Grafik: Einflussnehmende Parameter auf die Schaumstruktur.

Einflussnehmende Parameter auf die Schaumstruktur. (Bild: IKV)

Zur weiteren Reduktion des Gewichtes der Folien kann die Blasfolie noch zusätzlich geschäumt werden. Das Einbringen einer Schaumstruktur in bestehende Produkte lässt sowohl Materialeinsparungen als auch das Einbringen von neuen Funktionen in die Folie zu wie beispielsweise eine bessere thermische Isolation oder höhere mechanische Dämpfung. Die Kombination aus Mehrschicht-Blasfolienextrusion und der Technologie des Schäumens bietet die Möglichkeit, die Vorteile beider Verfahren zu nutzen und das Portfolio eines Verpackungsherstellers zu erweitern.

So können beispielsweise für Lebensmittel- und Industrieverpackungen geschäumte Folien hergestellt werden. Im Bereich der Verpackung sind vor allem Polyolefine mit einen Gesamtanteil von rund 72 % dominierend [NN16], sodass besonders für diese Materialien die Integration einer Schaumstruktur das wirtschaftliche Potenzial erweitert.

Grafik: Einfluss der Prozessparameter auf die Dichte sowie Zellfläche geschäumter Mehrschichtblasfolie.
Einfluss der Prozessparameter auf die Dichte sowie Zellfläche geschäumter Mehrschichtblasfolie. (Bild: IKV)

Mit wenig Aufwand physikalisch geschäumt

Die entscheidende Fragestellung beim Schäumen von Mehrschichtblasfolie ist, wie eine möglichst geringe Dichte bei gleichzeitig feiner Zellstruktur zu erreichen ist, denn vor allem diese Merkmale sind ausschlaggebend für die mechanischen Eigenschaften und die erreichbare Dichte der Folie [HK18].

Diese Folieneigenschaften sind von einer Vielzahl verschiedener Parameter abhängig. Dazu zählen neben Materialeigenschaften des eingesetzten Kunststoffes wie der Verstreckfähigkeit und Schmelzeviskosität sowie den zugegebenen Nukleierungsmittel auch prozesstechnische Parameter wie Schmelzetemperatur, Verstreckverhältnis oder Massedurchsatz.

Diese Vielzahl an Einflussparametern bildet ein komplexes Feld, sodass ein verbessertes Prozessverständnis in Hinblick auf die Zusammenhänge zwischen Prozessparameter und Schaumstruktur in umfangreichen Versuchen am IKV aufgebaut werden musste. Den Grundaufbau der Versuchsreihen stellt eine Blasfolienanlage der Firma Kuhne Anlagenbau dar. Die drei Extruder ermöglichen die Herstellung einer Dreischichtfolie. Die Injektion des physikalischen Treibmittels (in dieser Versuchsreihe das Inertgas CO2), erfolgt über eine Hochdruckpumpe der Firma Prominent. Zwei synchronisierte Prozessdosierpumpen mit Linearantrieb kompensieren im Prozess auftretende Schmelzedruck-Schwankungen automatisiert [Pro22].

Die Injektion des Treibgases erfolgt mit einem Optifoam-System des Unternehmens Promix Solutions. Der äußere Düsendurchmesser des Blaskopfes beträgt
80 mm und ist mit einem für das Schäumen ausgewählten Düseneinsatz mit einem Spalt von 0,5 mm ausgestattet [HS22]. Für die Untersuchung des Einflusses der Prozessparameter wurden die Außenschichten mit einem PE-LD 2102 NOW und die Mittelschicht mit einem PE-LD 2102XO (beide Materialien Sabic Europe) mit einer Gesamtdicke von 180 µm und einer Breite von 350 mm gefahren. Zusätzlich wurde in der Mittelschicht 3 Gew.-% des Nukleierungsmittels PSL50 der Firma A. Schulmann eingesetzt.

Der Gesamtmassestrom der Untersuchungen betrug 9 kg/h. In der Schaumextrusion und vor allem im Bereich der Schaumbildung sind die Faktoren Schmelzetemperatur und Durchsatzverhältnis sehr dominant [LP14], weshalb deren Einfluss im Folgenden Abschnitt untersucht wird.

Einfluss der Prozessparameter auf die Schaumeigenschaften

Zur Untersuchung der Schaumeigenschaften wurden die Kenngrößen „Dichte der Gesamtfolie“, die die addierte Dichte aller Schichten der Folie beschreibt, und „Zellfläche“, die der mittleren Größe der Schaumzellen entspricht, analysiert. Die Bestimmung der Dichte erfolgt mittels zwölf äquidistant verteilter Messungen der Dicke auf einer Kreisscheibe D = 96 mm und anschließender Wägung. In direktem Zusammenhang mit der Dichte steht die Fläche der Zellen. Die Analyse der Zellen wird mithilfe von digital erfassten Bildausschnitten durchgeführt, indem 20 Zellen in Längs- und Querrichtung vermessen werden. Durch Approximation der Zellen als Ellipse können deren Flächen ermittelt werden.

Der Einfluss durch eine Veränderung des Massedurchsatzverhältnisses von 1:1:1 auf 1:2:1 ergibt die größte Dichtereduzierung von 0,417 g/cm3 auf 0,315 g/cm3. Dies resultiert aus der Verdoppelung der Mittelschicht bei gleichzeitiger Reduktion der Außenschicht. Eine weitere Steigerung der Massedurchsatzverhältnisse ist jedoch nicht möglich, da dies zu Fließinstabilitäten zwischen der Mittel- und Außenschicht führt. Eine Erhöhung des Massedurchsatzverhältnisses verändert die Zellgröße nur geringfügig.

