Kreislauffähige Alternative zur PET-Folie

Aktuell werden für die Herstellung von Endverbraucherverpackungen, die Wurst- oder Käseaufschnitt enthalten, häufig Verbundmaterialien aus APET/PE und BoPET/PE eingesetzt. Diese Folien bieten sowohl eine gute Maschinengängigkeit als auch hohe Barriereeigenschaften. Im Materialkreislauf erfüllen sie jedoch nicht die Forderung nach guter Sortierbarkeit und werkstofflichem Recycling. Das rückt den Einsatz von Mono-PP-Folien in den Fokus. Diese Folien bestehen zwischen 90 und 98 % aus Polypropylen und lassen sich auf Thermoformanlagen verarbeiten. Jedoch weisen sie oftmals deutliche Unterschiede auf.

Attraktivität und Ausstoß auf Verpackungslinien verbesserungsfähig

Auf Thermoformanlagen hergestellte PP-Muster zeigen vor allem Nachteile in ihrem optischen Erscheinungsbild. Andreas Dietrich, Anwendungstechnik Verpackung bei Weber Food Technology, beschreibt Ergebnisse mit PP-Verpackungen als oftmals „weniger attraktiv, da sie wellig, weniger transparent und auch weicher in der Haptik sind.“ Diese erkennbaren Unterschiede rühren teils von den natürlichen Eigenschaften von Polypropylen her. Einige Mono-PP-Folientypen bilden durchaus eine schön stabile Form aus und damit ein stabiles Tray. Bei ihnen ist jedoch oft die Oberfolie nicht so schön straff gespannt wie bei Folien auf BoPET-Basis. Ein Phänomen, das laut Dietrich insbesondere bei Wiederverschluss-Oberfolien auftritt.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der Ausstoß auf Verpackungslinien mit Mono-PP-Folien durch das langsamere Aufheizen und Abkühlen des Materials geringer ist. Da das Formen von Verpackungen aus PP-Folie etwas komplizierter ist, verringert sich die Taktfrequenz der Anlage, sodass die Maschine mit einer etwas geringeren Geschwindigkeit läuft. Eine Reduktion von zwölf Takten pro Minute auf elf Takte pro Minute wirkt sich bei großen, industriellen Linien für Käseverpackungen mit 400 g Inhalt bereits so aus, dass 6,5 t Käse weniger in einer Produktionszeit von 20 Stunden pro Tag verpackt werden – eine Reduktion von über 8 %.

Anderes Material, anderer Ansatz

Da der Formprozess mit Mono-PP-Folie materialbedingt zu herkömmlichen Folien abweicht, ist für Andreas Dietrich klar, dass eine Materialänderung auch bei der Verpackungsmaschinenausführung und den Maschinenparametern berücksichtigt werden muss. Geht man von einer Maschine mit einer sogenannten Sandwichheizung aus, also zwei Heizplatten, eine von oben, eine von unten, reichen bei APET/PE-Verbunden bereits relativ kurze Heiz- und Formzeiten von ein bis zwei Sekunden bei 250 µm Folienstärke aus. Die Temperaturen liegen dabei zwischen 98 °C und 113 °C. Bei diesem Formfenster von 15 °C fallen Heizungsschwankungen bei PET/PE-Verbunden kaum ins Gewicht. Die Maschinen im Markt sind auf diese Parameter eingestellt.

Demgegenüber liegen bei Polypropylen die Folienstärken meist ein wenig höher, da man die etwas weichere Struktur durch eine etwas dickere Folie von 300 µm PP/PP zu kompensieren versucht. Das wiederum hat Auswirkungen auf die Heiz- und Formzeit, die sich bei der etwas dickeren Folie auf etwa 2,5 Sekunden erhöht.

Beginnt man nun Versuche mit Mono-PP Folie, wird an den Linien oftmals nur die Temperatur an das neue Material angepasst, die Heiz- und Formzeiten aber nicht. Im Erscheinungsbild führt das dann zu Falten, Wellen und schlechter Standfestigkeit des Trays.

Um Lösungen zu finden, müssen die Ursachen für die Falten- und Wellenbildung erkannt werden. Sie können mit mehreren Einflussfaktoren zusammenhängen. Nach den Erfahrungen von Andreas Dietrich kann dies an ungünstigen Einstellungen liegen, aber auch daran, dass die Verarbeitungsmaschinen schon einige Jahre im Einsatz sind, möglicherweise nicht optimal gewartet wurden und bislang immer PET-Folien verarbeitet haben. PET als abrasives Material nutzt gerne die Teflon-Beschichtung der Heizplatte ab, vor allem die der unteren. Als Folge ist sie glatt und besitzt keine Antihaft-Eigenschaften mehr. Während PET sich auf den Thermoformern auch dann noch verarbeiten lässt, wird bei Polypropylen-Folien Luft zwischen Folie und der abgenutzten Heizplatte eingeschlossen. Das führt zu Blasen im Heizbild, auch „Krampfadern“ genannt, die deutlich in der Packung zu sehen sind.

