Folien verarbeitet hat. Hierzu zum Schluss noch ein kurzer Tipp:
Um die zu bedruckende Seite schnell und sicher zu bestimmen benötigen Sie nicht merh als das Wissen, einen Eimer mit Wasser und einen Schwamm. Hängt die SiOx oder AlOx Rolle erst einmal in der Maschine, schlagen Sie ca. 30 cm des Rollenendes um und benetzen mit dem angefeuchteten Schwamm die Folienbahn auf der Vorder und Rückseite.
Auf der Seite, auf der das Wasser besser benetzt, sollten Sie stets drucken, denn das ist die bedampfte Schicht, die im Zwischenlagendruck geschützt werden muss.
Aber Achtung. Die Oberflächenspannung ist oft so hoch, dass nicht alle farben gut ausdrucken und haften. Fragen Sie hierzu Ihren Farb-/Folienlieferanten, der Ihnen geren Auskunft über getestete Systeme geben wird.
4.2 Vorbehandlungsintensitäten
Hier noch eine Tabelle, welche Vorbehandlungsintensitäten die besprochenen Folien haben. Als Drucker und Kaschierer wissen Sie natürlich, dass wir mindestens 38 mN/m benötigen, um gut zu Benetzen und Haftung zu erzielen. Wie wir das schaffen berichten wir in einem der nächsten Artikel.
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3. Teil : Häufig verwendete Folien zum Drucken und KaschierenEIGENSCHAFTEN UND EINSATZGEBIETE VON DÜNNEN DRUCKTRÄGERFOLIEN UND SIEGELSCHICHTEN
von Karsten Schröder und Ansgar Wessendorf
Im dritten Teil dieser Artikelserie über marktübliche Arten und Typen synthetischer Folien zur Herstellung von Lebensmittelverpackungen stehen die Eigenschaften und Einsatzgebiete verschiedener Druckträgerfolien und Siegelfolien wie PP und PE im Zentrum der Berichterstattung.
Folien als Druckträger
Dünne, als Druckträger verwendete Folien, haben noch wesentlich mehr Aufgaben als »nur« den Druck aufzunehmen oder ihn im Falle des Zwischenlagendrucks zu schützen. Viel mehr spielen bei der Auswahl dieser Folien, die vor allem für Produkte wie Deckelfolienlaminate, Schlachbeutelfolien und Standbeutel eingesetzt werden, noch weitere Gesichtspunkte und Aufgaben eine wichtige Rolle. Dazu gehören die Verbesserung der Durchstoßfestigkeit, die Erhöhung von Steifigkeit, Glanzfaktor und Schmelztemperatur der Außenseite zur Vermeidung von Anhaftung an Siegelbacken; sowie Gleitfähigkeit.
Herstellungsverfahren
Zur Herstellung biaxial orientierter Folien können die nachfolgend kurz beschriebenen Verfahren zum Einsatz kommen:
1. Double-Bubble-Verfahren
Bei diesem Blasverfahren, das auch bei dem englischen Unternehmen Innovia Films zum Einsatz kommt, wird die Folie nach dem ersten Aufblasen abgekühlt und anschließend ein zweites Mal bei kontrolliert niedriger Temperatur noch einmal und stärker aufgeblasen. Hierdurch ergibt sich ein Verstreckungseffekt sowohl in Längs- als auch in Querrichtung. Derart hergestellte Folien werden auch als »ausgewogene Folien« (»balanced films«) bezeichnet, da sie ähnliche Eigenschaften sowohl in Längs- als auch in Querrichtung aufweisen.
2. Tenter Frame-Verfahren
Bei diesem Gießverfahren wird die hergestellte Folie zunächst längs und danach quer verstreckt, was nacheinander oder auch gleichzeitig erfolgen kann. Nach dem Verstrecken erhält die Folie eine Thermofixierung bei geeigneter Temperatur, damit sie bei späterer Erwärmung während der Verarbeitung oder Anwendung nicht in die ursprüngliche Form zurückschrumpft. Allerdings läßt sich ein derartiger Schrumpf nicht völlig vermeiden, was sich vor allem beim Siegeln bemerkbar machen kann.
Biaxial orientiertes Polypropylen
Zu den Vorteilen von biaxial orientierter Polypropylenfolie (PP-BO) gehören verbesserte Transparenz, optimierte Barriereeigenschaften, erhöhte Festigkeit bei Reduktion der Dehnbarkeit, hoher Glanz, gute Durchstoßfestigkeit, Knickbruchunempfindlichkeit, verbesserte Ölbeständigkeit sowie hohe Wasserdampfdichtigkeit und Steifigkeit.
Es muß allerdings darauf hingewiesen werden, daß PP-BO über bestimmte, vor allem für Lebensmittelverpackungen wichtige Eigenschaften nicht verfügt. Dazu gehören Aromadichtigkeit, Barriefähigkeit gegen Sauerstoff sowie Sterilisierbarkeit. Darüber hinaus erfordert die niedrige Oberflächenspannung des Materials vor der Bedruckung eine entsprechende Vorbehandlung zur Verbesserung der Anhaftung von Farben und Lacken.
Trotz hoher Dauergebrauchstemperatur ist der relativ niedrige Schmelzpunkt des Materials zu berücksichtigen, was Probleme bei Siegelungen oder Wärmebehandlung jeglicher Art verursachen könnte. In diesem Fall bietet sich das Ausweichen auf biaxial orientiertes Polyethylenterephtalat (PET-BO) an. Die typischen Stärken von PP-BO Folien für Folienverpackungen liegen in einem Bereich von 12 bis 50 µm, während für Kaschierungen sehr oft Folien mit einer Stärke von 20 µm eingesetzt werden.
Biaxial orientiertes Polyethylenterephtalat
Ein echter Klassiker im Bereich Druck und Kaschierung ist biaxial orientiertes Polyethylenterephatalat (PET-BO), das im Tender Frame-Verfahren hergesetellt und zumeist in Stärken von 12 µm verwendet wird. Aufgrund der Schmelzviskositätseigenschaften und der Feuchtempfindlichkeit des PET können diese Folien nicht im Blasverfahren hergestellt werden.
PET-BO zeichnet sich durch ein ausgewogenes, für Lebensmittelverpackungen ideal geeignetes Eigenschaftsprofil aus. Dies ist dem PP-BO durchaus vergleichbar, wobei PET-BO über eine bessere Sauerstoffbarriere, geringere Wasserdampfbarriere sowie eine gute Aromadichtigkeit gegen viele Aromastoffe verfügt. Bedingt durch seine hohe Oberflächenspannung ist das Material sehr gut bedruckbar und hat darüber hinaus einen sehr hohen Schmelzbereich (>250 °C).
Vor allem die guten thermischen Eigenschaften begründen den Einsatz in vielen Gebieten, wo auch PP benutzt werden könnte. Zu den Anwendungsmöglichkeiten im Verpackungsbereich gehören unter anderem heißsiegelfähige Folie für Deckel; Barrierefolien für Schlauch- und Standbeutel sowie Mattfolienverpackungen.
