Am 11./12. September 2013 veranstaltet Innoform in Zusammenarbeit mit dem SKZ die Barriere-Verbundfolien-Tagung in Würzburg.
Barrierefolien werden immer leistungsstärker und die Anforderungen des Handels nach längeren Lieferzeiten immer höher. Was können Verbundfolien heute hinsichtlich Sperrwirkung leisten? Auch in diesem Jahr stellen wir wieder einige Neuerungen vor.
Aber der Trend zur Standardisierung und Kostensenkung hält an. Wie viel Barriere braucht ein Füllgut, und wie kann man Kosten sparen oder Sicherheit gewinnen, wenn das Barrieresystem optimiert ist?
Welche organischen und anorganischen Systeme sind etabliert und werden für welche Füllgüter eingesetzt? Welche Barriere braucht welches Lebensmittel? Wie kann ich Barriere berechnen – gibt es neue, handhabbare Tools? Wo gibt es Kosteneinsparpotenziale für Folienhersteller und Abpacker?
Das sind nur einige Fragen, auf die kompetente Referenten Antworten geben werden. Ziel ist es, Trends möglichst frühzeitig zu erkennen und Ihnen damit die Möglichkeit zu geben, rechtzeitig die “richtigen” Barriereverpackungen auf den Markt zu bringen. Nutzen Sie diesen Expertentreff im Zwei-Jahres-Rhythmus, um sich auf den neuesten Stand des Wissens zu bringen, Kontakte zu knüpfen und mit der Fachwelt ins Gespräch zu kommen.
Infos zur Barriere-Verbundfolien-Tagung in Würzburg (Mittwoch/Donnerstag, 11. / 12. September 2013) finden Sie unter folgendem Link: http://sp.innoform.de
Der Einfluss von Feuchtigkeit, die in der Regel entweder aus dem verpackten Gut oder aus der Umgebungsluft stammt, kann erheblichen Einfluss auf die Sauerstoffbarriere (Sperrwirkung) einer Folie haben. Wann das ein Problem werden kann und welche Alternativen zur Verfügung stehen, wird hier erläutert. Zudem werden die beiden Begriffe „organische Barriere“ und „anorganische Barriere“ beschrieben.
1. Wann ist Feuchtigkeit für die Sauerstoffbarriere ein Problem?
Um zu wissen, ob Feuchtigkeit zum einen die Barriere verschlechtert und zum anderen überhaupt anwesend ist, muss man sich die Packungen selbst ansehen. Ist das Material denn überhaupt anfällig für einen Barriereverlus? – Denn darum geht es ja. Oder handelt es sich um ein Material, das gar nicht seine Barriere gegen Sauerstoff verändert, wenn die Feuchtigkeit im und um die Folie schwanken? Handelt es sich um eine organische oder anorganische Barriere? Mit anderen Worten ist sie feuchtigkeitsempfindlich oder nicht?
Und dann ist noch zu berücksichtigen, wie feucht denn nun die Barriereschicht wirklich wird und im schlechtesten Fall (worst case) werden kann.
1.1 Organische Barrieren
Kennen sie eigentlich den Begriff der organischen Barriere, der mehr und mehr Einzug in der „Barrierewelt“ und Folienindustrie findet? Gemeint ist in diesem Zusammenhang, dass die Barriere- oder Sperrschicht in der Folie aus Kunststoff (organischem Material) erzeugt wird. Beispiele hierfür sind Polyamid und vor allem Ethylen-Vinyl-Alkohol (EVOH). Die meisten – ja man kann sogar sagen bis auf PVDC alle üblichen Materialien – zeigen dabei ein Verhalten, das in der Praxis nachteilig sein kann. Und zwar immer dann, wenn Feuchtigkeit im Spiel ist.
Die Sauerstoffbarriere nimmt mit zunehmendem Feuchtigkeitsgehalt im Polymer (organischem Material) ab. Ich will hier nicht zu tief ins Detail gehen, aber doch erwähnen, dass man sich das Wasser als eine Art Quellmittel vorstellen kann, das den Abstand zwischen den Makromolekülen des Folienmaterials vergrößert und somit Platz für Permeation – also Durchdringen von Sauerstoff macht.
Die Abbildung zeigt, wie sich durch das „Einlagern“ von Wasser mehr Raum für die Permeation von Gasen – hier Sauerstoff, bietet.
Welche Polymere / Kunststoffe nun wie stark in der Barriere beeinflusst werden, hängt nicht nur vom Polymer selber ab, sondern auch von den Schichten, die es umgibt. Zur Vereinfachung und grundlegendem Verständnis, möchte ich hier aber nur prinzipielle Trends darstellen, die einfach in praktischen Versuchen dann quantifizierbar sind.
