Packmittel

Dichtigkeit ist absolutes Muss

Packmittelproduktion | Die wichtigste Funktion einer Verpackung ist der Produktschutz. Dieser wird durch optimale mechanische Eigenschaften, ausreichende Barriere und korrekten Verschluss gewährleistet. Undichtigkeiten bei Packungen stellen bei Lebensmittelverpackungen einen sehr kritischen Fehler dar. Die Auswirkungen undichter Verpackungen auf das Produkt können vom Verlust von Nährstoffen über Einbußen an Aroma bis hin zum Verderb sein.

Von Prof. Arabinda Ghosh, Studiengang Verpackungstechnik, HDM -Stuttgart, Berater in Verpackungsfragen

Wie kann eine Undichtigkeit entstehen? Es kann einmal ein Fehler des Packstoffs sein, oder ein Verfahrensfehler beim Abpackprozess. Auch eine intakte Heißsiegelnaht unmittelbar nach dem Abpackprozess, kann später Undichtigkeiten aufweisen, da die Belastung beim Transport, Logistik und die Wechselwirkung des Füllguts mit dem Packstoff manchmal unterschätzt werden. Der Autor erläutert in diesem Beitrag das Prinzip des Heißsiegelns, Ursachen einer Undichtigkeit und die gängigen Prüfmethoden auf Undichtigkeit.

Wenn zwei Werkstoffe miteinander verbunden werden, spricht man von Fügen (Verbinden). Bei der Herstellung und / oder beim Verschließen von Packmitteln aus Kunststoff oder Verbundpackstoffen werden beide Partner miteinander durch Schweißen (Monopackstoffe) oder Heißsiegeln (Verbunde) verbunden. Je nach Ziel bzw. Funktionen gibt es unterschiedliche Verschließarten:

Von der Art des Fügeverfahrens kann man das Heißsiegeln / Schweißen sowie Kaltsiegeln unterscheiden. Bei der physikalischen Verbindung müssen die Heißsiegelschichten der beiden Partner schmelzen, damit die Polymer Makromoleküle durch Brownsche Bewegung in die benachbarten Schichten hinein diffundieren können. Dies ist der Fall bei flexiblen Verpackungen, bei denen beidseitig mit Heißsiegelwerkzeugen erhitzt wird. Nach hinreichender Diffusion wird die Erhitzung beendet - die Heißsiegelnaht kühlt ab, und es entsteht eine feste Schicht. Hier handelt es um eine Kohäsionsbindung, da die beiden Partner gleichartig sind. Beispiele sind Beutelverpackungen auf Schlauchbeutel- oder sonstigen Abpackmaschinen. Wird dagegen eine flexible Folie / Platine mit einem rigiden Partner, z. B. Schale verbunden, wird der rigide Partner nicht erhitzt - das untere Werkzeug hat lediglich eine Halterungsfunktion. Die dünnere Folie / Platine wird einseitig erhitzt - die Siegelschicht, meist Lack, wird aktiviert. Es findet eine Adhäsion zwischen dem aktivierten Lack und der nicht geschmolzenen Schale statt. Der Lack muss kompatibel zu der rigiden Schale sein. Neben speziellen Lacken, die bevorzugt mit PP, PS oder PET kompatibel sind, gibt es auch Universallacke.

Das Kaltsiegeln ist vorteilhaft beim Abpacken von hitzeempfindlichen Packgütern, z. B. Schokolade. Ein weiterer Vorteil ist die hohe Abpackgeschwindigkeit, da Erhitzung und Abkühlung entfallen. Beim Kaltsiegeln handelt es sich eher um ein Kleben, es ist keine oder nur mäßige Hitze notwendig.

Fest verschließen oder peelen
Von der Art der Verbindung her kann man den Festverschluss, Peelverschluss oder Peelverschluss mit Wiederverschließbarkeit unterscheiden. Sind die Heißsiegelschichten gleichartig, entsteht fast immer ein Festverschluss - in der Regel eine Siegelnahtfestigkeit größer als ca. 25 N/15mm Nahtbreite. Für eine besonders hohe Siegelnahtfestigkeit, z. B. für Packungen, die im Mikrowellenofen erhitzt werden, könnte man LLDPE oder HDPE wählen. Ein Festverschluss weist eine hohe Bindungskraft auf, zum Öffnen benötigt man Hilfsmittel.

Bei einer Peel-Packung, bei der es um leichtes Öffnen ohne Hilfsmittel geht, wird die Heißsiegelnahtfestigkeit gezielt abgeschwächt. Häufigste Möglichkeit ist eine Beimischung von einem höher schmelzenden Rohstoff zu der eigentlichen Siegelschicht. z. B. Polybuten oder HDPE zu LDPE.

Bei einem Peelverschluss mit Wiederverschließbarkeit muss neben der Peelbarkeit auch ein Wiederverschließen möglich sein. Übliche Lösungen sind einmal eine coextrudierte wiederverschließbare spezielle Hotmeltschicht, die sich unter der eigentlichen Siegelschicht befindet. Beim Öffnen reißt die Siegelschicht, so dass die Klebeschicht in Erscheinung tritt. Diese Schicht besteht aus einem „Pressure sensitive adhesive" und kann durch Druck verschlossen werden (Multipeel / Fa. Südpack).

Eine andere Lösung besteht auf Kaltkleberbasis, die neben dem Verschließen auch ein leichtes Öffnen und Wiederverschließen ermöglicht.

Ursachen der Undichtigkeit einer Kunststoffpackung
Die Ursache einer Undichtigkeit kann vielfältig sein. Hier einige Fehlerquellen:

falsche Siegelschicht - die Schichten sind nicht kompatibel zueinander. Kommt selten vor.

Verwechslung der Corona-behandelten Seite beim Kaschieren. Corona-behandelte Seiten siegeln nicht - zumindest nicht ausreichend genug.

Falsche Heißsiegelparameter, wie Zeit, Temperatur, Druck oder Siegelwerkzeug.

Bei beschädigtem Siegelgummi können durch fehlenden Siegeldruck Schwachstellen entstehen, die zu Undichtigkeiten führen.

Verschmutzte Heißsiegelbacken durch angebrannte Packstoff- oder Füllgutreste. Diese können sehr hart sein und verursachen beim Heißsiegeln Pinholes in der Heißsiegelnaht.

Fehlende Planparallelität des Heißsiegelwerkzeugs. Der Kantendruck an der Nahtwurzel kann so hoch sein, dass die Naht beschädigt wird. Ist auch das Füllgut aggressiv (organische Lösemittel, Säure etc.), so kann z. B. die Al-Zwischenschicht gelöst werden.

Füllgutreste in der Heißsiegelnaht sind sehr häufig Ursache der Nahtundichtigkeit. Geeignete Maßnahmen gegen unkontrollierte Füllgutreste auf der Siegelnaht sind sehr sinnvoll.

Zu schwache Heißsiegelnaht, insbesondere bei Peelpackungen, kann beim Transport und Logistikvorgang öffnen.

Am einfachsten ist die Prüfung auf Undichtigkeit bei Vakuumverpackungen. Bei Undichtigkeit zieht die Packung Luft und die Packung wird locker. Packungen, in denen sich Luft oder Schutzgas in der Packgutumgebung befindet, kann man in einem Behälter unter Wasser tauchen. Der Luftraum oberhalb des Wasserspiegels wird evakuiert. Beim Vorhandensein von Leckage tritt Luft aus der Packung aus. Üblicherweise genügt ein Unterdruck von 50 bis 100 mbar.