Die Tendenz zu einer geringeren Dichte bei einem Anstieg der Zellgröße ist auf die Bildung von weniger Zellwänden pro Volumen zurückzuführen. Diese Abhängigkeit liegt ebenfalls bei der Variation des Prozessparameters Schmelzetemperatur vor. Eine Erhöhung der Dichte von 160 °C auf 180 °C ergibt eine Dichtereduktion von 0,417 g/cm3 auf 0,347 g/cm3 bei gleichzeitiger deutlicher Erhöhung der Zellgröße von 0,010 cm2 auf 0,038 cm2 . Eine mögliche Erklärung für die größeren Zellflächen ist, dass die Erhöhung der Temperatur einerseits zu einer längeren Schaumwachstumsphase und andererseits durch die Viskositätserniedrigung zu einer geringeren Schmelzestabilität führt, welche das Wachstum der Blasen unterstützt, sodass die Temperaturerhöhung zu der Ausbildung größeren Zellflächen führt.

Die Korrelation der Foliendichte mit der Zellfläche zeigt, dass ein Kompromiss zwischen Materialeinsparung durch Dichtereduktion und geringer Zellgröße eingegangen werden muss.

Resultierende Schaumstruktur bei Variation der Schmelzetemperatur.
Resultierende Schaumstruktur bei Variation der Schmelzetemperatur. (Bild: IKV)

Hohe Materialeinsparung durch geschäumte Folie erreichbar

In einem weiteren Schritt der Untersuchung wurde ein Vergleich zwischen konventionell hergestellten und geschäumten Dreischichtfolien vorgenommen, um die Rohstoffeinsparung und den wirtschaftlichen Vorteil geschäumter Folien zu ermitteln. Für diese Bestimmung wurde neben der Dichte auch die Zugfestigkeit im Zugversuch sowie die Wärmeleitfähigkeit mittels „Parallel-Plate“-Technik gemessen.

Ein Vergleich der Dichten der geschäumten und ungeschäumten Folie zeigt das Potenzial einer Materialeinsparung in Höhe von 62 %. Aufgrund der eingebrachten Schaumstruktur verringert sich die Zugfestigkeit der Folie. Hierbei ergibt sich jedoch kein proportionaler Zusammenhang zwischen Dichte- beziehungsweise Materialeinsparung und Abnahme der Festigkeit, sodass eine höhere Zugfestigkeit bei gleichem Materialeinsatz erreicht werden kann.

Eine konventionelle kompakte Folie erzielt eine massenspezifische Zugfestigkeit von 4,1 N/g und liegt somit unter der massenspezifischen Zugfestigkeit zur geschäumten Folie (5,1 N/g). Ebenfalls konnte eine Erweiterung der Funktionalität der thermischen Isolation erreicht werden. Hier weist die geschäumte Folie eine fünffach geringere Wärmeleitfähigkeit mit 0,05 W/m*K im Vergleich zur ungeschäumten Variante mit 0,25 W/m*K auf.

Fazit & Ausblick

Durch das Schäumen mehrschichtiger Blasfolie besteht die Möglichkeit, eine deutliche Materialeinsparung zu erreichen. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass durch Variation der Prozessparameter die Schaumstruktur gezielt beeinflusst werden kann. Damit kann die Materialmenge reduziert und so die Kosten gesenkt sowie die Ökobilanz der Folie verbessert werden.

Der auftretenden Reduzierung der Festigkeit kann durch den Aufschäumgrad, das Massenverhältnis und die Schaumstruktur entgegengewirkt werden. Zukünftige Forschungen sollten sich mit dem Einfluss der angesprochenen Materialeigenschaften auf die Schaumstruktur sowie resultierenden Folieneigenschaften näher befassen. Ferner könnte der Einsatz von Rezyklat in geschäumter Mehrschichtblasfolie die Nachhaltigkeit weiter verbessern.

Grafik: Vergleich zwischen geschäumter und ungeschäumter Blasfolie.
Vergleich zwischen geschäumter und ungeschäumter Blasfolie. (Bild: IKV)

Dank

Das IGF-Forschungsvorhaben 21185 N der Forschungsvereinigung Kunststoffverarbeitung wurde über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Neben diesen Institutionen danken die Autoren auch den Firmen Sabic Europe, Avient Colorants Germany, A. Schulmann und Prominent Deutschland für die Bereitstellung der Versuchsmaterialien und Anlagentechnik.


Literatur

[HK18] Hopmann, Ch.; Kraus, L.: Entwicklung eines Herstellverfahrens für physikalisch geschäumte Mehrschicht-Blasfolien, Plastverarbeiter 69 (2018) 5
[HS22] Hopmann, CH.; Stieglitz, M.: Influence of die design on foam structure of foamed multilayer blown films. 32th International Colloquium Plastics Technology. Düren: Shaker Verlag 2022
[LP14] Lee, S.T., Park, C. B.: Foam Extrusion – Principles and Practice Second Edition, Boca Raton: CRC Press, 2014
[NN16] N. N.: Produktion, Verarbeitung und Verwertung von Kunststoffen in Deutschland 2015. Firmenschrift, Consultic Marketing und Industrieberatung GmbH, 2016
[NN22] N. N.: Individuelle Dosiersysteme für Extrusionsprozesse Heidelberg, Pro Minent Deutschland GmbH, 2022
[Toe18] Toensmeier, P.: Flexible Alternatives. Plastics Engineering 75 (2018) 6, S. 34-39

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