Abbildung 2: Prinzipskizze aus Innoform Seminaren: Einfluss von Feuchte auf die Sauerstoffpermeation üblicher „Folienpolymere“
Das PVDC tanzt hier aus der Reihe, weshalb es auch so gerne für tiefgezogene also verformte Barriereschichten für feuchte Umgebungen oder feuchte Füllgüter eingesetzt wird.
Auch das PET verliert nicht die Barriere, wird aber aufgrund seiner eher weniger starken Sperrwirkung nicht wirklich als Barriere gegen Sauerstoff eingesetzt. Zum Einsatz kommt das PET z.B. als Material für thermogeformte Schalen, da die Materialdicken der Ausgangsfolien dicker sind und somit die Barriere besser.
1.2 Anorganische Barrieren
Im Gegensatz dazu spricht man von allen anderen üblichen Barriereschichten, wie z.B. die Metallisierung mit Aluminium, die Aluminiumfolie selbst oder Siliziumoxid (SiOx) bzw. Aluminium-Oxid (AlOx) bedampften Folien von anorganischen Barrieren. Diese sind nicht aus Kunststoff, sondern aus anorganischen Materialien wie Metall.
Das heißt allerdings nicht, dass es keine Folie wäre, sondern nur, dass die Sperrschicht oder Barriereschicht durch eine Nicht-Kunststoffschicht erzeugt wird.
Diese anorganischen Schichten haben nun den atemberaubenden Vorteil, dass sie bei allen Feuchtigkeiten nahezu die gleichen Sperreigenschaften behalten, die sie auch im trockenen Zustand haben.
Die folgenden Diagramme zeigen den Einfluss der Feuchtigkeit auf z.B. ein EVOH-Copolymer, wie es üblicherweise in vielen Fleisch-, Wurst- und Käseverpackungen verwendet wird:
Abbildung 3: Abhängigkeit der Sauerstoffbarriere von Temperatur und Luftfeuchtigkeit bei EVOH
Und dann haben die anorganischen Barrieren noch einen grandiosen Vorteil, der alles andere überragt, aber in der Praxis kaum beachtet wird. Sie haben eine gute Barriere gegen (fast) alles. Sie sperren gut gegen Wasserdampf, Sauerstoff, Aromen, und manche sogar gegen Licht (Aluminiumfolie oder Aluminium-Metallisierung.
Nur verformen lassen sich die spröderen, anorganischen Schichten leider nur sehr wenig und zeigen doch auch immer wieder in der Praxis Knickbrüche in Falzkanten. Hier kann oft zwar durch geschickte Verbundstrukturen entgegen gewirkt werden, aber diese Eigenschaft ist immer mit zu beachten.
2. Fazit
Egal ob eine organische oder anorganische Barriere verwendet wird – es sind immer die Rahmenbedingungen der Anwendung für die Folienverpackung zu berücksichtigen. Wird ein warmes, feuchtes Klima in der Umgebung erwartet und es ist eine ausgezeichnete Sauerstoffbarriere erforderlich, so sind anorganische Barrieren vorzuziehen oder PVDC einzusetzen. Alle anderen Konstruktionen führen unweigerlich zu Herausforderung in Design, Struktur und Verarbeitung.
Sind hingegen thermische Verformung, Flexibilität und eine effiziente Herstellung wichtig, spielen die Kunststoffbarriereschichten (organischen Barrieren) ihre Vorteile voll aus. Wie bei allen Industrieprodukten gibt es hier auch innerhalb von Materialklassen signifikante Unterschiede hinsichtlich Barriere und Feuchtigkeitsempfindlichkeit. Hier gilt es also den richtigen Lieferanten mit dem richtigen Rohstoff zu wählen, um z.B. auch EVOH gefahrlos für feuchte Klimate einsetzen zu können.
Welche Schicht / welches Material welche Durchlässigkeit zeigt oder anders ausgedrückt, welche Barriere bietet, können Sie leicht online mit unserem kostenlosen Permeationsrechner ermitteln: http://www.innoform-testservice.de/tpages/tools/permeation.php Wenn Sie sich kostenlos mit Ihrer E-Mailadresse einloggen, sehen Sie sogar alle wichtigsten Barrierematerialien und können schon einmal virtuell ausrechnen lasen, wie diese sich im Verbund darstellen.
Ich freue mich wieder auf zahlreiche Kommentare und Anregungen für weitere Beiträge in unserer Innoform Expertenecke hier oder auf XING.
