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  • Dr. Gottfried Weyhe über PE-Siegelschichten im Aufbruch – Neustart des Bewährten

    Dr. Gottfried Weyhe über PE-Siegelschichten im Aufbruch – Neustart des Bewährten

    Das Inno-Meeting gilt mittlerweile als deutschsprachiger Branchentreff für Entscheider der Flexpack-Industrie. Was versprechen Sie sich persönlich von einem Beitrag zu dieser Veranstaltung?

    Tatsächlich ist das Inno-Meeting seit vielen Jahren Quelle für Anregungen und natürlich auch für die Pflege alter sowie Gewinnung neuer Kontakte. Hier einen aktiven Beitrag zu leisten, ist für mich schon eine besondere Herausforderung und zugleich Türöffner für weitere interessante Gespräche und Kontakte.

    Woran denken Sie bei unserem diesjährigen Fokus Neustart?

    Das sind neues unkonventionelles Denken und neue Ansätze auf Basis alter Erfahrungen. Für die Themen der Zukunft sind neue Ideen und Allianzen jenseits gewohnter Lieferketten gefragt. Das ist unheimlich spannend.

    Ihr Thema lautet “Neustart des Bewährten – PE-Siegelschichten im Aufbruch”. Was wird Ihre Kernaussage sein und wo sehen Sie für den Zuhörer in erster Linie den Nutzen?

    PE-Siegelschichten sind altbewährt und aus der flexiblen Verpackung nicht wegzudenken. In der Vergangenheit sind die Anforderungen an solche Folien immer weiter gestiegen (z. B. Maschinengeschwindigkeit). Anscheinend gab es aber seit vielen Jahren nicht wirklich Neuigkeiten. Das ist aber nicht richtig, denn es gab hier Entwicklungen, die es nun auch ermöglichen, den neuen Anforderungen zu entsprechen. Im Vortrag möchte ich anhand einiger Beispiele versuchen, den weiten Bogen von den Trends und Herausforderungen zu diesen Möglichkeiten zu spannen.

    Polyethylen-Siegelschichten kommen dem Flexpacker erst einmal als alter Hut daher, ja wenn nicht sogar als Voraussetzung für flexible Verpackungen. Sehen Sie hier konkreten Handlungsbedarf, weil bewährte Systeme eben auch in die Jahre kommen, oder wie begründen Sie den Aufruf zum Neustart des Bewährten?

    Es sind in den letzten Jahren neue PE-Materialien entwickelt worden, die den gestiegenen Anforderungen an Siegelschichten besser gerecht werden können. Auch die analytischen Methoden haben sich rasant entwickelt, so dass man z. B. Siegelprozesse besser verstehen und optimieren kann. PE ist sehr gut recyclebar. Neue Rohstoffe,  Technologien und Analysen ermöglichen es sicherlich, neue Verpackungsmaterialien zu entwickeln, in denen diese Karte zusätzlich zu den Siegeleigenschaften ausgespielt werden kann.

    Welche Konsequenzen kann ein Zurückdrängen oder sogar Verbot von bestimmten Verpackungen für die breite Masse und sogar für unsere Industrie haben?

    Wir müssen auf jeden Fall umdenken. Ich sehe das als Chance und Entwicklungstreiber. Es ist allerdings noch nicht ganz klar, in welche Richtung(en) die Reise geht. Aber genau das ist spannend. Natürlich gibt es dabei wirtschaftliche Risiken, die sicher noch nicht abschätzbar sind. Ein schönes Bespiel für solche Entwicklungen ist für mich das Verbot der Glühlampe: Halogenbeleuchtung war eine Sackgasse, Energiesparlampen hatten viele Fragezeichen und heute haben wir eine LED-Technik mit vor einigen Jahren noch undenkbaren Möglichkeiten, an die damals kaum jemand gedacht hat.

    Wie schätzen Sie persönlich die Zukunft von Kunststoffverpackungen ein? Muss das Rad zurückgedreht werden? Arbeiten Sie an alternativen Systemen?

    Das Rad zurückdrehen ist keine Lösung. Die Kunststoffverpackung wird weiter eine Zukunft haben, aber eben mit intelligenteren, nachhaltigeren und ressourcenschonenderen Lösungen.
    Das Rad muss dabei insoweit teilweise zurückgedreht werden, dass man sich von liebgewordenen, aber für die Funktionalität nicht essentiellen Eigenschaften von Verpackungen trennen muss. Vielleicht ist ja z. B. ein Hochglanzkonterdruck nicht für jede Verpackung zwingend notwendig.
    Wir sind auf die Herstellung hochwertiger Polyolefin-Folien spezialisiert. Wir arbeiten primär daran, die Stärken dieses Materials in intelligentere Verpackungen einzubringen.

    Und dann noch eine private Frage: Was begeistert Sie außer Ihrem Beruf sonst noch?

    Mich begeistert Kultur und Geschichte im weitesten Sinne. Im Raum Halle-Leipzig, wo ich wohne,  gibt es davon reichlich, was ich mit meiner Familie dankbar nutze. Dass ich von meiner kleinen Enkeltochter begeistert bin,  muss ich sicher nicht extra erwähnen.

    Dr. rer. nat. Gottfried Weyhe studierte von 1980 – 1985 Physik an der Martin-Luther-Universität Halle/Saale. Nach dem Berufseinstieg bei Carl Zeiss Jena sammelte er 1987 – 1992 in den Leuna-Werken erste Erfahrungen in den Bereichen Polymerphysik und -analytik. 1992 – 1998 begann er in der schwierigen Zeit nach der deutschen Wiedervereinigung  seine Tätigkeit als Anwendungstechniker in der Gesellschaft für Analytik und Atomspektroskopische Messtechnik mbH. Schwerpunkte waren hier Verfahrensentwicklung, Analysengerätebau und Umweltanalytik. Durch die nebenberufliche Fortführung der Arbeiten an der Dissertation zu Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von PA-6 riss der Kontakt zur Polymerphysik und Kunststofftechnik auch während dieser Phase nie ganz ab. Die Promotion erfolgte 1995 an der Universität Rostock.

    Seit 1998 ist er in der POLIFILM EXTRUSION GmbH (früher: ORBITA-FILM GmbH) tätig, zunächst als Mitarbeiter im Bereich Entwicklung/Anwendungstechnik mit Schwerpunkt PE-Kaschierfolien als Siegelschicht für flexible Verpackungen, zuletzt als Teamleiter Anwendungstechnik im Geschäftsbereich Technische Folien.

    Am liebsten beschäftigt er sich mit Kaschierfolien für flexible Verpackungen und der anwendungstechnischen Kundenbetreuung sowie der Problemlösung und Fehlersuche.

  • “Drucken und Kaschieren” (Teil 3 von 8): Eigenschaften und Einsatzgebiete von dünnen Druckträgerfolien und Siegelschichten

    “Drucken und Kaschieren” (Teil 3 von 8): Eigenschaften und Einsatzgebiete von dünnen Druckträgerfolien und Siegelschichten

    3. Teil : Häufig verwendete Folien zum Drucken und Kaschieren

    EIGENSCHAFTEN 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 PP

    A-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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