DE19544858A1 - Verfahren zum Herstellen einer thermogeformten Verpackung - Google Patents
Verfahren zum Herstellen einer thermogeformten VerpackungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer
thermogeformten Verpackung, insbesondere napfförmiger
Behältnisse, wie Schale, Becher, Schüssel, auf Basis einer
Schaumfolie aus einem Polymer, enthaltend Propylen,
insbesondere HMS-Polypropylen, welches mit einem
physikalischen Treibmittel und einem Nukleierungsmittel zu
einem schäumfähigen Polymer vermischt wird und das
schaumfähige Polymer und ggf. weiteren Additiven in einem
Extruder mit einer Einzugs- und Plastifizierzone, Mischzone
und Kühlzone und mit einer ringförmigen Austrittsdüse erwärmt
und zu einer Polymerschmelze aufgeschmolzen und der
Polymerschmelze das Treibmittel unter Druck zugegeben wird und
diese begaste Polymerschmelze auf eine zum Aufschäumen
geeignete Temperatur gekühlt und dann aus der ringförmigen
Austrittsdüse unter Aufschäumen zu einer schlauchförmigen
Schaumfolie austritt und nachfolgend innenseitig und
außenseitig gekühlt wird und anschließend in Längsrichtung zur
Bildung einer flachen Folie aufgeschnitten und abgezogen und
die Schaumfolie nachfolgend einer Thermoformung wie Tiefziehen
oder Vakuumverformung unterworfen wird.
Aus der EP 0 570 221 A2 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zum
Herstellen einer thermoformbaren Schaumfolie aus Polypropylen,
enthaltend auch HMS-Polypropylen, bekannt, bei dem mittels
eines Tandem-Extruders, das Polymer, ein physikalisches
Treibmittel und ein Nukleierungsmittel zu einem schäumfähigen
Polymer aufgeschmolzen und vermischt werden, wobei der
Polymerschmelze das Treibmittel, vorzugsweise Kohlendioxid,
unter hohem Druck mittels einer - 5000 pounds = 2250 kg -
Hochdruckpumpe und einer zusätzlichen Pumpe zur
Volumendosierung zugegeben wird. Aus der nach der
EP 0570 221 A2 hergestellten Polypropylenschaumfolie können
Verpackungsschalen mittels Vakuumformen hergestellt werden,
wobei jedoch nach Erwärmung der Schaumfolie beim Durchlaufen
eines Heizofens bis kurz unterhalb des Erweichungspunktes des
Polypropylens relativ lange Formungszeiten von mindestens 10
bis 20 sec. erforderlich sind, auch bei geringer Dicke der
Schaumfolie von 2 mm, um eine gut ausgeformte Schale mit
glatter Oberfläche zu erhalten.
Des weiteren ist der Einsatz von zwei Extrudern in
Tandemanordnung zum Herstellen der Polypropylen-Schaumfolie
nach der EP 05 70 221 A2 sowie das Einbringen des Treibmittels,
um genügend kleine Zellen zu erhalten unter hohem Druck von
100 bar und mehr mittels Hochdruckpumpen, die eine Leistung
von mehr als 300 bar (5000 pounds of pressure) aufweisen,
aufwendig und kostenintensiv.
Das Laminieren der nach der EP 0570 221 A2 hergestellten
Polypropylen-Schaumfolien mit einem Laminat und die
Verarbeitung zu Schalen ist aus der EP 0570 222 A1 bekannt.
Hierbei kann das Laminat aus einer Oberflächenschicht aus
Polyethylen, einer gas- und flüssigkeitsdichten Schicht aus
einem Ethylenvinylalkohol und einer Verbindungsschicht aus
einem Ethylenmethacrylat bestehen und unter Einwirkung von
Druck und Wärme auf die Schaumfolie aufgebracht werden.
Bedingt durch das Herstellungsverfahren der Schaumfolie weist
diese relativ große Zelldurchmesser größer 0,3 mm bis 1,6 mm
und mehr auf, und eine zu unebene Oberfläche auf, die ein
direktes Bedrucken nicht gestatten. Auf Grund der großen
Zelldurchmesser ist überdies die Bruchfestigkeit einer
derartigen Verpackung unbefriedigend, und wird durch
beidseitiges Aufbringen von Beschichtungen durch Laminieren
verbessert, wodurch jedoch der Herstellungsaufwand und die
Kosten steigen.
Die EP 0 520 028 B1 beschreibt die Herstellung einer
geschäumten Folie aus ausgewählten HMS-Polypropylenen
ebenfalls unter Verwendung von zwei Extrudern in
Tandemanordnung. Zur Erzielung bestimmter Funktionen der
erhaltenen Schaumfolie, wie etwa Gasdichtigkeit o. ä., kann die
geschäumte Folie mit einer oder mehreren Funktionsschichten
beschichtet werden, wobei dieses sowohl durch Coextrusion als
auch durch Laminieren der geschäumten Folie nach deren
Herstellung mit einer separat zugeführten Funktionsschicht
erfolgen kann. Auch dieses Verfahren weist die dem aus der
EP 05 70 221 A2 bekannten Nachteile auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen von
thermoformbaren Verpackungsmaterialien auf der Basis von
physikalisch geschäumten Folien aus einem Polymer, enthaltend
Propylen, zu schaffen, die eine besonders gleichmäßige und
feinzellige Schäumstruktur aufweisen und sich daher besonders
für die Weiterverarbeitung durch Thermoformen, wie Tiefziehen,
Vakuumformen eignen. Das Verfahren zum Herstellen der
Schaumfolie soll kostengünstiger werden, insbesondere auch in
dem Aufbau vereinfacht und eine erhöhte Leistung als bisher
möglich soll erreicht werden, um die Herstellung derartiger
geschäumter Folien wirtschaftlicher zu machen. Die aus dem
Verpackungsmaterial durch Tiefziehen oder Vakuumformen
herstellbaren Verpackungen sollen gleichmäßige Zellgrößen bei
einem kleinen durchschnittlichen Zelldurchmesser und eine
möglichst glatte Oberfläche aufweisen, die bereits ein
direktes Bedrucken der Oberfläche ermöglichen. Weiterhin
sollen diese Verpackungen eine hohe Bruchfestigkeit aufweisen,
die idealerweise der von Papierverpackungen, welche sich, ohne
zu brechen, zusammendrücken lassen, vergleichbar sein soll.
Deshalb ist der Einsatz hochfester, jedoch preiswerter
thermoplastischer Kunststoffe, die auch als Massenkunststoffe
bezeichnet werden, wie Polypropylen, wünschenswert. Hierbei
ist jedoch das Problem zu überwinden, daß Kunststoffe höherer
Festigkeit wie Polypropylen sich in der Regel schwer schäumen
und verarbeiten lassen. Mit der Entwicklung von Polypropylen
hoher Schmelzestabilität - als High-Melt-Strength (HMS)
Polypropylen bezeichnet - wurden besser extrudierbare,
schäumbare und tiefziehbare und thermoverformbare
Polypropylene geschaffen, wozu auf die Veröffentlichung von
E.M. Phillips, K.E. McHugh, K. Ogale und M.B. Bradley
"Polypropylen mit hoher Schmelzestabilität" in Zeitschrift
Kunststoffe 82 (1992), 8 Seiten 671-676 hingewiesen wird.
Auch die vorliegende Erfindung setzt bevorzugt HMS-Poly
propylen zur Lösung der gestellten Aufgaben gemäß einem
gattungsgemäßen Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruchs 1 ein.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den
Unteransprüchen entnehmbar.
Ein erfindungsgemäßes Produkt zeichnet sich durch die Merkmale
des Anspruches 21 aus.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung von
Schaumfolien aus einem Polymer, enthaltend insbesondere
HMS-Polypropylen, vorgeschlagen, bei dem das Aufschmelzen des
Polymers, Mischen der Polymerschmelze mit dem physikalischen
Treibmittel und Kühlen der so erhaltenen begasten
schäumfähigen Polymerschmelze in einem Doppelschneckenextruder
einer Länge von 30 bis 42 D (D=Schneckendurchmesser) mit
gleichen und gleichsinnig rotierenden parallelen Schnecken
durchgeführt wird und das physikalische Treibmittel mit einem
Druck kleiner 20 bar am Ende der etwa 10 bis 15 D langen
Einzugs- und Plastifizierzone des Doppelschneckenextruders in
das aufgeschmolzene (plastifizierte) Polymer geleitet wird und
die begaste Polymerschmelze in der sich an die Einzugs- und
Plastifizierzone anschließenden Mischzone mit einer 3 bis 6 D
entsprechenden Länge zu einer schäumfähigen Polymerschmelze
homogenisiert wird, und bei einer Temperatur von 170°C bis
195°C aus der Austrittsdüse austritt und die aufschäumende
schlauchförmige Schaumfolie auf den ein- bis dreifachen
Durchmesser der Austrittsdüse aufgeblasen und abgezogen wird
und dabei bis zum Vierfachen in Längserstreckung
(Abzugsrichtung) gereckt wird und die schlauchförmige
Schaumfolie auf eine Temperatur von 130°C bis 160°C,
vorzugsweise 135°C bis 155°C, abgekühlt wird und in diesem
Zustand zu einer oder zwei Folienbahnen aufgeschnitten und
flach gelegt wird, und aus der erhaltenen Schaumfolie einer
Dichte unter 0,4 g/cm³ und Dicke von 0,8 bis 5 mm unter
Wiedererwärmung bis nahe an den Erweichungspunkt, d. h. kurz
unterhalb des Erweichungspunktes des Polymers die gewünschte
Verpackung geformt und ausgetrennt wird.
Die Erfindung lehrt, daß bei Einsatz eines
Doppelschneckenextruders mit gleichen und gleichsinnig
rotierenden parallelen Schnecken ein Begasen mit Treibmittel
bei relativ geringen Drücken möglich wird. Überraschend wird
eine Schaumfolie mit gleichmäßiger und feinzelliger Struktur
erhalten, die bereits eine gute glatte und ebene
Oberflächenqualität aufweist, die der Schaumfolie einen
angenehmen Griff verleiht und auch ein direktes Bedrucken
dieser Oberfläche nach den bekannten Verfahren zuläßt. Die
erfindungsgemäße geschäumte Polypropylenfolie zeichnet sich
durch Steifigkeit, Griffigkeit, Knautschbarkeit,
Bruchsicherheit aus und diese Eigenschaften sind mit geringer
Dichte und Dicke der Folie realisierbar. Insbesondere sind aus
der nach erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schaumfolie
durch Thermoverformung hergestellte Verpackungen, wie Becher,
Schalen, Schüssel, zusammendrückbar und knautschbar, ohne zu
brechen. Dies bedeutet einerseits hohe Transportsicherheit für
in solchen Verpackungen abgefüllte Güter, wie zum Beispiel
Lebensmittel und andererseits geringen Raumbedarf bei der
Entsorgung.
Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Verpackungsmaterials
wird mit relativ niedrigen Drucken in der Mischzone des
Doppelschneckenextruders, in die das physikalische Treibmittel
eingeleitet wird, gearbeitet, nämlich mit einem Druck unter 20
bar, so daß das Treibmittel mit niedrigem Druck unter 20 bar,
vorzugsweise unter 15 bis zu 3 bar eingeleitet wird und auch
die Fördereinrichtung zum Zuführen des physikalischen
Treibmittels beim erfindungsgemäßen Verfahren nur diesen
geringen Druck aufbringen muß. Auf teure und
verschleißanfällige Hochdruckpumpanlagen für die ansonsten
üblichen Drücke weit über 100 bar kann somit beim
erfindungsgemäßen Verfahren verzichtet werden.
Überraschend zeigt es sich, daß trotz des Einmischens des
Treibmittels in die Mischzone bei relativ niedrigem Druck eine
gute Homogenisierung erfolgt und Folien mit einer
ausgezeichneten Aufschäumung und Feinzelligkeit mit einer
ebenen Oberfläche erhalten werden. Erfindungsgemäß wird dies
durch die besonders intensive Mischung von Polymer,
Nukleierungsmittel und physikalischem Treibmittel infolge der
Homogenisierung und Einmischung des Treibmittels mit
gleichsinnig rotierenden Doppelschnecken erreicht.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der
Doppelschneckenextruder mit einer solchen Menge an Polymer
gespeist, daß dieser unterfüttert betrieben wird. Dabei wird
die Vermischung des Polymers mit dem Nukleierungsmittel und
dem physikalischen Treibmittel intensiviert und somit eine
noch verbesserte Schaumqualität erzielt.
Für das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung können
Doppelschneckenextruder mit Schneckendurchmessern von 40 bis
130 mm bevorzugt 65 bis 125 mm eingesetzt werden, es sind aber
auch größere bzw. kleinere Schneckendurchmesser verwendbar.
Die Einzugs- und Plastifizierzone wird in einer etwa 10 bis 15
D (D = Schneckendurchmesser des Extruders) entsprechenden Länge
ausgeführt, um ein vollständiges Schmelzen des mit dem
Nukleierungsmittel versehenen Polymers zu gewährleisten. Das
erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht durch die besonders
intensiven Mischungsvorgänge im Doppelschneckenextruder, die
spezielle Mischzone, in der das physikalische Treibmittel in
die Polymerschmelze eingeleitet wird, sehr kurz, nämlich etwa
3 bis 6 D auszuführen und dennoch die besonders feinzellige
Struktur und gute Oberflächenqualität der geschäumten Folie zu
erhalten. An diese Mischzone schließt sich bei einer
Gesamtlänge von etwa 30 bis 42 D des Doppelschneckenextruders
ein genügend langer Abschnitt, ausgebildet als Kühlzone, an,
um die schäumfähige Polymerschmelze beim Homogenisieren auf
eine für das Aufschäumen beim Austritt aus dem Extruder bzw.
der Düse geeignete Temperatur zu temperieren.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird
das Polymer in der Einzugs- und Plastifizierzone auf
Temperaturen von 190 bis 220°C erwärmt, wobei es
plastifiziert wird und nachfolgend das physikalische
Treibmittel am Ende dieser Einzugs- und Plastifizierzone in
der Mischzone in die Polymerschmelze zur Bildung eines
schäumfähigen Polymers eingeleitet wird. Die so begaste
Polymerschmelze wird nachfolgend in der Mischzone und Kühlzone
gut durchgemischt, wobei sie beim Durchlaufen der Kühlzone bis
zu ihrem Austritt aus der Düse auf einem Temperaturniveau
gehalten wird, das eine Austrittstemperatur aus der Düse von
etwa 175 bis 195°C ermöglicht.
Besonders gute Ergebnisse bei der Herstellung von geschäumten
Folien nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden erzielt,
wenn als Polymer ein Polypropylen mit hoher
Schmelzefestigkeit, als HMS-Polypropylen bezeichnet, verwendet
wird, welches einen MFI (230°C; 2,16 kp) von 3 bis 7 g/10 min
und eine Zugfestigkeit von 30 bis 40 N/mm² aufweist. Ein
derartiges HMS-Polypropylen ist beispielsweise von der Firma
Himont unter der Bezeichnung Himont PF 814 im Handel
erhältlich und beispielsweise in den US-PS 4,916,198,
US-PS 5,047,446 und 5,047,485 beschrieben. Ein derartiges
HMS-Polypropylen kann allein oder in Abmischung mit weiteren
Polyolefinen für die Herstellung geschäumter Folien gemäß der
Erfindung verwendet werden.
Während herkömmliche Polypropylene einen engen Schmelzbereich
- auch Verarbeitungsfenster genannt - aufweisen und wegen der
daraus erforderlichen aufwendigen Regelung lediglich sehr
schwer zu verarbeiten sind, ermöglichen HMS-Polypropylene auf
Grund ihrer erhöhten Schmelzefestigkeit und ihres erheblich
vergrößerten Verarbeitungsfensters das Herstellen von
PP-Schaumfolien als Blasfolie und das Thermoverformen solcher
Schaumfolien. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine
wirtschaftliche Verarbeitung solcher HMS-Polypropylene,
insbesondere für die Herstellung von steifen, selbsttragenden
Schaumfolien, die thermoverformbar sind und aus denen leichte
steife, jedoch bruchsichere und knautschbare Verpackungen
herstellbar sind, die auch mikrowellenfest sind.
Vorteilhaft werden dem Polymer bereits bei der Zuführung zum
erfindungsgemäßen Doppelschneckenextruder Nukleierungsmittel
beigegeben, um das spätere Aufschäumen zu erleichtern.
Derartige Nukleierungsmittel können anorganische
Nukleierungsmittel wie Talkum, Kieselsäure, Kaolin und/oder
Carbonate und Sulfate, bevorzugt von Erdalkalimetallen, wie
Natriumbicarbonat, Metalloxide, wie Titandioxid,
Antimontrioxid und/oder organische Verbindungen, wie
Zitronensäure sein. Es werden beispielsweise handelsübliche
Mischungen von Natriumbicarbonat und Zitronensäure eingesetzt.
Als physikalische Treibmittel können insbesondere (Iso)Pentan,
(Iso)Butan, Kohlendioxid und/oder Stickstoff eingesetzt
werden, wobei es auch möglich ist, Mischungen derselben zu
verwenden. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene
geschäumte Folie kann in ihren Eigenschaften, wie
Feinzelligkeit, Dichte, Dicke etc. durch den Einsatz von
mehreren, insbesondere zwei verschiedenen Treibmitteln
beeinflußt werden. Vorteilhaft werden diese der
Polymerschmelze getrennt und unmittelbar nacheinander am Ende
der Einzugs- und Plastifizierzone des erfindungsgemäßen
Doppelschneckenextruders zugeführt. Es ist bevorzugt, das
Treibmittel bei möglichst geringem Druck zuzumischen,
bevorzugt sind hierbei Drücke unter 12 bar.
Es wurde gefunden, daß bei Einsatz von (Iso)Butan als einzigem
Treibmittel ein sehr feinzelliger gleichmäßiger Schaum
geringer Dichte unter 0,4 g/cm³, vorzugsweise unter 0,32 g/cm³
auch mit einem hohen Aufblasverhältnis bis zum Dreifachen
erhalten werden kann.
Bei Einsatz von (Iso)Pentan wird insbesondere ein sehr
feinzelliger Schaumstoff höherer Dichten über 0,3 g/cm³ bei
geringem Aufblasverhältnis oder bevorzugt ohne Aufblasen der
extrudierten Folien erhalten.
Bei Einsatz von 100% Kohlendioxid als Treibmittel wird ein
gleichmäßiger feinzelliger Schaumstoff erhalten, dessen feine
Zellen jedoch größer im Mittel sind als die bei Einsatz von
Pentan oder Butan.
Der Einsatz von Kohlendioxid als Treibmittel hat insbesondere
fertigungstechnische Vorteile in bezug auf die Anlagentechnik,
da infolge der Unbrennbarkeit des Kohlendioxids die
Sicherheitsmaßnahmen im Betrieb, die für die leichtbrennbaren
Treibmittel Pentan und Butan erforderlich sind, entfallen
können. Dieses ist ein ganz wesentlicher wirtschaftlicher
Vorteil für die Fabrikationsanlagen.
Nach einem Vorschlag der Erfindung ist es bevorzugt, eine
Abmischung von Butan und Kohlendioxid als Treibmittel
einzusetzen. Bevorzugt werden hierbei mindestens 50% Butan
eingesetzt, wobei die Anteile an Kohlendioxid zwischen 50 bis
10 Gew.-% variieren. Mit solchen Mischungen werden sehr
feinzellige Schaumstoffe bei geringer Dichte mit einem großen
Aufblasverhältnis erhalten, die nicht kollabieren.
Zur Herstellung einer geschäumten Folie wird das schäumfähige
Polymer aus einer ringförmigen Düse extrudiert und der derart
gebildete schlauchförmige Schaumfolie wird nach dem Austreten
aus der Düse innen- und/oder außenseitig gekühlt. Diese
Kühlung kann beispielsweise durch Anblasen mittels Kühlluft
erfolgen. Auch ist es möglich, die schlauchförmige Schaumfolie
mittels entsprechender, an der Düse angebrachter Kühlringe
insbesondere innenseitig mittels Kontaktkühlung zu kühlen.
Weiterhin kann die aus der ringförmigen Düse aus tretende
geschäumte Folie längs- und querverstreckt werden, zum
Beispiel innenseitig mit Druckluft beaufschlagt werden, so daß
die geschäumte Folie von innen aufgeblasen wird und der
Durchmesser des Schlauchs vergrößert wird und der Schlauch
gereckt wird. Der derart verstreckte Schlauch wird nachfolgend
über einen Kühldorn geführt, der mittels Kontaktkühlung den
Schlauch weiter abkühlt und diesen in seinem Durchmesser
kalibriert. Der Kühldorn wird vorzugsweise von einem
Temperiergerät mittels den Kühldorn durchströmenden Wassers
auf einer geeigneten Temperatur gehalten. Das mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren erreichbare Aufblasverhältnis,
d. h. das Verhältnis vom Durchmesser der Austrittsöffnung des
Schlauchs aus der ringförmigen Düse zum Kühldorndurchmesser
beträgt etwa 1 : 1 bis 1 : 3, vorzugsweise bis zu 1 : 2,2.