Freundlicher Gruß,
Karsten Schröder
P.S. Weitere Artikel zu diesem Themenbereich finden Sie nachstehend:
Der Begriff der Permeationsrate oder auch oft einfach nur als Permeation bezeichnet ist aus der Welt der Folienverpackungen nicht weg zu denken.
Doch wenn man die einfache Frage beantworten soll, was das eigentlich ist, wird es für viele schwierig. In unseren Seminaren versuchen wir das immer bildhaft zu erläutern. Die Permeationsrate wird im Wesentlichen durch zwei Faktoren beeinflusst:
1. Den „Drang“ eines Gases, durch eine Folie zu permeieren
2. Die Möglichkeit des Gases durch die Folie zu gelangen
1 Der „Drang“ von Gasen in die Verpackung oder aus ihr hinaus
Der Drang eines Gases für den Durchtritt durch eine Folie wird durch den s.g. Partialdruckunterschied zwischen der Außenseite der Folienverpackung und der Innenseite bestimmt.
Sind also außen in der Umgebungsluft die üblichen 21% Sauerstoff und innen in der Verpackung 0%Sauerstoff, so ist der Partialruckunterschied für den Sauerstoff bei normalem Atmosphärendruck von 1000 mbar (= Hekto Pascal [hPa]) 210 mbar.
Trivial ausgedrückt heißt dass, das der „Drang“ des Sauerstoffs, um in die Verpackung zu gelangen, einem Druck von 210 mbar entspricht. Das ist also sozusagen der Antrieb für den Sauerstoff überhaupt in die Verpackung zu „wollen“.
Wie sich das bei anderen Drücken verhält, zeigt dieses Bild aus unseren Seminarunterlagen:
Abbildung 1: Partialdruck des Sauerstoff auf Höhe des MeeresspiegelAbbildung 2: Partialdruck von Sauerstoff auf 2000m Höhe
Das heißt also, wenn man es ganz genau rechnen will, muss man den Atmosphärendruck und die Druckdifferenz zwischen Außen- und Innendruck der Verpackung berücksichtigen. In der Praxis werden aber immer „normierte“ Werte angegeben und nur solche – immer auf gleiche Bedingungen normierte Bedingungen sollten für Vergleiche heran gezogen werden.
2 Die Möglichkeit eines Gases durch eine Folie zu gelangen
Nun mag es auf den ersten Blick ja unmöglich erscheinen, dass durch eine „intakte Folie“ überhaupt Gase hindurch gelangen. Was ist der Grund dafür, dass insbesondere durch Kunststofffolien Gase wie Sauerstoff hindurch gelangen können?
Ganz einfach erklärt liegt es daran, dass
• Gase sich in Kunststoffen lösen können (Adsorption)
• Gase durch Kunststoffe durchwandern können (Diffusion)
• Gase aus Kunststoffen in eine Atmosphäre (z.B. auf der Innenseite der Verpackungen) sich wieder „entlösen“ können. (Desorption)
Hierzu wieder ein erklärendes Bild mit den drei genannten Schritten der Diffusion:
Abbildung 3: Funktionsskizze des Durchdringens von Gasen durch eine Folienverpackung
Zusammenfassung:
Ist also viel Sauerstoff draußen und wenig drinnen in einer Folienverpackung, geht das permeieren schneller. Die Permeationsrate ist hoch.
Hat das Material eine gute Barriere gegen das Gas, so ist die Permeationsrate niedriger als bei Materialien ohne eine Barriere.
Vergleicht man normierte Werte bei gleichen Drücken, Temperaturen und gleichem Gas (z.B. Sauerstoffpermeationsrate bei 23°C, 75% rel. Feuchte und 1000 mbar Atmosphärendruck) so gibt die Permeationsrate die Sperrwirkung (Barriere) der jeweiligen Folie gegen das jeweilige Gas im Vergleich an. Und genau das ist es, worüber die meisten reden, wenn sie von Permeationsrate oder Barriere oder Sperrwirkung einer Folie reden.
Ich freue mich wieder auf zahlreiche Kommentare und Anregungen für weitere Beiträge in unserer Innoform Expertenecke auf XING oder hier in unserem Blog.
Haben Sie sich auch schon einmal über diese sperrige Einheit gewundert, die bei Permeationsmessungen oder Werten für Gasdurchlässigkeit angegeben wird? Für unsere Seminare haben wir dafür ein schönes Bild entwickelt.