Biaxial orientierte Polyamidfolie
Biaxial orientierte Polyamidfolie (PA-BO) kann sowohl im Double Bubble als auch im Tenter Frame-Verfahren hergestellt werden. Obwohl sie von allen in diesem Artikel vorgestellten Folienmaterialien das teuerste ist, so können sich Verarbeitungsschwierigkeiten ergeben, wenn das spätere Produkt über Eigenschaften wie hohe Durchstoßfestigkeit; gute Sauerstoffbarriere sowie hohe Zähigkeit verfügen soll. Werden jedoch einige Grundvoraussetzungen hinsichtlich der Anforderungen dieses Materials wie auch dessen Verarbeitung beachtet, so lassen sich auch PA-BO-Folien problemlos bedrucken und kaschieren:
1. Hohe Wasseraufnahme Aufgrund des feuchtigkeitsbindenden Verhaltens von Polyamid muß darauf geachtet werden, die Materialrollen unbedingt mit anderem Folienmaterial (z.B. PE) einzuschlagen. Andernfalls quillt PA-BO auf und verändert seine Dimensionen spürbar. In diesem Zusammenhang wurden in der Praxis schon Längenänderungen von bis zu 1% festgestellt.
2. Affinität zu Lösemitteln Auch Lösemittel wie Ethanol oder Ethylacetat werden von PA-BO aufgenommen, was besondere Anforderungen an die entsprechenden Trocknungsprozesse stellt.
3. Bildung von Oligomeren an der Oberfläche Bei einigen Typen vonPA-BO kommt es zur Bildung von Oligomeren an der Oberfläche, worunter die Haftung von Klebstoffen oder Druckfarben trotz hoher Oberflächenspannung leiden kann. Hier hilft oftmals eine moderate Korona-Vorbehandlung, die in diesem Fall jedoch hauptsächlich reinigend wirken soll.
Polyethylenfolien
Folien aus Polyethylen (PE) werden zumeist als Siegelschichten, gelegentlich jedoch auch als Druckträger-Verbundfolien (z.B. PE/PE) verwendet, die hauptsächlich für Hygiene- und Tiefkühlanwendungen zum Einsatz kommen. Aufgrund der Nicht-Orientieruung der PE-Folien ist die Verarbeitung im Tiefdruck oft schwierig und setzt sehr zugsteifge Materialien voraus, wie sie beispielsweise aus dem Bereich der Verpackungen für Papiertaschentücher bekannt sind. Zumeist werden PE-Folien jedoch im Flexoverfahren mit Zentralzylindermaschinen bedruckt, da dort die geringere Zugfestigkeit durch die Einzylinderanordnung keine Probleme verursacht.
Das hauptsächliche Einsatzgebiet von Polyethylenfolien ist jedoch die Siegelschicht. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn eine Siegelschicht mit einer Stärke von mehr als 1 µm benötigt wird, wie sie durch Lackierungen oder Coextrusion von PP-BO realisiert werden.
PE-Materialien werden nach Dichteklassen unterschieden, die sich allerdings oftmals überlappen:Bezeichnung Dichtebereich [g/cm³] [als Kasten oder Tabelle formatieren]
Plastomere <0,90
PE-VLD 0,900-0,910
PE-LD 0,915–0,935
PE-MD 0,935–0,945
PE-LLD 0,860–0,960
PE-HD 0,945–0,965
Zum Vergleich: PP ca. 0,90
Je niedriger die Dichte ist desto geringer ist die Kristallinität, was bei Kunststoffen die Anordnung von Molekülen bzw. Atomen oder Ionen in einer gleichmäßigen, sich wiederholenden Struktur bezeichnet. Dabei gilt: Je höher die Transparenz desto flexibler die Materialien. Darüber hinaus sinkt bei abnehmender Dichte auch der Erweichungspunkt, was sich insbesondere beim Siegeln positiv auswirken kann.
Polyethylenfolien werden heute grundsätzlich als Mischungen und meistens im Coextrusionsverfahren hergestellt, was in der Folge das Angebot an PE-Siegelschichten sehr breit und unübersichtlich macht. Der Anwender, Drucker oder Kaschierer kann eigentlich nur über die Spezifikation der gewünschten Funktion und Materialeigenschaften vergleichbare Qualitäten verschiedener Hersteller beziehen. Eine Spezifikation der Rezepturen führt in der Regel nicht zur Standardisierung, da die Verarbeitungsparameter dieses teilkristallienen Werkstoffs die späteren Eigenschaften wesentlich vorbestimmen.
Heute sind Metallocene-PE-Folientypen zu einem Industriestandard geworden. Eine besondere Gruppe sind hingegen die Plastomere, die wegen ihrer extrem niedrigen Dichte besonders niedrige Schmelzpunkte aufweisen. Hier haben einige Spezialtypen zudem sehr gute Hot-Tack Eigenschaften und siegeln hervorragend durch kontaminierte Siegelbereiche.
Den Verarbeiter bereiten diese Folien jedoch wegen deren Plastizität und damit einhergehenden niedrigen Reibwerte (Stumpfheit) einige Probleme. Daher werden oft große Mengen an Gleitmitteln zugegeben, was bei der späteren Auswahl von Durckfarben und Klebstoffen berücksichtigt werden muß. Sehr niedrige Oberflächenspannungen, wie sie für alle Polyolefine (PE und PP) charakteristisch sind, bedingen eine gute Vorbehandlung mittels Corona, Beflammung oder Ozon.
Zusammenfassend läßt sich sagen, das PE-Folien die klassischen Materialien für Siegelschichten darstellen, während sie als Druckträger eher selten eingesetzt werden. Doch auch hier gilt: Keine Regel ohne Ausnahme.
Polypropylen
Polypropylen (PP) unterscheidet sich zwar nur durch eine zusätzliche CH3-Gruppe in der Monomereinheit von PE, verfügt aber dennoch über grundlegend andere Eigenschaften. Nicht orientierten Siegelfolien kommen immer dann zum Einsatz, wenn Folien mit höherer Temperaturbeständigkeit benötigt werden. Ein Hauptanwendungsgebiet im Bereich der Lebensmittelverpackungen sind sterilisierfeste Folien, die Temperaturen von bis zu 140 °C aushalten. Hierfür ist jedoch PE nicht geignet, da dessen Schmelzpunkt darunter liegt.
Hinsichtlich der Dichtewerte sind die verschiedenen PP-Materialien nahezu identisch und es treten kaum Variationen auf. Es wird grundsätzlich zwischen vier verschiedenen Typen von PP unterschieden:
Typen von PPA-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A PP Homopolymer
A-A-B-A-A-A-B-A-A-B-A-A-A-A-B-A-A-A PP statistisches Copolymer A-A-B-B-B-B-A-A-A-B-B-B-A-A-A-A-A-A PP heterophasisches Copolymer A-A-B-B-B-A-A-B-A-A-B-B-B-A-A-B-A-A-A PP statistisch-heterophasisches Copolymer
A = Propylen-Monomer
B = Ethylen-Comonomer
1. PP Homopolymer Dieses »reine« PP zeichnet sich durch gute Transparenz und Steifigkeit aus. Ein Nachteil ist allerdings der recht hohe Gasübergangsbereich, wodurch das Material nicht für Tiefkühlanwendungen eingesetzt wird.