Nachdem die geschäumte schlauchförmige Folie über den Kühldorn
geführt worden ist, ist sie so weit abgekühlt, etwa auf
Temperaturen von 140 bis 160°C, daß sie zur Bildung einer
flachen Bahn entlang ihrer Längserstreckung kontinuierlich
aufgeschnitten werden kann. Auch ist es mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren möglich, den Schlauch an zwei,
vorzugsweise einander gegenüberliegenden Bereichen
aufzuschneiden, so daß zwei Bahnen gebildet werden. Das
Aufschneiden erfolgt noch in einem soweit erwärmten Zustand
der Schaumfolie, das ein nachfolgendes Flachlegen zu einer
ebenen Bahn ohne Wellen ermöglicht.
Die derart gebildeten Schaumfolienbahnen werden kontinuierlich
von einer Abzugseinrichtung abgezogen und können entweder
aufgewickelt oder inline einer Weiterverarbeitung, wie einer
Laminier- oder Tiefziehstation, zugeführt werden, wobei
gegebenenfalls eine geringe Wartezeit erforderlich sein kann,
um ein Entweichen von Restmengen an Treibmittel aus der
Schaumfolie zu ermöglichen. Insbesondere ist es mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren möglich, die Schaumfolie beim
Abziehen von der Düse und dem Kühldorn in Längserstreckung
(Abzugsrichtung) der Bahn um bis zum Vierfachen zu recken,
etwa durch eine in geeigneter Weise erhöhte
Abzugsgeschwindigkeit. Durch diese Reckung kann die Oberfläche
der geschäumten Folien weiter verbessert werden und
Faltenbildung vermieden werden. Insbesondere zeichnet sich die
erfindungsgemäß hergestellte geschäumte Polypropylenfolie
durch einen angenehmen körperfreundlichen Griff aus, d. h.
einen hohen Berührungskomfort durch Glätte und Weichheit.
Derartige geschäumte Folien nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren weisen vorteilhaft Dichten von etwa 0,2 bis 0,5 g/cm³,
vorzugsweise etwa 0,25 bis 0,4 g/cm³ auf, bestehen aus
überwiegend geschlossenen, feinen und gleichmäßigen Zellen mit
einem durchschnittlichen Zelldurchmesser von 0,05 bis 0,5 mm
und sind in Dicken von etwa 0,1 bis 10 mm herstellbar. Auf
Grund der eingesetzten HMS-Polypropylene erhält man steife,
selbsttragende geschäumte Folien, die gegenüber kompakten
Folien aus dem gleichen Material den Vorteil des geringeren
Flächengewichtes und einer erheblich besseren Wärmeisolation
aufweisen. Verpackungen aus dem erfindungsgemäßen Material
können sowohl mit heißen Lebensmitteln als auch mit eiskalten
Lebensmitteln gefüllt mit der bloßen Hand angefaßt werden.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte
geschäumte Folie eignet sich hervorragend zur
Weiterverarbeitung durch Thermoformen, so ist sie z. B. zum
Tiefziehen von Lebensmittelverpackungen, wie Fleischschalen,
Eisbechern, etc. geeignet. Die nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellte geschäumte Folie, auf Basis von
HMS-Polypropylen, kann unmittelbar mit geeigneten funktionalen
Schichten, etwa einer ein- oder mehrschichtigen kompakten,
d. h. ungeschäumten Folie, ein- oder beidseitig laminiert
werden. Eine derartige kompakte Folie kann dann beispielsweise
eine Ausrüstung, die gas- und flüssigkeitsdicht ist, etwa eine
EVOH-Schicht für Lebensmittelverpackungen aufweisen.
Vorteilhaft wird dazu vorgeschlagen, daß die gas- und
flüssigkeitsdichte Ausrüstung, enthaltend eine Schicht von
vorzugsweise Ethylenvinylacetat-Copolymeren oder
Ethylenvinylalkohol-Copolymeren, die einseitig mittels einer
haftvermittelnden Schicht mit einer vorzugsweise
heißsiegelfähigen Deckschicht, insbesondere aus Polyethylen
oder Polypropylen, und auf der anderen Seite über eine
haftvermittelnde Schicht mit einer Laminierschicht aus einem
kompakten Polypropylen verbunden ist, mit ihrer
Laminierschicht auf die aufgeschnittene und flachgelegte und
ggf. geglättete Folienbahn aufgelegt und mit dieser durch
Laminieren, gegebenenfalls unter Zufuhr von Wärme, verbunden
wird.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird
überdies vorgeschlagen, daß die begaste schäumfähige
Polymerschmelze innerhalb der ringförmigen Düse vor dem
Austritt aus der Düse mit mindestens einem kompakten Material
beschichtet wird. Auf diese Weise ist es möglich, auf ein
Laminieren der geschäumten Folienbahn nach deren Bildung zu
verzichten, wodurch ein Verfahrensschritt eingespart und das
Verfahren vereinfacht wird. Überdies ist es bei einer im
Innern der ringförmigen Düse erfolgenden Beschichtung möglich,
verschiedene Beschichtungsvarianten schnell umzustellen, da
keine speziell aufgebaute Laminierfolie bereitgestellt werden
muß.
Auch bei diesem Verfahren ist es möglich, daß eine gas- und
flüssigkeitsdichte Ausrüstung auf die Schaumfolie aufgebracht
wird. Dazu schlägt die Erfindung vor, daß die gas- und
flüssigkeitsdichte Ausrüstung, enthaltend eine Schicht von
vorzugsweise Ethylenvinylacetat-Copolymeren oder
Ethylenvinylalkohol-Copolymeren zusammen mit einer mittels
einer haftvermittelnden Schicht auf der einen Seite
aufgebrachten, vorzugsweise heißsiegelfähigen Deckschicht,
insbesondere aus Polyethylen oder Polypropylen, und einer
haftvermittelnden Schicht auf der anderen der Polymerschmelze
zugewandten Seite auf die schäumfähige Polymerschmelze
innerhalb der ringförmigen Düse koextrudiert wird.
Als haftvermittelnde Schicht eignet sich sowohl beim
Koextrudieren wie auch beim Laminieren insbesondere ein
Anhydrid modifiziertes Polypropylen in Verbindung zum
Polypropylen oder ein Anhydrid modifiziertes Polyethylen hoher
Dichte in Verbindung mit Polyethylen.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene heißsiegelfähige
Deckschicht ist es möglich, Verpackungen nach ihrem Befüllen
mit dem Verpackungsgut durch Heißsiegeln dauerhaft gas- und
flüssigkeitsdicht zu verschließen.
Eine dazu verwendete kompakte Siegelfolie besteht vorzugsweise
aus Polyolefinen, insbesondere aus Polypropylen oder
Polyethylen, die gegebenenfalls mit einer gas- und
flüssigkeitsdichten Barriereschicht verbunden ist, so daß eine
im wesentlichen sortenreine Verpackung gebildet wird, die
überdies wegen der hohen Temperaturfestigkeit des
Polypropylens uneingeschränkt mikrowellengeeignet ist.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
thermoformbaren Verpackungsmaterialien auf der Basis von
physikalisch geschäumten Folien besitzen bereits von sich aus
eine derart gute Oberflächenqualität, daß sie bei nicht zu
hohen Anforderungen direkt bedruckt werden können. Zur
Erzielung qualitativ höherwertiger Drucke kann die geschäumte
Folie auch mit einer dünnen kompakten Polypropylenschicht,
etwa durch Koextrusion, versehen werden, auf der der Druck
aufgebracht wird. Überraschend wurde gefunden, daß die
erfindungsgemäßen Verpackungsmaterialien auch für das
Tiefziehen und Bedrucken nach dem sogenannten
In-Mold-Labelling-Verfahren geeignet sind. Bei diesem Verfahren wird
vor dem Tiefziehvorgang ein bereits bedrucktes und
entsprechend der Verpackung zugeschnittenes Etikett aus
Polypropylen, welches gegebenenfalls mit einer
Haftvermittlerschicht zur Polypropylenschaumschicht versehen
ist, in die Tiefziehform eingelegt und während des
Tiefziehvorgangs des Verpackungsmaterials mit diesem durch den
dort herrschenden Druck und die Wärme verbunden. Im Ergebnis
wird so ein besonders hochwertiger Druck erzielt.
Insbesondere besitzen die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
gemäß Anspruch 1 hergestellten Verpackungen, wie Schalen, zum
Beispiel für Fleischverpackungen oder Becher, zum Beispiel für
Eisverpackungen, die aus einem Verpackungsmaterial gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren durch Thermoformen, wie Tiefziehen
oder Vakuumformen aus einer Schaumfolie aus einem Polymer,
enthaltend HMS-Polypropylen, hergestellt sind, eine hohe
Bruchfestigkeit, so daß sie papierartig zusammendrückbar sind,
ohne zu brechen oder aufzureißen. Derartige Verpackungen
bieten demgemäß eine besonders hohe Transportsicherheit für
das Verpackungsgut.
Weiterhin ist es möglich, bei erfindungsgemäßem Einsatz eines
Doppelschneckenextruders bei der Extrusion von thermoformbaren
Verpackungsmaterialien auf der Basis von geschäumten Folien
aus einem Polymer, enthaltend Propylen, eine besonders hohe
Extrusionsleistung zu erzielen, die etwa bei 250 bis 350 kg/h
liegt, wenn Doppelschneckenextruder mit einem
Schneckendurchmesser D im Bereich von 80 bis 90 mm eingesetzt
werden.
Bei kleineren Schneckendurchmessern von 65 mm werden bereits
Leistungen von 130 kg/h und mehr erzielt, mit
Schneckendurchmessern von 125 mm bis zu 800 kg/h und mehr.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand von
Ausführungsbeispielen von Verpackungen in der Zeichnung näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Aufsicht auf eine nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellte Verpackung,
Fig. 2 eine seitliche Schnittansicht der Verpackung gemäß
Fig. 1,
Fig. 3a die Einzelheit X gemäß Fig. 2 in vergrößerter
Darstellung,
Fig. 3b eine Variante der Einzelheit x gemäß Fig. 3a,
Fig. 4a einen Schnitt durch ein Etikett zur Verwendung in
einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 4b eine Aufsicht auf einen Etikettenzuschnitt,
Fig. 4c in schematischer Darstellung eine Seitenansicht
einer Tiefziehstation zur Herstellung von
Verpackungen gemäß dem Verfahren,
Fig. 5a eine Aufsicht auf eine Tiefziehstation gemäß
dem Verfahren,
Fig. 5b einen Schnitt durch die Tiefziehstation gemäß
Fig. 5a entlang der Linie C-C,
Fig. 6 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform
einer Verpackung gemäß des erfindungsgemäßen
Verfahrens,
Fig. 7 eine Seitenansicht einer Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens in schematisierter
Darstellung,
Fig. 8 eine Seitenansicht des Doppelschneckenextruders in
vergrößerter Darstellung gemäß Fig. 7.
Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Verpackung 1, die nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von
thermoformbaren Verpackungsmaterialien aus diesen
thermoverformt, beispielsweise tiefgezogen worden ist. Die
Verpackung 1, hier dargestellt als eine Schale, besteht aus
einem Boden 3 und einer daran anschließenden umlaufenden Wand
4, die an ihrer Oberseite einen umlaufenden Siegelrand 2
aufweist. Auf dem Boden 3 der Verpackung 1 können überdies
Erhebungen und Vertiefungen, beispielsweise Rippen 6,
ausgebildet sein.
In eine derartige Verpackung 1 kann ein Verpackungsgut 7,
beispielsweise Fleisch, eingelegt werden und nachfolgend
mittels einer Siegelfolie 5, die die Schalenöffnung oberseitig
vollständig abdeckt, verschlossen werden. Dazu wird diese
Siegelfolie 5 auf den an der Verpackung 1 ausgebildeten
Siegelrand 2 aufgelegt und dort unter gleichzeitiger
Beaufschlagung mit Druck und Wärme gemäß Pfeil A mit dem
umlaufenden Siegelrand 2 verbunden, zum Beispiel verschweißt.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
Verpackungen 1 können sowohl allein aus einer geschäumten
Folie aus HMS-Polypropylen hergestellt sein als auch mit einer
oder mehreren Funktionsschichten beschichtet sein, was
beispielsweise in den Fig. 3a, 3b dargestellt ist. So ist es
zum Beispiel möglich, zur Schaffung einer gas- und
flüssigkeitsdichten Verpackung, insbesondere für die
Verpackung von Fleisch, der geschäumten Folie 10 aus dem
HMS-Polypropylen eine entsprechende Ausrüstung mit einer gas- und
flüssigkeitsdichten Schicht beizugeben. Dazu wird gemäß der
Fig. 3a vorgeschlagen, die geschäumte Folie 10 über eine
Schicht Haftvermittler 11 mit einer gas- und
flüssigkeitsdichten Barriereschicht 12 zu verbinden, die
beispielsweise aus einem Ethylenvinylalkoholcopolymer (EVOH)
gebildet ist. Auf diese Barriereschicht 12 ist über eine
weitere Schicht 11 an Haftvermittler eine Deckschicht 13
aufgebracht. Diese Deckschicht 13 ist vorzugsweise aus
Polyethylen oder Polypropylen gefertigt und erfüllt zwei
wesentliche Funktionen. Zum einen schützt sie die
Barriereschicht 12, die aus Kostengründen möglichst dünn
ausgeführt wird, vor Beschädigungen durch Kratzer oder
ähnliches, zum anderen bildet sie eine heißsiegelfähige
Deckschicht und ermöglicht so eine Verbindung mit einer auf
dem umlaufenden Siegelrand 2 einer Verpackung 1 aufgelegten
Siegelfolie 5 gemäß Fig. 2. Der Schichtenaufbau gemäß der Fig.