Stellen Sie sich bitte einmal einen Quadratmeter der Folie vor, für die die Sauerstoffdurchlässigkeit angegeben wird – also ein Stück Folie mit den Maßen 1 m x 1 m. Der Zahlenwert, den Sie im Prüfzeugnis oder im Datenblatt oder sonst wo finden und in der Einheit Kubikzentimeter (cm³) pro (/) Quadratmeter (m²) mal (x) Tag (D) und bar angegeben wird entspricht demnach:
• Genau der Menge an Sauerstoff,
• die durch einen m² Folie
• pro Tag durch permeiert (durch dringt)
• vorausgesetzt der Druck ist auf beiden Seiten der Folie gleich.
Da eine Druckdifferenz zwischen beiden Seiten für die Geschwindigkeit des „Permeierens“ eine Rolle spielt, steht die Einheit bar mit in der kompliziert anmutenden Einheit der Permeationsrate.
Wenn man nun weiß, dass ein Kubikzentimeter in etwas dem Volumen eines Würfelzucker-Stückchens entspricht, wird die Einheit plötzlich anschaulich.
Bei PET beispielsweise sind typische Werte für eine 12 µm Folie rund 100 cm³/m² x d x bar. Mit anderen Worten es wandern 100 Würfelzucker-Einheiten an Sauerstoff durch einen Quadratmeter Folie am Tag durch – das ist ganz schön viel.
Wenn man solch eine Folie nun mit einer Metallisierung oder AlOx bzw SiOx-Beschichtung ausrüstet, kann sich der Wert auf z.B. 1 Stückchen „Würfelzuckerstückchen-Einheit“ Gas reduzieren.
Wenn Sie mal nachschlagen wollen, welche Folie welche Permeationsrate typischerweise zeigt, schauen Sie doch mal in unseren Permeationsrechner. Aber Achtung – alle unsere Werte im Permeationsrechner sehen Sie nur, wenn Sie bei InnoZONE (Mein.Innoform) eingelogt sind.
Diskutieren Sie mit mir und anderen Lesern. Gerne auch in unsere Innoform-XING-Gruppe.
Dr. Horst-Christian Langowski vom Fraunhofer IVV in Freising sagte einmal sinngemäß auf einer Tagung: „Es muss erst alles dicht sein, bevor man Permeation messen kann“.
Das bringt es gut auf den Punkt. Die Permeationsmessung beginnt in der Regel erst dann, wenn mit üblichen Dichtheitsprüfmethoden kein Gas-/Flüssigkeitsaustausch mehr nachweisbar ist. Zur Verdeutlichung ein Praxisbeispiel:
Kennen Sie noch die Vakuumverpackungen mit gemahlenem Kaffee, die vor dem Kauf erst einmal schüchtern im Regal auf Ihre „Dichtigkeit“ hin getestet wurden? Haben Sie sich auch schon einmal dabei ertappt, die Vakuumverpackung mit normalerweise rund 500-00 mbar Unterdruck mit den Fingern zusammen zu drücken, um festzustellen, ob sie noch schön hart ist? Das tun Sie, obwohl die Verpackung vielleicht mit einer Hochbarrierefolie hergestellt wurde mit einer Aluminiumschicht als Gassbarriere. Da geht messtechnisch im Verbund kein Gas mehr durch. Dennoch weiß der geschulte Einzelhandelskunde, dass trotzdem manchmal die Packung „weich“ ist. Das liegt z. B. an der “Undichtigkeit” in der Siegelnaht oder an Mikrodurchstichen des Kaffeemehls. Haben Sie das gewusst?
Mit anderen Worten:
Die Permeationsmessung ist um ein vielfaches sensibler/genauer als die Dichtheitsprüfung. Sie kann somit als Untergruppe der Dichtheitsprüfungen angesehen werden.
Die Permeationsmessung beschäftigt sich mit dem Gasaustausch durch ein Material und nicht mit einer Strömung durch ein Loch, wie es die Dichtheitsprüfungen tun.
Genau das ist der Grund, warum für verpackten, gemahlenen Kaffee die Dichtheitsprüfungen und nicht die Permeationsmessungen zur verbesserten Qualität der Vakuumverpackungen führten. Mittlerweile sind übrigens fast alle Packungen immer sehr gut dicht. Aber wie steht es mit der Permeation? Diskutieren Sie mit mir und anderen Lesern. Gerne auch in unsere Innoform-XING-Gruppe.
Ich freue mich wieder auf zahlreiche Kommentare und Anregungen für weitere Beiträge in unserer Innoform Expertenecke hier oder auf XING.
Freundlicher Gruß,
Karsten Schröder
P.S. Weitere Artikel zu diesem Themenbereich finden Sie nachstehend:
