Flachfolienherstellung
– ist ein weit verbreitetes Verfahren zur Herstellung von biobasierten oder kompostierbaren Kunststofffolien, die mittlerweile zu unserem Alltag gehören.
Einkaufstüten mit Biobased- oder Keimling-Zeichen werden von nahezu jeder großen Supermarkt- oder Drogeriekette angeboten. Ein weiteres Beispiel stellt knisternde „Blumenfolie“ dar, welche aus transparenten Biokunststoffen hergestellt wird. Nicht zuletzt ist die kompostierbare Mulchfolie zu nennen, die zwischen zwei Vegetationsperioden unterpflügt im Boden zumeist vollständig abgebaut wird.
Eine aktuelle Analyse des Biokunststoffmarktes zeigt eine große Vielfalt an Biokunststoffen auf, die speziell für Folienanwendungen entwickelt und mit der Standard-Anlagentechnik verarbeitbar sind. Zu erkennen ist aber auch die Tendenz, über die o. g. einfachen Produktanwendungen hinaus, in Marktsegmente anspruchsvoller Produkte vorzudringen, welche aktuell durch petrochemische Standardkunststoffe besetzt werden. Hierzu gehören z. B. thermogeformte Verpackungen für Molkerei und Fleischprodukte. Aus materialtechnischer Sicht sind oft die Eigenschaftsdefizite wie unzureichende Barriereeigenschaften oder zu niedrige Durchstoß- und Weiterreißfestigkeit von Biokunststoffen für eine eingeschränkte Marktdurchdringung im höherwertigen Verpackungssegment verantwortlich. Eine wirksame Abhilfe kann hier durch mehrschichtigen Folienaufbau geschaffen werden, bei dem positive Eigenschaften unterschiedlicher Biokunststoffe miteinander kombiniert sind.
In der Folienbranche ist die Herstellung von Mehrschichtfolien mit 3, 5, 7 und in Einzelfällen sogar 9 Schichten Stand der Technik. Die Gründe dafür sind potentielle Kosteneinsparrungen, die durch die Kombination von günstigen und kostenintensiven Kunststoffen oder durch den Einsatz von Regranulaten erzielt werden können sowie die signifikante Verbesserung der Gas-, Dampf-, Aromabarriere und die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Durch einen mehrschichtigen Aufbau können zudem die Optik, Haptik, Siegelfähigkeit oder Bedruckbarkeit gezielt eingestellt werden.
Damit dem potentiellen Anwender ein möglichst breites Spektrum an verfahrenstechnischen Informationen in Bezug auf Ein- und Mehrschichtfolienextrusion von Biokunststoffen zugänglich gemacht werden kann, wurden im Rahmen des Projektes marktrelevante Biokunststoffe analytisch sowie verfahrensspezifisch umfassend untersucht. Der Fokus lag auf biobasierten Kunststoffen wie PLA, Bio-PA 11 oder Bio-PE. Aber auch kompostierbare Copolyester wie PBS, PBAT oder PBSeT, die eine petrochemische Rohstoffbasis nutzen und dennoch zu den Biokunststoffen zählen sowie biologisch abbaubare Additive und Bindemittel auf Polyvinylacetat-Basis (PVAc) wurden charakterisiert. Nicht zuletzt wurde die Veränderung der Eigenschaften von Biokunststoffen durch das Blenden mit anderen Biokunststoffen sowie Additiven untersucht. Als ein repräsentatives Beispiel ist das PLA-PVAcBlend hervorzuheben. Eine relativ geringe Zugabemenge von 10 Gew.-% PVAc bewirkt im PLA einen signifikanten Anstieg der Bruchdehnung bei moderater Absenkung der Zug festigkeit. Auch bei der Energieaufnahme durch schlagartige Belastung und bei Weiterreißfestigkeit sind positive Veränderungen zu verzeichnen. Bei einem Mischungsverhältnis von 7 Anteilen PLA zu 3 Anteilen PVAc entsteht ein zum HDPE konkurrenzfähiges und zu 70 % biobasiertes Produkt.