Prüfung durch Überdruckmethode
Die Prüfung einer normalen Verpackung durch die Überdruckmethode funktioniert wie bei der Lecksuche bei einem Fahrradschlauch. Die Packung wird unter dem Wasserpegel mit einer Druckluftlanze durchgestochen und Luft hineingepresst. Bei Vorhandensein einer Leckstelle kommen Luftblasen aus der undichten Stelle heraus. Wichtig ist, dass man die Anstichstelle mit einer Dichtscheibe gut abdichtet. Diese Methode kann man auch bei einer locker gewordenen Vakuumpackung anwenden.
Der Test durch die Überdruckmethode kann auch mit Druckluft am Berstdruckgerät, z. B. „Lippke Berstdruck L 3000" durchgeführt werden. Man befestigt eine Dichtscheibe an der Druckluftlanze mit der die Packung durchgestochen wird. Es wird ein Überdruck, z. B. 50 mbar, über eine Zeit, z. B. 10 min eingestellt und der Druckabfall geprüft.

Mit dem gleichen Gerät kann man mit veränderter Einstellung auch die Siegelnahtfestigkeit bzw. Materialfestigkeit testen. Nach Einstechen der Packung wird der Druck kontinuierlich erhöht. Je nach Materialfehler oder Schwäche der Heißsiegelnaht, platzt die Packung an der schwächsten Stelle. Ein durch Ultraschall geschweißter PP-Becher mit PP-Deckel zerreißt bei etwa 1 bis 1,6 bar Überdruck, wobei die Anrissstelle meist die Becherwand, selten die Schweißstelle ist.

Bei einem Leckagetest mittels Farbstoff wird in der Packung ein Netzmittel mit einem geeigneten Farbstoff, z. B. alkoholische Lösung von Rhodamin B (0,15%) oder Clariant Arkopal N090 mit Methylen Blau eingelegt. Nach einer gewissen Einwirkzeit werden die undichten Stellen sichtbar.

Eine andere Art von Leckageprüfung wird durch Gasanalyse durchgeführt. In der Packung wird ein Gas (Helium oder CO2) zugeführt und In- oder Offline durch einen geeigneten Gas-Detektor (Sniffer) ermittelt. Für He gibt es z. B. „Helium-Lecksuch-Gerät PhoeniXL 300 der Fa. Leybold".

Eine weitere Dichtigkeitsprüfung ist die Analyse von CO2 und O2. Dabei wird an einem Messgerät, die Sauerstoff- und CO2-Konzentration in einer Verpackung detektiert. Der Messbereich liegt zwischen 0 % - 100 %. Der Vorteil dieser Prüfung ist die Schnelligkeit. Der Nachteil ist, dass zwischen Abfüllen und Messen eine gewisse Zeit vergehen muss, die abhängig von der Größe der Fehlstelle der Siegelnaht ist.

Zwei weitere Prüfmethoden der Siegelnaht sind erwähnenswert: Zur Ermittlung der Platzdruckfestigkeit werden ausgelagerte Beutel mit flüssigem Füllgut mit 3000 N für 10 Sek. belastet. Frische Beutel halten diesen Druck immer aus, wenn die Siegelnaht in Ordnung ist. Zeitschriftenbeutel mit minimaler Menge Kosmetikprobe werden sogar mit 20.000 N für 10 Sek. und 10.000 N für 1 h belastet.

Eine pragmatische Prüfmethode der Siegelnahtqualität von Lebensmittelverpackungen ist es, Siegelrandbeuteln mit einem Cocktail aus Essig, Öl, Salz, Pfeffer (evtl. etwas Alkohol) und einem Farbstoff einige Tage bei 23°C oder für kürzere Zeit bei höherer Temperatur auszulagern. Danach ist die Siegelnahtfestigkeit und -dichtigkeit zu prüfen.

Quellennachweis:
1. Persönliche Mitteilung: Rüdiger Schlözer / DuPont

2. Persönliche Mitteilung: Roland Limbeck / Südpack

3. Persönliche Mitteilung: NN / IVV

4. Persönliche Mitteilung: Rainer Dorn / Clariant

5. Tagungsunterlage: 15. Stuttgarter Verpackungstage 2008

6. Vorlesungsmanuskript: Arabinda Ghosh / HDM-Stuttgart

Über die Firma
HdM – Hochschule für Druck + Medien HdM – Verpackungstechnik
Stuttgart
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