Projekt 33771/01

Entwicklung eines neuen energie- und ressourceneffizienten Polymerblend-Werkstoffs für Thermoformfolien

Projektträger

CONSTAB Polyolefin Additives GmbH
Industriestr. Möhnetal
59602 Rüthen
Telefon: +49 2952819125

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Vorhabens ist es, einen Werkstoff auf Basis Polypropylen (PP) für das Thermoformverfahren zu
entwickeln, der aufgrund seines gegegenüber Standard-PP einen verringerten Werkstoff- und Energieeinsatz
ermöglicht. Hier lagen aufgrund von Vorversuchen die Vorgabe zur Materialeinsparung bei 40 %,
zur Energieeinsparung bei 25 %. Dies soll durch Zugabe verschiedener Vertereter der Kohlenwasserstoffharze
erreicht werden, die bereits in ähnlichen Anwendungen (Dünnfolien < 100 ?m) zur Verbesserung
des Eigenschaftsspektrums entsprechender Folien führen. Ebenfalls wurden die eingesetzten Additive
auf ihr Eignung im biobasierten und bioabbaubaren Kunstostoff PLA getestet.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Vorhaben wurde zunächst ein Screening in Kooperation beider Projektpartner durchgeführt, um die
beste Materialkombination im Hinblick auf Energieeinsparpotential (DSC), Materialeinsparung (Mechanische
Charakterisierung) und Lebensmittelkontakteigenschaften (Migration, Barriere) zu entwickeln. Hierzu
wurden Compounds aus den Werkstoffen bei CONSTAB hergestellt, die anschließend beim IKT
Stuttgart zu Folien verarbeitet wurden. An diesen Folien wurde die Thermoformbarkeit, Optik, das Aufschmelzverhalten,
die Migrations – und Barriereeigenschaften sowie das Stauchdruckverhalten an geformten
Bechern untersucht. Während der Versuche konnte sich besonders ein Werkstoff durch seine
Migrationsbeständigkeit herauskristallisieren, welcher am Ende zu einem Upscale auf einen industriellen
Thermoformprozess verwendet wurde. Hierzu wurden bei einem bekannten Extrudeur Folien mit dem
entspechend bei CONSTAB hergestellten Compound produziert, die im Anschluss an einer Thermoform-
Produktionsanlage zu Bechern tiefgezogen wurden.


Ergebnisse und Diskussion

In diesem Vorhaben konnte die Eignung von Kohlenwasserstoffharzen in Thermoformanwendung bewiesen
werden. Es wurde ein Screening verschiedener Kohlenwasserstoffharze mit Co-Additiven aus dem
Bereich der Nukleierungsmittel und und cyclischen Olefin-Copolymeren durchgeführt. Hierbei konnte im
Labormaßstab eine Reduktion der Folienstärke von 30 % bei gleichbleibenden oder besseren Stauchdruckverhalten
realisiert werden.
Die Folien wurden weiterhin Barriere- und Migrationsmessungen unterzogen. Hier überzeugte die Folie
aus dem Compound M2 damit, äußerst migrationsstabil und daher für alle Lebensmittelkontaktarten geeignet
zu sein. Gleichzeitig erfolgte eine Reduktion der Wasserdampfpermeation um 50 % und eine Reduktion
der Sauerstoffpermeation um 40 %.
In einem Upscale auf einen industriellen Prozess konnten die positiven Ergebnisse aus dem Labormaßstab
von M2 bestätigt werden. Gegenüber einem Referenzbecher aus einer Folienstärke von 1,2 mm
konnte ein Becher aus 0,9 mm M2 gefertigt werden, welcher abhängig von der Vordehnstempelgeometrie
die gleichen mechanischen Eigenschaften aufweist. Dies entspricht einer Materialeinsparung von 25 %.
Gleichzeitig konnte im Prozess durch die geringere Foliendicke die Zykluszeit und Heizleistung um bis zu
15 % verringert werden.
Vergleicht man die im industriellen Maßstab erreichten Ergebnisse mit der ursprünglichen Zielsetzung,
konnte eine deutliche Reduktion des Materialeinsatzes sowie des Energieverbrauchs beim Thermoformprozess
erreicht werden, allerdings nicht in vollem Umfang. Als Gründe hierfür sind anzufügen, dass eine
vollkommene Additivierung des gesamten Folienaufbaus nicht möglich war, da es bei der industriellen
Folienherstellung zu einem Kleben des Materials an der Kühlwalze kam, wodurch Oberflächendefekte an
der Folie eingebracht wurden. Ein Wechsel auf einen 3-Schicht Folienaufbau mit möglichst geringer Außenschichtdicke
(2 x 5 %) konnte diesem Problem aber entgegenwirken. Das fehlende Additiv durch eine
noch höhere Dosierung in der Kernschicht auszugleichen führte aufgrund der niedrigen Viskosität des
Materials zu rheologischen Problemen im Extruder und an der Grenzfläche zwischen Kern- und Außenschichten.
Weiterhin war ein Transfer der positiven Ergebnisse aus dem Bereich PP auf den Biokunststoff PLA aufgrund
unterschiedlicher Polarität der Blendpartner nicht möglich. Deshalb konnte im Projekt keine Energie
und/oder Materialeinsparung in disem Bereich erzielt werden.


Fazit

Es wurde gemäß den Zielvorgaben ein Masterbatch entwickelt, welches es ermöglicht, bis zu 25 %
Kunststoff im industriellen Thermoformprozess einzusparen. Gleichzeitig wird die benötigte Wärmemenge
zum Aufheizen des Materials auf Umformtemperatur um bis zu 15 % reduziert. Auch wenn die Ziele
nicht zu 100 % erreicht wurden, ist das Projekt aus unserer Sicht als erfolgreich abgeschlossen zu bewerten,
da ein signifikanter Beitrag zur Ressourcenschonung durch Anwendung von CON-Batch 30X zu
erwarten ist. Eine Übertragung auf biobasierte Polyolefine ist aufgrund vorhandener Kompatibilität möglich
und sollte Gegenstand einer weiteren Untersuchung sein.