3a kann insbesondere durch Koextrusion innerhalb der
ringförmigen Düse am Ende des Doppelschneckenextruders
hergestellt werden, so daß sich beim Austritt der Schmelze aus
der ringförmigen Düse der hier dargestellte Schichtenaufbau
ergibt. Hierbei wird beispielsweise eine geschäumte
Polypropylenfolie 10 einer Dicke von 1,1 mm und einer Dichte
von 0,32 g/cm³ eingesetzt, wobei die zusätzlichen Schichten 11
bis 13 eine Dicke von 70 bis 80 µm aufweisen, wobei die
Barriereschicht eine Dicke von nur 8-12 µm hat.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gemäß der Fig.
3b ist es aber auch möglich, die geschäumte Folie 10 anstatt
durch Koextrusion durch Laminieren mit einer kompakten ein- oder
mehrschichtigen Folie zu beschichten, um bestimmte
Funktionen zu erreichen. Dazu wird die geschäumte Folie, wenn
sie zu einer flachgelegten Folienbahn aufgeschnitten worden
ist, mit einer separat bereitgestellten ein- oder
mehrschichtigen Laminierfolie zusammengeführt und gemeinsam
durch einen Walzenspalt zwischen zwei Walzen gezogen. Die
Laminierfolie weist dazu eine Laminierschicht 14, vorzugsweise
aus Polypropylen auf, auf der über eine Schicht 11 aus
Haftvermittler eine gas- und flüssigkeitsdichte
Barriereschicht 12 und über eine weitere Schicht 11 an
Haftvermittler eine Deckschicht 13, die vorzugsweise
heißsiegelfähig ist, aufgebracht ist. Zur Herstellung einer
Verbindung dieser mehrschichtigen Folie mit der geschäumten
Folie 10 wird insbesondere die Laminierschicht 14 vor dem
Zusammenführen mit der geschäumten Folie 10 auf eine
Temperatur von etwa 120 bis 180°C erwärmt, so daß eine feste
Verbindung zwischen der Schaumfolie 10 und der Laminierfolie,
bestehend aus den Schichten 11, 12, 13 und 14 beim Durchziehen
durch das Walzenpaar erreicht wird und sich der in der Fig. 3b
dargestellte Schichtenaufbau ergibt. Die Laminierfolie kann
hierbei ebenfalls eine Gesamtdicke von 80 µm aufweisen, die
Schaumfolie eine Dicke von 1 bis 1,3 mm bei einer Dichte von
0,28 bis 0,36 g/cm³.
Auf diese Weise wird durch die in den Fig. 3a und 3b
dargestellte Ausrüstung der geschäumten Folie 10 mit einer
gas- und flüssigkeitsdichten Barriereschicht 12 ein
thermoformbares Verpackungsmaterial geschaffen, aus dem
Verpackungen gemäß der Fig. 2 beispielsweise durch Tiefziehen
herstellbar sind, die gas- und flüssigkeitsdicht sind und sich
von daher besonders für die Verpackung von leicht
verderblichen Lebensmitteln, wie Fleisch, eignen. Um einen
allseitig gas- und flüssigkeitsdichten Verschluß des
Verpackungsgutes 7 gewährleisten, weist die Siegelfolie 5
vorteilhaft ebenfalls eine gas- und flüssigkeitsdichte
Schicht, etwa aus einem Ethylenvinylalkoholcopolymer auf, die
eine sehr geringe Dicke aus Kostengründen aufweist.
Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte
Verpackungsmaterial ist neben seiner guten Thermoformbarkeit
insbesondere für eine Bedruckung nach dem sogenannten
In-Mold-Labelling-Verfahren geeignet, welches schematisch in den Fig.
4 und 5 erläutert wird. Wie aus der Fig. 4a ersichtlich, ist
das Etikett 20 vorzugsweise aus Polypropylen hergestellt. Auf
einer Seite des Etiketts 20 ist der gewünschte Druck D mittels
eines herkömmlichen Druckverfahrens aufgebracht. Auf der
anderen Seite - der Verbindungsseite zwischen Etikett und
Verpackung - kann eine haftvermittelnde Schicht MV aufgebracht
sein, dies ist dann erforderlich, wenn das Etikett aus einem
nicht direkt mit der Schaumfolie verbindbaren Polymer
hergestellt ist. Die Etiketten 20 werden in einer der späteren
Verpackung entsprechenden Form zugeschnitten, wie in Fig. 4b
dargestellt. Auf diesem Zuschnitt sind entsprechend der
späteren Verpackung ein Bodenbereich 20e sowie längs- und
stirnseitige Seitenbereiche 20a, b ausgebildet. Im
Übergangsbereich zwischen dem Boden 20e und den
Seitenbereichen 20a bzw. 20b sind Perforationslinien 20c
vorgesehen, an denen später die Seitenbereiche 20a, b
umgeklappt werden, was nachfolgend noch genauer erläutert
wird. Die Eckbereiche 20d des Bodenbereiches 20e sind mit
Aussparungen versehen.
Wie auch aus der Fig. 4c ersichtlich, werden bei dem In-Mold-Labelling-
Verfahren die zugeschnittenen und bereits bedruckten
Etiketten 20 vor dem Tiefziehvorgang in die entsprechenden
Ausnehmungen 22 in der Tiefziehform 21 eingelegt, wobei dann
die Seitenbereiche 20a, 20b der Etiketten 20 entlang der
Perforationslinien 20c aufgestellt werden. Wie auch in der
Fig. 5a dargestellt, werden somit die Ausnehmungen 22 in der
Tiefziehform 21 vor dem Tiefziehvorgang der Verpackungsfolie
im Bodenbereich und an den Seitenflächen mit den zugehörigen
Bereichen 20a, b, e der Etiketten 20 bedeckt, so daß nun der
Tiefziehvorgang zur Herstellung der Verpackung in an sich
bekannter Weise erfolgen kann, wozu nachfolgend auf die Fig.
5b Bezug genommen wird.