2. PP statistisches Copolymer Diese Copolymer aus PP und PE siegelt bei etwas niedrigeren Temperaturen und ist weicher als das PP Homopolymer. Darüber hinaus ist es nicht so steif und weniger kälteempfindlich. Den Namen erhielt es durch die statistisch regellose Verteilung der Ethylenanteile.
3. PP heterophasisches Block-Copolymer Hierbei handelt es sich um ein Copolymer mit einem Gummianteil, der sich in Blöcken und einer zweiten Phase ausbildet, wodurch sich eine Trübung aber auch sehr gute dynamische Festigkeiten ergeben können. Dieses heterophasisches Block-Copolymer wird auch als HeCo-PP bezeichnet.
PP statistisch-heterophasisches Copolymer
Dieses RaHeCo PP ist eine Kombination aus statistischem und heterophasischem Copolymer, das Eigenschaften beider PP-Typen in sich vereint. Es ist relativ transparent, weich und zäh, wodurch es als Siegelschicht auch für Tiefkühlanwendungen geeignet ist.
[das Thema wird im nächsten Beitrag, “Drucken und Kaschieren” Teil 4 von 8, fortgesetzt]
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2. Teil: Häufig verwendete Folien zum Drucken und Kaschieren
Eigenschaften und Einsatzgebiete verschiedener Folientypen
von Karsten Schröder, Ansgar Wessendorf
Im zweiten Teil dieser Artikelserie über die marktüblichen Arten und Typen synthetischer Folien zur Herstellung von Lebensmittelverpackungen stehen die Eigenschaften und Einsatzgebiete verschiedener Folientypen im Zentrum der Berichterstattung. Polyvinylchlorid (PVC)
PVC ist bei Werkstoffexperten sehr beliebt, das es nicht nur in den Ausführungen Hart-PVC (PVC-U) und Weich-PVC PVC-P verfügbar ist, sondern auch nicht so eng an den Rohölpreis gekoppelt ist, wie die meisten anderen Kunststoffe. Dies hat seinen Grund darin, daß Ethylenchlorid, der zweite Basisgrundstoff von PVC, ein Reaktionsprodukt von Ethylen mit Kochsalz (NaCl) ist. Dies ist daher in ausreichendem Maß vorhanden und im Vergleich zum Öl unterliegt es nur geringen Preisschwankungen (Abbildung 1).
Abbildung 1: Vinylchlorid reagiert zu Polyvinylchlorid
Im Bereich der Verpackungsfolien ist PVC in einigen europäischen Ländern wie Deutschland oder der Schweiz umstritten. Hauptursache dafür ist die Diskussion um Weichmacher, auf die hier allerdings nur kurz eingegangen werden kann. Weichmacher halten Kunststoffprodukte geschmeidig. Sie werden daher in vielen Bereichen des täglichen Lebens verwendet und entsprechend häufig kommen die Verbraucher mit diesen Substanzen in Kontakt. Zu den am häufigsten verwendeten Weichmachern gehört die zur Gruppe der Phthalate gehörende Substanz Diethylhexylphthalat (DEHP). Aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften kann sich DEHP beim Kontakt mit Flüssigkeiten oder Fetten aus Kunststoffen lösen bzw. ausgasen und damit direkt an den Verbraucher gelangen oder in die Innenraumluft übergehen. Es muß in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen werden, daß diese Substanz hinsichtlich ihrer Gesundheitsgefährlichkeit als »gut untersucht« gilt. Danach ist die akute Giftigkeit von DEHP gering und die Substanz ist als nicht erbgutschädigend eingestuft.
Weltweit steigen die Produktionsmengen von PVC, wobei für den Bereich der Lebensmittelverpackungen vor allem das Hart-PVC interessant ist. Ein Grund dafür ist der Boom der sogenannten Tiefzieh- oder Thermoformverpackungen, wie sie für Modified Atmosphere Packaging (MAP) frischer Produkte wie Wurst und Käse im großen Stil zum Einsatz kommen.
Aufgrund der oben angedeuteten Diskussion um die Weichmacher ist der Einsatz von Weich-PVC (PVC-P) in Zentraleuropa rückläufig. Im Pharmasegment gibt es noch einige Bereiche, in denen Weich-PVC nach wie vor eingesetzt wird (z.B. Beutel für Blutkonserven). Doch auch hier wird verstärkt nach Alternativen gesucht.
Das hochtransparente, steife/spröde Hart-PVC (PVC-U) eignet sich besonders für die bereits erwähnten Thermoformanwendungen. Gute Verformbarkeit bei hoher Steifigkeit und guter Transparenz sowie Siegel-/Kaschierfähigkeit sind Materialeigenschaften die dafür sorgen, daß PVC noch lange für derartige Anwendungen eingesetzt wird.
Polystyrol (PS)
Hinsichtlich seiner Bedeutung für Lebensmittel-Primärverpackung scheint das Polystyrol etwas an Boden zu verlieren. Dies hat damit zu tun, daß es zum einen auch die Verträglichkeit von Styrol nicht unangefochten ist und zum anderen damit, daß die Eigenschaftsprofile alternativer Werkstoffe wie PVC, PET und PP im Hinblick auf Lebensmittelverpackungen überlegen sind. Darüber hinaus spielen Preis und Verarbeitbarkeit ebenso eine Rolle wie Barriereeigenschaften, die bei Polystyrol nicht überragend sind.
Das Material wird durch Polymerisation des monomeren Styrols gewonnen, wovon später im Lebensmittel möglichst nichts mehr zu finden sein soll (Abbildung 2).
Abbildung 2: Strukturformel des (Poly)Styrol
Zu den bekanntesten Anwendungen von Polystyrol im Lebensmittelbereich zählen der Joghurtbecher sowie thermogeformte Verpackungen für Frischprodukte (Abbildung 3 und 4).
Abbildung 3: Joghurtbecher ohne Deckel
Abbildung 4: Produktbeispiele für thermogeformte PS-Verpackungen
Polystyrol wird häufig kaschiert und/oder bedruckt. In diesem Zusammenhang ist die Eigenschaft des Materials, Lösemittel aus der Druckfarbe oder dem Klebstoff aufzunehmen, ein weiterer negativer Aspekt hinsichtlich seiner Eignung für Lebensmittelverpackungen, da bei unsachgemäßer Verarbeitung hohe Restlösemittelgehalte zurück bleiben können. Grundsätzlich ist das Material aber für Verpackungsanwendungen zugelassen und findet auch seit vielen Jahren erfolgreich Verwendung.
Einen Boom erfährt es im Bereich der s.g. Sleeve-Etiketten – dazu in folgenden Artikeln mehr.
Polyethylenterephthalat (PET)
PET ist ein harter Werkstoff, der im Lebensmittelbereich vor allen für Thermoformanwendungen eingesetzt wird (Abbildung 5).