Die Untersuchungen zeigen, dass der Einsatzbereich von Biokunststoffen durch die Mehrschichttechnik beträchtlich erweitert werden kann. Die Kombinationsfähigkeit unterschiedlicher biobasierter Copolyester mit interessanten mechanischen Eigenschaften zu einem 3-Schichtverbund, der ohne den Einsatz von Haftvermittlerschichten auskommt, bietet dank der resultierenden Festigkeiten Potenzial zur Dickenreduzierung und somit zur Produktkostenminimierung. Dabei fungiert PBS aufgrund seiner PE-ähnlichen Haptik und einer guten Bedruckbarkeit als Außenschicht. Die Innenschicht bietet die Möglichkeit, aus weicherem und flexibel eingestelltem PBAT/PLA für Anwendungen, in denen heute LDPE zum Einsatz kommt, oder aus härterem und nicht sehr dehnfähigen PBAT/PLA-Typen für HDPE-Anwendungen hergestellt zu werden. Dadurch steigt die Bruchdehnung signifikant und das Durchstoßverhalten des Verbundes kann erheblich (Faktor 7–10) verbessert werden. Im Vergleich zu PE-Folien wird die hohe Sauerstoffdurchlässigkeit deutlich reduziert. Aufgrund der gleichen Polarität der beteiligten Kunststoffe wird auch ohne Haftvermittler eine hervorragende Haftfestigkeit zwischen den einzelnen Schichten erreicht. Durch diese Kombination können teure konventionelle 5-Schicht-Folien, bestehend aus 3 Schichten Polymer (z. B. Außenschicht aus PE, Innenschicht aus PA) und 2 Schichten Haftvermittler (z. B. EVA) substituiert werden, wenn die beschriebenen Festigkeiten durch eine PA-Innenschicht in Verbindung mit PE-Außenschichten mit konventionellen Rohstoffen erreicht werden sollen. Zusätzlich können die höheren Materialkosten für Biokunststoffe durch den Wegfall der Aufwendungen für Haftvermittler und eine effiziente Produktion kompensiert werden.
Ein weiterer untersuchter Aspekt ist der Wiedereinsatz von aufbereiteten Biokunststoff-Produktionsabfällen. Auch hier konnte gezeigt werden, dass sämtliche Biokunststoff-Regenerate in produktionsüblichen Mengen bis 10 Gew.-% dem neuen Material beigemengt werden können, ohne negative Auswirkungen auf die Qualität oder die mechanischen Eigenschaften des Folienhalbzeugs zu verzeichnen
Zusammenfassung
Die durchgeführten Untersuchungen bestätigen, dass die Verarbeitung von Biokunststoffen zu Flachfolien und deren Leistungsspektrum durch Zugabe von Additiven in signifikantem Maße gesteigert werden können. Besonders effektiv ist bei PLA das Bindemittel auf Polyvinylacetat-Basis. Sowohl bei Ein- als auch Mehrschichtfolienextrusion kann ein deutlich duktileres Materialverhalten erzielt werden, ohne dabei die Steifigkeit des Materials maßgeblich herabzusetzen. Bei Mehrschiflachfolienextrusion existieren bei polaren Bio-Polyestern und dessen Blends zahlreiche sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten. Besonders ist hier die (PLA-PVAc)/(PLA-PBAT)-Kombination hervorzzuheben. Die mechanischen Eigenschaften, insbesondere Durchstoßfestigkeit und Bruchdehnung, sind um den Faktor 7 bis 10 höher, als bei einschichtigen Folien vergleichbarer Foliendicke. Der Wegfall von Haftvermittlerschichten ergibt zudem ein enormes Einsparpotential.
Schauen Sie sich die Versuchsergebnisse direkt in der Datenbank an.
Zu den Ergebnissen