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
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.