Abbildung 5: Struktur des Polyethylenterephthalat
Dabei handelt es sich um einen durch Polykondensation hergestellten thermoplastischen Kunststoff aus der Familie der Polyester. PET hat vielfältige Einsatzbereiche und wird unter anderem zur Herstellung von Kunststofflaschen und Folien verwendet.
Abhängig vom Grad der Kristallinität, d.h. der regelmäßigen Anordnung seiner Polymerketten, bietet PET vielfältigste Eigenschaften:
PET-C: kristalline PET
PET-A: amorphes PET mit nichtstrukturierter Anordnung der Polymerketten
PET-G: mit Glykol modifiziertes PET, dessen Kristallisation verhindert wurde
Alle drei Varianten kommen entweder einzeln, in Mischungen oder in co-extrudierten Schichten zum Einsatz.
PET-A ist glasklar, thermisch formbar und bedingt siegelfähig. Je mehr es kristallisiert, desto trüber aber auch thermisch stabiler wird es. Somit ist das kristalline PET-C das derzeit einzige Kunststoffmaterial, das für Anwendung zum Aufbacken von Fertigmenüs zum Einsatz kommt. Oft werden dafür coesxtrudierte Materialien aus PET-C mit dünnen PET-A Schichten verwendet, um die Versiegelung einer solchen Menüschale zu ermöglichen.
Polyethylenterephthalatwird im Gegensatz zu den beiden anderen Hartfolien auch als Dünnfolie (bis zu 8 µm; Standarddicke: 12 µm) produziert. Um konstante Außenschichten zu erhalten und dennoch zurückgewonnene Produktionsreste in der Mittelschicht verwenden zu können, sind diese Folien zumeist dreischichtig ausgeführt. Sie lassen sich sehr gut bedrucken und kaschieren und das nachgeschaltete Reckverfahren nach der Gießfolienherstellung führt zu extrem geringen Dickentoleranzen. Diese Folien haben in der Regel Schmelzpunkte von über 250°C, so daß sie auch als Oberfolie in Verbundmaterialien geeignet sind, um damit den Einsatz auch sehr heißer Siegelwerkzeuge zu ermöglichen. Beispiele hierfür sind Deckelfolien für MAP-Thermoformverpackungen.
[wird fortgesetzt]
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1. Teil: ORDNUNG IM BEZEICHNUNGSDURCHEINANDER von KARSTEN SCHRÖDERIm vorliegenden, mehrteilig ausgelegten Beitrag wird ein Überblick über die marktüblichen Arten und Typen synthetischer Folien gegeben, die für die Kaschierung und das Drucken verwendet werden. Um den Rahmen der Darstellung nicht zu groß und damit unübersichtlich werden zu lassen, beschränkt sich die Betrachtung dieser Artikelserie auf Folien zur Herstellung von Lebensmittelverpackungen.
Der Markt für Verbundfolien in Deutschland
Viele verlässliche Indikatoren deuten darauf hin, daß der Markt für Verpackungsfolien auch in den kommenden Jahren weiter wachsen wird. Insbesondere Verbundfolien mit und ohne Barrierefunktion erfreuten sich bereits in den Jahren 2001-2004 eines besonderen Wachstums. Den größten Anteil daran hatten Verbundfolien, die als Thermoformfolien (= Tiefziehfolien) zum Einsatz kommen. Eine weitere starke Gruppe bilden die Barrierefolien, die sowohl mit als auch ohne Aluminiumschicht zur Verfügung stehen. Diese verschiedenen Verbundfolien können mit unterschiedlichen Arten und Typen von Folien verschiedenster Hersteller kaschiert und bedruckt werden (Tabelle 1).
Tabelle 1: Entwicklung des Verbrauchs flexibler Kunststoff-Verbundgruppen in Deutschland für die Jahre 2004/2004 (in to).(Quelle: Innoform; GVM Gesellschaft für Verpackungsmarktforschung)
Folienarten und Wachstumspotentiale
Folienarten bezeichnen im Kontext der Kaschierfolien die Klasse der für ihre Herstellung eingesetzten Rohstoffe. Dabei wird beispielsweise zwischen PET (Polyethylenterephtalat), PP (Polypropylen) oder PE (Polyethylen) unterschieden. Kaschierfolien sind Materialien, die im weiteren Verlauf ihrer Verarbeitung mit anderen Folien kaschiert werden sollen und sowohl bedruckt wie auch unbedruckt erhältlich sind und in verschiedenen Typen und Mischungen hergestellt werden. Angesichts der vielen, am Markt verfügbaren Produktvarianten wie auch der Forderung nach stabiler Verarbeitung in den verschiedensten Kaschier- und Druckprozessen müssen diese Folienmaterialien extrem robust sein.
Wie wird sich der Kunststoffverbrauch zur Herstellung von Kaschier- bzw. Druckträgerfolien für flexible Verpackungen in den kommenden Jahren entwickeln? Das Britische Marktforschungsunternehmen PCI Films Consulting führte eine diesbezügliche Studie für den Zeitraum 2006-2010 durch, deren Ergebnisse in Tabelle 2 aufgeführt sind.
Tabelle 2: Geschätzter Kunststoffverbrauch für flexible Verpackungen in Europa (2006-2011) (Quelle: PCI Films Consulting)Auf der Grundlage dieser Werte ist klar erkennbar, daß Polyolefine (PE und PP) einen besonders hohen Anteil einnehmen. Unterschieden wird hier zudem zwischen PP-C (= PP cast film = Gießfolie unverstreckt) und PP-BO (= PP biaxial orientiert). Bezüglich des Mengenwachtums sind insbesondere die PP-BO-Folien von besonderem Interesse.
Von entscheidender Bedeutung für die künftige Produktentwicklung sind jedoch zweifellos die Zuwachsraten der jeweiligen Materialien zur Herstellung flexibler Verpackungen (Tabelle 3).
Tabelle 3: Geschätzter Zuwachs des Kunststoffverbrauchs für flexible Verpackungen in Europa (2006 bis 2011). (Quelle: PCI Films Consulting)
Die stärksten Zuwächse liegen im Bereich »other films«. Dabei handelt es sich um Folienverbunde aus verschiedenen Werkstoffen oder nicht eigens genannte Folientypen. Speziell dieser nicht näher spezifizierten Produktgruppe wird der größte Zuwachs vorhergesagt, während die Gruppe der PET-BO-Materialienebenfalls stark wachsen wird. Diese Zuwächse gehören mit zu den Gründen, warum immer mehr Unternehmen die Herausforderung der Folienkaschierung annehmen möchten.
Die Nomenklatur von Folien
Bei der Erstellung der weltweit gültigen Norm DIN EN ISO 1043-1 wurde auch das Ziel verfolgt, Benennungsregeln aus anderen Kunststoff- und Chemiefachgebieten auf die Folienindustrie zu übertragen. Diese schon 2001 erschienene Norm ist jedoch noch weitgehend unbekannt und wird daher kaum angewandt, obwohl sie über das unbestreitbare Potential verfügt, Ordnung ins Bezeichnungsdurcheinander zu bringen.