Wie aus dieser Figur ersichtlich, ist eine Bahn 23 des
erfindungsgemäß hergestellten Verpackungsmaterials auf die
Tiefziehstation 21 aufgelegt und wird mittels hier nicht
dargestellter Tiefziehstempel in Pfeilrichtung B in die
Tiefziehform 22, in der sich die bereits bedruckten Etiketten
20 befinden, gepreßt. Dieser Preßvorgang kann gegebenenfalls
durch Drucklufteinblasung in die Form 21 durch entsprechende
Öffnungen im Stempel noch unterstützt werden. Da das
Verpackungsmaterial 23 beim Tiefziehvorgang eine starke
Dehnung erfährt, ist es auf eine ausreichend hohe Temperatur
vor dem Stempelniedergang zu erwärmen, um die dann vorliegende
entsprechend hohe Dehnfähigkeit des Verpackungsmaterials 23
auszunutzen. So ist das Verpackungsmaterial beim Tiefziehen
auf üblicherweise etwa 100 bis 140°C zu erwärmen. Diese Wärme
des Verpackungsmaterials 23 wird nun beim In-Mold-Labelling-
Verfahren zusammen mit dem in der Tiefziehform 22 durch den
Niedergang des Stempels herrschenden hohen Druck dazu benutzt,
eine haftfeste Verbindung des in die Tiefziehform 22 gezogenen
Verpackungsmaterials 23 mit dem dort bereits befindlichen
Etikett 20 herbeizuführen. Diese Verbindung wird
gegebenenfalls durch die aufgebrachte Schicht an
Haftvermittler HV auf dem Etikett 20 noch verbessert.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
Verpackungsmaterialien 23 ermöglichen durch ihren
gleichmäßigen und feinzelligen Aufbau eine feste Verbindung
von Verpackung und Etikett während des Tiefziehens in
besonders guter Weise. Somit sind Verpackungen mit qualitativ
hochwertigen Drucken, Abbildungen usw. ausrüstbar. Da die
Etiketten bereits vor dem Tiefziehvorgang entsprechend der
späteren Verpackung zugeschnitten werden und in die Form
eingelegt werden, unterliegen sie - im Gegensatz zum
Verpackungsmaterial - während des Tiefziehvorgangs keiner
nennenswerten Verformung mehr, so daß qualitätsmindernde
Verzerrungen des Druckbildes nahezu vollständig verhindert
werden. Diese Verzerrungsfreiheit kann überdies, wie in der
Fig. 4b dargestellt, noch erhöht werden, wenn die Eckbereiche
20d, die den größten Belastungen während des Tiefziehens
ausgesetzt sind, ausgespart werden, so daß keine Verzerrungen
in diesem Bereich möglich sind.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten und
nach dem In-Mold-Labelling-Verfahren bedruckten Verpackungen
eignen sich demzufolge für besonders hochwertige Verpackungen
mit entsprechend hohen Anforderungen an die Druckqualität.
Auch sind derartige Verpackungen für kleinere Seriengrößen
interessant, da eine Umstellung der Bedruckung durch einfachen
Wechsel der zugehörigen Etiketten erfolgt und überdies im
Gegensatz zum konventionellen Druck die Druckvorlage einfacher
realisiert werden kann, da die aufwendige Simulation des
Verzerrungsvorgangs einer vor dem Tiefziehen bedruckten Folie
während des Tiefziehens und ihre Einbeziehung in die
Druckvorlage beim In-Mold-Labelling-Verfahren entfallen kann.
Gegebenenfalls kann es vorteilhaft sein, auf die geschäumte
Folie 10 eine dünne Schicht von kompaktem Polypropylen
außenseitig aufzubringen, um eine besonders glatte Oberfläche
für ein Bedrucken mittels konventioneller Druckmaschinen oder
nach dem in den Fig. 4 und 5 dargestellten In-Mold-Labelling-Ver
fahren zu ermöglichen. Eine derartige Beschichtung mit
einer kompakten Polypropylenfolie kann sowohl durch
Koextrusion innerhalb der Düse als auch durch Laminieren der
flachgelegten Schaumfolienbahn erfolgen.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
Verpackungsmaterialien bieten eine besonders gute
Tiefzieheignung und verfügen über eine hohe Dehnfähigkeit, die es
zuläßt, auch Verpackungen mit einer großen Tiefe T, etwa eine
in der Fig. 6 dargestellte becherartige Verpackung 1b,
herzustellen.
Zum Tiefziehen durchlaufen die Polypropylenschaumfolien eine
Vorheizstrecke mit einer Temperatur von über 300°C, um eine
entsprechende Erwärmung auf Verformungstemperatur zu
erreichen. Je nach Verfahrensdurchführung werden auch die
Tiefziehformen auf Temperaturen bis zu 145/155°C vorgewärmt.
Die erforderlichen Formzeiten liegen bei wenigen Sekunden - 3
bis 8 Sekunden je nach Gestalt -, die Aufheizzeiten bei 3 bis
4 Sekunden.
Wie in der Fig. 7 dargestellt, umfaßt die Vorrichtung zur
Herstellung geschäumter Folien aus Polypropylen einen
Doppelschneckenextruder 91 mit einem Zylinder mit
innenliegenden gleichen und gleichsinnig rotierenden
parallelen Schnecken, an dessen Austrittsende eine bevorzugt
ringförmige Düse 912 befestigt ist. Der
Doppelschneckenextruder 91 wird von dem Antrieb 92
angetrieben.
Das zur Herstellung der geschäumten Folie verwendete Polymer,
beispielsweise ein HMS-Polypropylen, wird aus einem Silo 913
über eine Förderleitung E2 zu einer Dosiervorrichtung 93
gefördert, in der es mit dem Nukleierungsmittel und ggf.
weiteren Additiven vermischt wird. Von der Dosiervorrichtung
93 gelangt dieses Gemisch über die Einzugsöffnung 911 im
Zylinder in den Doppelschneckenextruder 91.
Wie auch aus der Fig. 8 ersichtlich, erstreckt sich von der
Einzugsöffnung 911 des Doppelschneckenextruders eine Einzugs-
und Plastifizierzone in Arbeitsrichtung A des
Doppelschneckenextruders 91, die eine Länge L1 von etwa 10 bis
15 D aufweist. In dieser Einzugs- und Plastifizierzone wird
das Polymer auf Temperaturen von etwa 190 bis 210°C erwärmt
und aufgeschmolzen und ist am Ende der Einzugs- und
Plastfizierzone vollständig plastifiziert.
Am Ende der Einzugs- und Plastifizierzone wird das
physikalische Treibmittel, welches von einer Fördereinrichtung
94 über eine Leitung E1 zugeführt wird, über eine Öffnung 910
im Zylinder des Doppelschneckenextruders 91 in die
Polymerschmelze eingeleitet. Die derart begaste
Polymerschmelze wird nachfolgend in der sich an die Öffnung
910 anschließende Mischzone M des Doppelschneckenextruders,
die eine Länge von etwa 3 bis 6 D aufweist, von den
gleichsinnig rotierenden Schnecken des
Doppelschneckenextruders 91 intensiv durchgemischt, so daß
eine schäumfähige Polymerschmelze mit besonders gleichmäßiger
und feiner Verteilung des Treibmittels erhalten wird.
In der sich an die Mischzone M anschließenden Kühlzone K des
Doppelschneckenextruders 91 wird die schäumfähige Schmelze
weiter homogenisiert und gemischt, wobei sie jedoch auf eine
für das Austreten aus der Düse geeignete Temperatur durch
entsprechende Kühlung des Zylinders der Doppelschnecke in der
Kühlzone temperiert wird, d. h. auf eine Temperatur von etwa
175 bis 195°C bei ihrem Austritt aus der ringförmigen Düse
912. Die Gesamtlänge L des Doppelschneckenextruders beträgt
vorzugsweise 30 bis 42 D, wobei D im Bereich von 50 bis 100 mm
bevorzugt gewählt ist.