Ein weiteres Problem ist, dass sich PP-Folie im heißen Zustand stark ausdehnt. In einem Thermoformer wird die Folie erst beheizt und anschließend einen Takt weitertransportiert, um geformt zu werden. Dabei birgt das Schließen der Heiz- und Formwerkzeuge eine gewisse Problematik. Die weiche, warme Folie, die sich von Natur aus leicht dehnt, führt, zusammen mit der Luftbewegung, die beim Schließen des Formwerkzeuges entsteht, zum Dehnen der Folie in einer Art Blase, die beim Schließen des Werkzeuges plattgedrückt wird. Auch dadurch entstehen oft Falten. Bei PP gilt es darum, diesen Luftzug und damit die Blasenbildung durch geeignete technische Maßnahmen zu vermeiden.

Wie sich unterschiedliche Heiz- und Formzeiten auf das optische Erscheinungsbild der Verpackungen auswirken, zeigen Bilder, die Weber mithilfe einer Dual-Optik-Wärmekamera aufgenommen hat, direkt nach dem Verlassen der Verpackung aus der Formstation.

Das erste Wärmebild zeigt ein grenzwertiges Ergebnis basierend auf Parametern für die Verformung von APET-Folienverbunden mit lediglich angepasster Temperatur. Das zweite hingegen offenbart ein besseres Ergebnis, da alle Prozessschritte auf die PP-Folie optimiert wurden. Der Vergleich der Prozessparameter bei der Fertigung dieser Verpackungen macht deutlich, welche Parameter zur Optimierung einer Verpackung beitragen, und dass sich Verpackungen aus PP-Mono-Folie optimieren lassen.

Ein wesentlicher Parameter beim Formen der Verpackung ist der Druckaufbau, auf den es bei der Verarbeitung von Mono-PP-Folien besonders ankommt. Ist er zu niedrig und zu langsam, wird die Folie nicht richtig ausgeformt. Es entstehen große Temperaturunterschiede in der Verpackung, in diesem Beispiel bis zu 21 °C zwischen der Mitte und den Rippen der Verpackung. Das Ergebnis sind Spannungen im Material und letztendlich Wellen.

Das zweite Wärmebild zeigt, dass bei einer optimalen Einstellung des Formprozesses diese Temperaturunterschiede auf etwa 7 °C reduziert werden können. Vorausgesetzt, die Heiz- und Formzeiten liegen bei 2,5 Sekunden, die Heiztemperatur beträgt 135 °C, der Druckaufbau beim Formen liegt bei 1 bar in 0,2 Sekunden und die Kühlung ist effizient eingestellt.

Neben den Verarbeitungsparametern spielt natürlich auch das Verpackungsdesign eine wesentliche Rolle. Beim Einsatz von PP-Folie sollte die Packungsgestaltung keine zu kleinen Details aufweisen. Im Beispiel links haben die Rippen einen Radius von R8 mm und eine Tiefe von 2 mm. Je kleiner die Radien werden, umso schwieriger sind sie auszuformen und desto welliger kann die Packung werden. Ein solches Design ist bei den Rippen sehr gut umsetzbar.

Auch die Eckenradien spielen eine wesentliche Rolle. Im Beispiel rechts besitzen sie einen Radius von R9 mm, was einen guten Wert darstellt. Werden diese zu klein, verliert die Packung an Stabilität, sie verzieht sich leichter und wird wellig.

„Ein Faktor für ein gutes Ergebnis mit Mono-PP-Folien ist gutes, punktgenaues Heizen mit einer Sandwichheizung, die die Temperatur möglichst stabil hält“, listet Andreas Dietrich den ersten zu verändernden Prozessparameter auf und ergänzt: „Benötigt dafür wird eine möglichst lange Heizzeit von circa 2,5 Sekunden.“

Der zweite Faktor ist sehr schnelles Formen. Das wird durch den schnellen Formdruckaufbau erreicht, muss aber auch mit der Folie selbst möglich sein. Die Folie muss sich innerhalb von nur 0,2 Sekunden formen lassen. Dabei liegt ein Unterdruck von - 0,7 bar durch das Formvakuum von unten unter der Folie an. Zusätzlich liegt ein Überdruck von + 1,0 bar durch den schnellen Druckaufbau von oben an. In Summe ist dies ein Druckunterschied von 1,7 bar absolut. Die Formzeit und damit die Abkühlzeit muss möglichst lang sein. Generell gilt als Ziel beim Heizen, Formen und Kühlen: Es muss eine möglichst gleichmäßige und niedrige Temperatur in der Packung sein. So lassen sich Temperaturunterschiede zwischen der Mitte und den Rippen der Verpackung auf beispielsweise 7 °C reduzieren.

Der dritte Faktor ist eine geeignete Mono-PP-Folie. „Nicht jede Folie bringt das gewünschte Ergebnis“, weiß Andreas Dietrich aus der Praxis. Werden aber die genannten Parameter berücksichtigt, lassen sich präzise ausgeformte Verpackungen aus Mono-PP-Folie bei zwölf Takten pro Minute herstellen, die den Marktanforderungen entsprechen.