Auf der Grundlage dieser Norm wird wieder auf die traditionelle Vorgehensweise zurückgegriffen, materialspezifischen Buchstaben groß zu schreiben. Beispiele hierfür sind:
• PVC = Polyvinylchlorid
• PE = Polyethylen
• PP = Polypropylen
• PS = Polystyrol
• PLA = Polymilchsäure
Sind die Eigenschaften von Werkstoffe auf bestimmte Verarbeitungsschritte zurückzuführen, so werden diese in Großbuchstaben mit Bindestrich getrennt, der Werkstoffbezeichnung nachgestellt. Als Beispiel sei hier die biaxiale Orientierung genannt, ein aufwendiger Prozeß, der die Eigenschaften des jeweiligen Materials spürbar verändert:
• PP-BO = biaxial orientiertes Polypropylen
• PET-BO = biaxial orientiertes Polyethylenterephtalat
• PP-BO = biaxial orientiertes Polypropylen
• PA-BO = biaxial orientiertes Polyamid
Gäbe es eine monoaxial verstreckte Folie aus Polyethylenterephtalat, so müßte diese entsprechend als PET-MO bezeichnet werden.
Weitere werkstoffliche Eigenschaften, die im Materialnamen genannt werden, sind beispielsweise PE-LLD (= Polyethylen linear low density/linear niedrigdichtes Polyethylen). Würde eine solche Folie biaxial verstreckt, so müßte sie entsprechend der oben genannten Norm PE-LLD-BO genannt werden.
Für die nachfolgend genannten Folientypen hat sich allerdings noch keine einheitliche Sprach- und Schreibweise durchgesetzt:
• PET-BO met. = biaxial orientiertes und metallisiertes Polyethylenterephtalat
• PET-BO AlOx= biaxial orientiertes, mit transparentem Aluminiumoxid beschichtetes Polyethylenterephtalat
• PET-BO SiOx= biaxial orientiertes, mit transparentem Siliziumoxid beschichtetes Polyethylenterephtalat
• PET-BO x oder x PET-BO = biaxial orientiertes, mit PVDC beschichtetes Polyethylenterephtalat
Entsprechendes gilt für andere Substrate/Polymere wie beispielsweise:
• PP-BO geschäumt (expandiert)
• PP-BO Acryl-lackiert
• PP-BO PVOH-lackiert
Angefügte Zahlen benennen die Anzahl der Kohlenstoffatome in einer Monomereinheit eines jeden Monomers bzw. Co-Monomers. Vor diesem Hintergrund bezeichnet beispielsweise PA 6 eine Monomereinheit mit sechs Kohlenstoffatomen (NH-(CH2)5-CO), während PA 66 zwei Monomereinheiten mit unterschiedlicher Struktur aber beide mit sechs C-Atomen bezeichnet (NH-(CH2)6-NH-CO-(CH2)4-CO). Das letztere Material wird aus HMD (Hexamethylendiamin) und Adipinsäure hergestellt und entsteht durch eine Polykondensation unter Wasserabspaltung.
Verschiedene Folienklassen
• Monofolien
Aus einer Materialschicht hergestellte Folien werden üblicherweise als Monofolien bezeichnet. Dieser Begriff hat sich mittlerweile gegen die gelegentlich ebenfalls verwendete Bezeichnung Solofolie allgemein durchgesetzt.
• Verbundfolien
– Coextrudierte Verbundfolien
Dabei handelt es sich um Folientypen, die in einem Verfahrensschritt durch die sinnvolle Kombination verschiedener Materialschichten hergestellt werden und über, durch die jeweiligen Materialarten vorbestimmte Eigenschaften verfügen. Als Klassiker in diesem Bereich gilt die Coex-Verbundfolie aus weiß und schwarz eingefärbten PE-LD und PE-LLD für die Herstellung von Produkten wie beispielsweise Torfverpackungen.
– Kaschierte Verbundfolien
Dabei handelt es sich um Folientypen, die entweder inline oder durch einen separaten Arbeitsschritt durch Klebstoffauftrag miteinander verbunden werden. Derart hergestellte Folienverbunde oder Verbundfolien haben deutlich andere Eigenschaften als Coex-Folien. Deshalb schlägt der Autor eine entsprechende sprachliche Unterscheidung vor: kaschierte Verbundfolien oder LF (=lösemittelfrei) kaschierte oder extrusionskaschierte Verbundfolien. Nicht verwendet werden sollte der Ausdruck »Folienverbünde«, da es sich in diesem Zusammenhang nicht um »Verbündete« sondern um miteinander verbundene Materialien handelt.(wird fortgesetzt)Dienstleistungen rundum die Folie
Innnoform besteht aus den Schwesterunternehmen Innoform GmbH (Testservice und Consulting) in Oldenburg/D und Innoform Coaching GbR in Hasbergen bei Osnabrück/D.
Die Innoform Consulting beschäftigt sich mit Fragen der Folientechnologie mit Schwerpunkt Lebensmittelverpackungen. Dabei wird versucht dem Kunden fundierte Antworten im Hinblick auf lebensmittelrechtliche Belange, technologische Produktionsprobleme oder Folienentwicklungen zu geben. In diesem Zusammenhang ist das Erstellen von Gutachten und lebensmittelrechtlichen Konformitätserklärungen gepaart mit Spezifikationen ein wesentliches Instrument.
Das Leistungsspektrum von Innoform Testservice umfaßt das Aufzeigen von Verpackungslösungen, Folienanalytik, Schadensanalyse sowie qualitätssichernde Maßnahmen (z. B. überprüfung). Seit Mai 2007 ist der Testservice nach DIN EN ISO/ IEC 17025 akkreditiert.
Innoform Coaching organisiert öffentliche Workshops, Tagungen und das jährlicheInno-Meeting.
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Kaschiermaschinen und Auftragstechnik
von Dipl.-Ing. Manfred Römer
Schema der LF Kaschierung:
Definition der unterschiedlichen Kaschiertechniken:
Nasskaschierung und Trockenkaschierung.
Definition:
Wenn das Kaschieren unmittelbar nach dem Klebstoffauftrag , also ohne
Zwischentrocknung erfolgt, spricht man vom Nasskaschieren.
Bei den eingesetzten Klebstoffen handelt es sich um physikalisch
trocknende aber auch vernetzende Systeme.
Die Bindekraft beruht auf physikalische Prozesse, d.h. auf der
Trocknung des Klebstoffes nach Verdunsten des Lösungsmittels /Vehikels
(Wasser).
Die Anwendung von Dispersionen dominiert bei der Kaschierung
von Folien mit saugfähigen Stoffen, wie Papier, Pappe, Filz oder
Textile-Substrate.
Ist der zu verarbeitende Klebstoff in einem organischen Lösungsmittel gelöst, muss dieses Lösungsmittel vor dem Kaschierprozeß in einem Trockenkanal entfernt werden. Bei der Zusammenführung der Bahnen im Kaschierwerk liegt also ein „trockener“ Klebstofffilm vor und man nennt diesen Kaschiervorgang Trockenkaschierung.
Im Falle der lösungsmittelfreien Kaschierung (LF), wird natürlich kein Lösungsmittel verdampft und die Termini Nass – oder Trockenkaschierung treffen hier nicht zu. Bei der LF-Kaschierung ist folglich das „Nassauftragsgewicht“ auch das „Trockenauftragsgewicht“.
Es wird dem Leser klar, dass bei der LF Kaschierung ganz besonders auf gleichmäßigen Klebstoffauftrag geachtet werden muss, um z.B. optische Uniformität des Klebstofffilms sicherzustellen.
Da die Maschinentechnik für LH-Klebstoffe heute als perfekt bezeichnet werden kann und dem Verarbeiter durch die Tatsache, dass er mit dem Lösungsmittel nicht nur eine gute Benetzungshilfe zum Substrat, sondern auch ein „Werkzeug“ zur Kontrolle eines sehr homogenen Auftragsbildes besitzt, werden wir uns im Folgenden mit der LF-Klebstoffverarbeitung beschäftigen.
Mitte der 70iger Jahre gab es noch eine Fülle von Problemen bei der Verarbeitung von LF-Klebstoffen, die heute, sowohl von den Klebstoffherstellern als den Maschinenherstellern gelöst wurden.
Trotzdem stellt die perfekte LF-Kaschierung (Optik) bei der Fülle von möglichen Folienkombinationen und Druckbildern bzw. Druckfarben die Maschinenführer vor wechselnden Problemen.
Am Markt findet man überwiegend zwei Typen von LF-Kaschiermaschinen, die Drei- oder Vierwalzenmaschinen. Beide Maschinentypen besitzen noch eine Presseurwalze die den einzustreichenden Film auf die Klebstoffauftragswalze drückt.
• In der Praxis haben sich beide Maschinentypen bewährt.
• Die Tendenz nach unserer Beobachtung geht jedoch in Richtung der Vierwalzenmaschinen.
• Moderne LF-Kaschierkleber laufen auf beiden Maschinentypen problemlos.
• Ältere LF-Klebstoffentwicklungen zeigen für Vierwalzenmaschinen häufig ein zu geringes dyn. Panlife. Das ist die Zeit, die dem Maschinenführer zur Verfügung steht Einstellungen vorzunehmen, bevor er das Auftragswerk Grundreinigen muss.
Der Kaschierer hat bei der Verarbeitung von LF-Klebstoffen nur eine „Stellschraube“, die das Kaschierergebnis, was die Optik angeht, wesentlich beeinflusst, nämlich die Klebstoffauftragstemperatur! Andere wichtige Optimierungsmöglichkeiten oder Unabdingbarkeiten, wie die Koronavorbehandlung, werden im Laufe der Serie separat behandelt.
Man unterscheidet drei Varianten LF-Kaschierklebstoffe:
1.) „kaltverarbeitbar“
2.) „warmverarbeitbar
3.) „heißverarbeitbar“
Für die jeweilige „Klasse“ gibt es bestimmte „Daumenregelungen“, was die Temperatureinstellungen betrifft.
Kaltverarbeitbar:
Dosierung : <40°C
Auftrag : < 50°C
Kaschierwerk 50°C – 60°C
65°C – 75°C (mit Aluminium)
Bei langem Bahnweg der eingestrichenen Folie erhöht man die Kaschierwalzentemperatur um ca. 10°C.
Warmverarbeitbar:
Dosierung : < 40°C
Auftrag : 55°C – 60°C
Kaschierwerk: 50°C /60°C 65°C /75°C (mit Aluminium)
Bei langem Bahnweg der eingestrichenen Folie erhöht man die Kaschierwalzentemperatur um ca. 10°C.
Heißverarbeitbar:
Dosierung : >50°C – 60°C
Auftrag : 65°C > 80°C
Kaschierwerk 50°C /60°C
65°C /75°C (mit Aluminium)
Bei langem Bahnweg der eingestrichenen Folie erhöht man die Kaschierwalzentemperatur um ca. 10°C
? Handhabung durch kurzes „Panlife“ problematisch.
? Kleber reagiert auf der Auftragswalze.
Reinigung schwieriger! Klebstoffverluste durch Stopps!
Typische Maschinenkonfigurationen (Klebstoffauftragswerke)
Wie vorher gesagt kommt der Temperaturführung des Auftragswerkes eine besondere Bedeutung zu.
Durch falsche Temperaturführung der Dosier- oder Auftragswalze kommt es nicht nur zu schlechter Kaschieroptik, sondern auch zum „nebeln“ oder „spinnen“. Nebeln bedeutet, dass der Klebstoff in Form feiner Tropfen im Umfeld des Auftragswerkes zu einer Verunreinigung der Kaschiermaschine kommt und erheblichen Reinigungsaufwand erforderlich macht.
Spinnen bedeutet, dass es zwischen der Transferwalze/Auftragswalze und Auftragswalze/Substrat (einzustreichende Bahn)auf Grund gegebener Klebstoffzähigkeit zur Fädchenbildung kommt. Daraus resultiert u.s. schlechte Kaschieroptik.
Wird fortgesetzt.
von
Dipl. Ing. Manfred-Werner Römer
Römer Consult
Distelweg 26
28816 Stuhr-Seckenhausen
[Artikel Serie 1-8 “Drucken und Kaschieren” wird fortgesetzt]
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Abbildung 1 schematische Darstellung der Permeation von innen nach außen und von außen nach innen
2. Einflussfaktoren:
Die Verbesserung der Barriere ist möglich, indem man einen oder alle drei Schritte so verändert, dass der Permeand langsamer oder gar nicht mehr hindurch permeieren kann. Man kann also entweder die Adsorption reduzieren oder unterdrücken. Diese geschieht z.B. durch Metallisierungen, Lackierungen oder andere Oberflächenbehandlungen wie chemisch reaktive Prozesse. Alternativ dazu kann die Diffusion durch die Veränderung des Materials beeinflusst werden, um eine günstigere Diffusionskonstante zu erhalten muss in jedem Fall der Werkstoff gewechselt oder verändert werden. Auch das Verhältnis beispielsweise beim EVOH Copolymer zwischen Ethylen und Vinylalkohol verändert die Barriereeigenschaften aufgrund der veränderten Diffusion deutlich. Faustregel ist: Je mehr Vinylalkohol (VOH) desto besser die Barriere gegen Sauerstoff. Je mehr Ethylen €, desto besser ist die Feuchtigkeitsunempfindlichkeit der Folie hinsichtlich Sauerstoffpermeation. Dazu werden wir im abschnitt Barrierematerialien aber detaillierter zurück kommen.
3. Durchbruchzeit
Als Durchbruchzeit kann man die Zeit beschreiben, die es dauert, bis genauso viele Sauerstoffatome außen in die Folie eindringen, wie innen austreten. Man beschreibt hiermit also die Zeit, die es dauert, bis ein Gleichgewichtszustand erreicht ist, der primär vom Konzentrationsgefälle des Permeanden innen zu außen und dem Klima abhängt.
Die Steigung der Summenkurve gibt dabei die Permeationsrate an. Legt man an den linearen Verlauf eine Tangente an, so gibt der Schnittpunkt mit der X-Achse die Durchbruchzeit an, die zwischen Sekunden und einigen Tagen liegen kann und somit nur für kurz haltbare Lebensmittel bei der Barriereauslegung bedeutsam ist.
Abbildung 2 Durchbruchzeit und Permeationsrate schematisch dargestellt
Abbildung 3 Folie aus dem Seminar Grundkurs Kaschiertechnologie: Einfluss von Temperatur und Feuchtigkeit auf Sauerstoffbarriere vom EVOH
An dieser stelle werden wir nicht näher auf die enormen Einflussfaktoren auf die Barrierewirkung eingehen. Weitere Informationen finden Sie u.a. unter http://www.eval.be/web/index.asp?lang=de&ut=L .
Für den Weiterverarbeiter, wie Drucker und Kaschierer, ist auf jeden Fall darauf zu achten, das wenig Feuchtigkeit in der Anwendung an die EVOH Schicht gelangt. Das ist auch ein Grund, warum EVOH immer im Verbund (z.B. mit PE, PP oder PA) verarbeitet wird.
Abbildung 4 Sauerstoffdurchlässigkeit handelsüblicher kaschier-/Druckfolien
Betrachtet man hier die Sauerstoffdurchlässigkeit im Vergleich, so wird deutlich, dass mit zunehmender Polarität des Werkstoffes die Permeation abnimmt. Am schlechtesten schneidet das PP-BO ab, das kaum eine Sperrwirkung gegen O2 zeigt. Das PET und das PA hingegen schon als zumindest O2 Bremsen bezeichnet werden können. In den Bereich echter Barriere dringt aber nur das PET-BO mit SiOx Beschichtung vor.
Betrachtet man nun die Wasserdampfdurchlässigkeit in der folgenden grafik, wird schnell klar, dass bei den organischen, Kunststoffschichten sich das Bild umkehrt. Bei der anorganischen SiOx Schicht hingegen, bleibt das Niveau niedrig.
Abbildung 5 Wasserdampfdurchlässigkeit handelsüblicher kaschier-/Druckfolien
Die genannte SiOx und AlOx Schichten sind genau wie Aluminium-Metallisierungen deshalb in ihrer dünnen Ausprägung spröder als organische/Kunststoffschichten. Das bedeutet für den Drucker und Kaschierer, aber auch für das Logistikteam besondere Sorgfalt.
So sind beispielsweise die transparenten Barrieren nach der Herstellung „vorgespannt“ auf der Folienoberfläche. Dehnt man nun die Folie extrem, so können die dünnen Schichten brechen und teilweise Ihre Barrierewirkung verlieren.
Abbildung 6 Schematische Darstellung der Eigenspannung von anorganischen Beschichtungen
Natürlich kann auch eine schwer drehende Welle oder ein kratzendes Entionisierungs-Selbstkonstruktion zu kleinsten Kratzern und somit Fehlstellen führen. Diese fehlstelölen sieht man erstens nicht und zweitens sind sie nur durch aufwendige Permeationsmessungen statistisch zu erfassen.
Die Lösung ist wie so oft Wissen und Sorgfalt beim Umgang.
[Artikel Serie 1-8 “Drucken und Kaschieren” wird fortgesetzt]
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Abbildung 2: Strukturformel des (Poly)Styrol
Abbildung 3: Joghurtbecher ohne Deckel
Abbildung 5: Struktur des Polyethylenterephthalat 
Im vorliegenden, mehrteilig ausgelegten Beitrag wird ein Überblick über die marktüblichen Arten und Typen synthetischer Folien gegeben, die für die Kaschierung und das Drucken verwendet werden. Um den Rahmen der Darstellung nicht zu groß und damit unübersichtlich werden zu lassen, beschränkt sich die Betrachtung dieser Artikelserie auf Folien zur Herstellung von Lebensmittelverpackungen.
Der Markt für Verbundfolien in Deutschland
Viele verlässliche Indikatoren deuten darauf hin, daß der Markt für Verpackungsfolien auch in den kommenden Jahren weiter wachsen wird. Insbesondere Verbundfolien mit und ohne Barrierefunktion erfreuten sich bereits in den Jahren 2001-2004 eines besonderen Wachstums. Den größten Anteil daran hatten Verbundfolien, die als Thermoformfolien (= Tiefziehfolien) zum Einsatz kommen. Eine weitere starke Gruppe bilden die Barrierefolien, die sowohl mit als auch ohne Aluminiumschicht zur Verfügung stehen. Diese verschiedenen Verbundfolien können mit unterschiedlichen Arten und Typen von Folien verschiedenster Hersteller kaschiert und bedruckt werden (Tabelle 1).
Tabelle 1: Entwicklung des Verbrauchs flexibler Kunststoff-Verbundgruppen in Deutschland für die Jahre 2004/2004 (in to).(Quelle: Innoform; GVM Gesellschaft für Verpackungsmarktforschung)
Folienarten und Wachstumspotentiale
Folienarten bezeichnen im Kontext der Kaschierfolien die Klasse der für ihre Herstellung eingesetzten Rohstoffe. Dabei wird beispielsweise zwischen PET (Polyethylenterephtalat), PP (Polypropylen) oder PE (Polyethylen) unterschieden. Kaschierfolien sind Materialien, die im weiteren Verlauf ihrer Verarbeitung mit anderen Folien kaschiert werden sollen und sowohl bedruckt wie auch unbedruckt erhältlich sind und in verschiedenen Typen und Mischungen hergestellt werden. Angesichts der vielen, am Markt verfügbaren Produktvarianten wie auch der Forderung nach stabiler Verarbeitung in den verschiedensten Kaschier- und Druckprozessen müssen diese Folienmaterialien extrem robust sein.
Wie wird sich der Kunststoffverbrauch zur Herstellung von Kaschier- bzw. Druckträgerfolien für flexible Verpackungen in den kommenden Jahren entwickeln? Das Britische Marktforschungsunternehmen PCI Films Consulting führte eine diesbezügliche Studie für den Zeitraum 2006-2010 durch, deren Ergebnisse in Tabelle 2 aufgeführt sind.
Tabelle 2: Geschätzter Kunststoffverbrauch für flexible Verpackungen in Europa (2006-2011) (Quelle: PCI Films Consulting)
Auf der Grundlage dieser Werte ist klar erkennbar, daß Polyolef ine (PE und PP) einen besonders hohen Anteil einnehmen. Unterschieden wird hier zudem zwischen PP-C (= PP cast film = Gießfolie unverstreckt) und PP-BO (= PP biaxial orientiert). Bezüglich des Mengenwachtums sind insbesondere die PP-BO-Folien von besonderem Interesse.
Von entscheidender Bedeutung für die künftige Produktentwicklung sind jedoch zweifellos die Zuwachsraten der jeweiligen Materialien zur Herstellung flexibler Verpackungen (Tabelle 3).
Tabelle 3: Geschätzter Zuwac hs des Kunststoffverbrauchs für flexible Verpackungen in Europa (2006 b is 2011). (Quelle: PCI Films Consulting)
Die stärksten Zuwächse liegen im Bereich »other f ilms«. Dabei handelt es sich um Folienverbunde aus verschiedenen Werkstoffen oder nicht eigens genannte Folientypen. Speziell dieser nicht näher spezifizierten Produktgruppe wird der größte Zuwachs vorhergesagt, während die Gruppe der PET-BO-Materialienebenfalls stark wachsen wird. Diese Zuwächse gehören mit zu den Gründen, warum immer mehr Unternehmen die Herausforderung der Folienkaschierung annehmen möchten.
Die Nomen klatur von Folien
Bei der Erstellung der weltweit gültigen Norm DIN EN ISO 1043-1 wurde auch das Ziel verfolgt, Benennungsregeln aus anderen Kunststoff- und Chemiefachgebieten auf die Folienindustrie zu übertragen. Diese schon 2001 erschienene Norm ist jedoch noch weitgehend unbekannt und wird daher kaum angewandt, obwohl sie über das unbestreitbare Potential verfügt, Ordnung ins Bezeichnungsdurcheinander zu bringen.
Auf der Grundlage dieser Norm wird wieder auf die traditionelle Vorgehensweise zurückgegriffen, materialspezifischen Buchstaben groß zu schreiben. Beispiele hierfür sind:
• PVC = Polyvinylchlorid
• PE = Polyethylen
• PP = Polypropylen
• PS = Polystyrol
• PLA = Polymilchsäure
Sind die Eigenschaften von Werkstoffe auf bestimmte Verarbeitungsschritte zurückzuführen, so werden diese in Großbuchstaben mit Bindestrich getrennt, der Werkstoffbezeichnung nachgestellt. Als Beispiel sei hier die biaxiale Orientierung genannt, ein aufwendiger Prozeß, der die Eigenschaften des jeweiligen Materials spürbar verändert:
• PP-BO = biaxial orientiertes Polypropylen
• PET-BO = biaxial orientiertes Polyethylenterephtalat
• PP-BO = biaxial orientiertes Polypropylen
• PA-BO = biaxial orientiertes Polyamid
Gäbe es eine monoaxial verstreckte Folie aus Polyethylenterephtalat, so müßte diese entsprechend als PET-MO bezeichnet werden.
Weitere werkstoffliche Eigenschaften, die im Materialnamen genannt werden, sind beispielsweise PE-LLD (= Polyethylen linear low density/linear niedrigdichtes Polyethylen). Würde eine solche Folie biaxial verstreckt, so müßte sie entsprechend der oben genannten Norm PE-LLD-BO genannt werden.
Für die nachfolgend genannten Folientypen hat sich allerdings noch keine einheitliche Sprach- und Schreibweise durchgesetzt:
• PET-BO met. = biaxial orientiertes und metallisiertes Polyethylenterephtalat
• PET-BO AlOx= biaxial orientiertes, mit transparentem Aluminiumoxid beschichtetes Polyethylenterephtalat
• PET-BO SiOx= biaxial orientiertes, mit transparentem Siliziumoxid beschichtetes Polyethylenterephtalat
• PET-BO x oder x PET-BO = biaxial orientiertes, mit PVDC beschichtetes Polyethylenterephtalat
Entsprechendes gilt für andere Substrate/Polymere wie beispielsweise:
• PP-BO geschäumt (expandiert)
• PP-BO Acryl-lackiert
• PP-BO PVOH-lackiert
Angefügte Zahlen benennen die Anzahl der Kohlenstoffatome in einer Monomereinheit eines jeden Monomers bzw. Co-Monomers. Vor diesem Hintergrund bezeichnet beispielsweise PA 6 eine Monomereinheit mit sechs Kohlenstoffatomen (NH-(CH2)5-CO), während PA 66 zwei Monomereinheiten mit unterschiedlicher Struktur aber beide mit sechs C-Atomen bezeichnet (NH-(CH2)6-NH-CO-(CH2)4-CO). Das letztere Material wird aus HMD (Hexamethylendiamin) und Adipinsäure hergestellt und entsteht durch eine Polykondensation unter Wasserabspaltung.
Verschiedene Folienklassen
• Monofolien
Aus einer Materialschicht hergestellte Folien werden üblicherweise als Monofolien bezeichnet. Dieser Begriff hat sich mittlerweile gegen die gelegentlich ebenfalls verwendete Bezeichnung Solofolie allgemein durchgesetzt.
• Verbundfolien
– Coextrudierte Verbundfolien
Dabei handelt es sich um Folientypen, die in einem Verfahrensschritt durch die sinnvolle Kombination verschiedener Materialschichten hergestellt werden und über, durch die jeweiligen Materialarten vorbestimmte Eigenschaften verfügen. Als Klassiker in diesem Bereich gilt die Coex-Verbundfolie aus weiß und schwarz eingefärbten PE-LD und PE-LLD für die Herstellung von Produkten wie beispielsweise Torfverpackungen.
– Kaschierte Verbundfolien
Dabei handelt es sich um Folientypen, die entweder inline oder durch einen separaten Arbeitsschritt durch Klebstoffauftrag miteinander verbunden werden. Derart hergestellte Folienverbunde oder Verbundfolien haben deutlich andere Eigenschaften als Coex-Folien. Deshalb schlägt der Autor eine entsprechende sprachliche Unterscheidung vor: kaschierte Verbundfolien oder LF (=lösemittelfrei) kaschierte oder extrusionskaschierte Verbundfolien. Nicht verwendet werden sollte der Ausdruck »Folienverbünde«, da es sich in diesem Zusammenhang nicht um »Verbündete« sondern um miteinander verbundene Materialien handelt.(wird fortgesetzt)
Dienstleistungen rundum die Folie
Innnoform besteht aus den Schwesterunternehmen Innoform GmbH (Testservice und Consulting) in Oldenburg/D und Innoform Coaching GbR in Hasbergen bei Osnabrück/D.
Die Innoform Consulting beschäftigt sich mit Fragen der Folientechnologie mit Schwerpunkt Lebensmittelverpackungen. Dabei wird versucht dem Kunden fundierte Antworten im Hinblick auf lebensmittelrechtliche Belange, technologische Produktionsprobleme oder Folienentwicklungen zu geben. In diesem Zusammenhang ist das Erstellen von Gutachten und lebensmittelrechtlichen Konformitätserklärungen gepaart mit Spezifikationen ein wesentliches Instrument.
Das Leistungsspektrum von Innoform Testservice umfaßt das Aufzeigen von Verpackungslösungen, Folienanalytik, Schadensanalyse sowie qualitätssichernde Maßnahmen (z. B. überprüfung). Seit Mai 2007 ist der Testservice nach DIN EN ISO/ IEC 17025 akkreditiert.
Innoform Coaching organisiert öffentliche Workshops, Tagungen und das jährliche Inno-Meeting.
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