Die schäumfähige Schmelze tritt aus der ringförmigen Düse 912
als rohrförmiger Schlauch S aus und wird außenseitig von einem
Kühlring 95 durch Anblasen mittels Kühlluft von
Umgebungstemperatur mit ca. 14-16°C gekühlt.
Gleichzeitig wird der Schlauch S von der gemäß Pfeil B
herangeführten und entgegen der Austrittsrichtung des
Schlauches S in dessen Innenraum eingeblasenen Druckluft
aufgeblasen, d. h. sein Durchmesser vergrößert sich.
Nachfolgend wird der Schlauch S mit seinem vergrößerten
Durchmesser über einen Kühldorn 96 gezogen. Der Kühldorn 96
wird über ein Temperiergerät mit einem Kühlmedium durchströmt,
so daß der Schlauch S eine weitere innenseitige Abkühlung
durch Kontakt mit dem Kühldorn 96 erfährt. Das
Aufblasverhältnis, d. h. der Durchmesser der Austrittsöffnung
des Schlauches S aus der ringförmigen Düse 912 zu dem des
Kühldorns 96, beträgt etwa 1 : 1 bis 1 : 3.
Nach der weiteren Abkühlung des Schlauches S an den
Außenflächen des Kühldornes 96 weist der Schlauch S eine
Temperatur von etwa 135 bis 160°C auf und ist so verfestigt,
daß er von einer Schneideinrichtung 98, beispielsweise
Messern, an zwei gegenüberliegenden Bereichen in Längsrichtung
aufgeschnitten werden kann. Dabei bilden sich aus dem Schlauch
S zwei Folienbahnen 99a, b, die infolge ihrer Wärme nachfolgend
problemlos flachgelegt und von einer mehrere Abzugsrollen
enthaltenden Abzugseinrichtung 97 abgezogen werden. Von dort
können die flachgelegten Folienbahnen in nicht dargestellter
Weise entweder aufgewickelt oder inline einer
Weiterverarbeitungsvorrichtung, wie einer Laminiereinrichtung
zum Beschichten der geschäumten Folie mit einer Kompaktfolie
oder einer Tiefziehstation, zugeführt werden.
Durch geeignete Wahl der Abzugsgeschwindigkeit der
Abzugseinrichtung 97 ist es überdies möglich, die noch nicht
erstarrten und noch auf einer Temperatur von 135 bis 160°C
befindlichen Folienbahnen 99a, b in Längserstreckung bis um das
Vierfache, d. h. im Verhältnis 1 : 1 bis 1 : 4 zu recken.
Zur Herstellung von geschäumten Folien, die mit einer
kompakten Folie beschichtet sein sollen, wie es etwa für
Lebensmittelverpackungen erforderlich sein kann, kann überdies
die ringförmige Düse 912 als Koextrusionsdüse ausgeführt sein,
um bereits die begaste Polymerschmelze vor ihrem Austritt aus
der Düse 912 mit mindestens einem kompakten Material zu
beschichten, wobei für die Zuführung jedes kompakten Materials
vorteilhaft jeweils ein weiterer, sogenannter Co-Extruder
verwendet wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung ist es
möglich, geschäumte Folien auf Basis von Polypropylen,
insbesondere enthaltend HMS-Polypropylen, herzustellen, die
über eine besonders gleichmäßige und feinzellige Struktur
verfügen und sehr gut thermoverformbar sind, was nachfolgend
an einem Beispiel ersichtlich ist.
Ein Doppelschneckenextruder mit zwei gleichen und gleichsinnig
rotierenden parallelen Schnecken von je 85 mm Durchmesser (D)
wurde bei einer Schneckendrehzahl von 47 min-1 mit einem
HMS-Polypropylen (Himont PF 814) in einem Anteil von 98,6 Gew.-%
vermischt mit 0,8 Gew.-% Talkum und 0,4 Gew.-% Hydrocerol® der
Firma Boehringer Ingelheim KG (Natriumbicarbonat und
Zitronensäure), aus einer Dosiervorrichtung mit etwa 250 kg/h
gespeist.
Innerhalb der 15 D langen und auf 220-240°C beheizten Einzugs-
und Plastifizierzone wurde das Polymer vollständig
plastifiziert. Am Ende dieser Einzugs- und Plastifizierzone
wurden 0,2 Gew.-% Butan als physikalisches Treibmittel mit
einem Druck von 7 bar in die Polymerschmelze eingeleitet und
diese begaste Polymerschmelze in der 4 D langen Mischzone
gemischt.
Nachfolgend wurde die begaste Polymerschmelze beim weiteren
Durchmischen auf eine Austrittstemperatur von etwa 190°C in
der 14 D langen Kühlzone bis zum Austritt aus der Düse
temperiert. Der aus der Düse durch eine ringförmige
Austrittsöffnung von 220 mm Durchmesser austretende
aufschäumende Schlauch wurde im Verhältnis 1 : 2,2 aufgeblasen
mit Druckluft von 15°C und nachfolgend über einen von einem
auf 15°C eingestellten Temperiergerät geregelten Kühldorn mit
einem Durchmesser von 488 mm gezogen, wobei der Schlauch beim
Aufblasen außenseitig mittels Kühlluft von 15 °C beaufschlagt
wurde. Nach erfolgter Abkühlung auf eine Temperatur von etwa
140 bis 150°C wurde der Schlauch aus geschäumtem
HMS-Polypropylen zu Folienbahnen aufgeschnitten, die
kontinuierlich mit einer Abzugsgeschwindigkeit von 5,4 m/min.
flach und eben gelegt wurden, und die folgende Eigenschaften
aufwiesen:
Diese Folie, die eine besonders glatte Oberfläche aufwies, die
auch ein direktes Bedrucken möglich werden ließ, wurde in
einer Tiefziehvorrichtung zu einer Schale für
Lebensmittelverpackungen tiefgezogen. Dazu wurde die Folie
kurz auf etwa 150°C von einer auf ca. 335°C eingestellten
Strahlungsheizung erwärmt und für 5 Sekunden in eine Form, die
eine Temperatur von 17°C aufweisen, gepreßt. Die erhaltene
Schale wies eine feine metallisch glänzende Oberfläche und
eine präzise Form auf. Insbesondere läßt sich diese Verpackung
papierartig zusammendrücken, ohne zu brechen oder zu reißen.
Derartige Verpackungen wurden außerdem in einer herkömmlichen
Vorrichtung nach dem In-Mold-Labelling-Verfahren mit einem
bedruckten Etikett zu einer hochwertigen Verpackung
tiefgezogen.
Claims (21)
1. Verfahren zum Herstellen einer thermogeformten Verpackung,
insbesondere napfförmiger Behältnisse, wie Schale, Becher,
Schüssel, auf Basis einer Schaumfolie aus einem Polymer,
enthaltend Propylen, insbesondere HMS-Polypropylen,
welches mit einem physikalischen Treibmittel und einem
Nukleierungsmittel zu einem schäumfähigen Polymer
vermischt wird und das schaumfähige Polymer und ggf.
weiteren Additiven in einem Extruder mit einer Einzugs-
und Plastifizierzone, Mischzone und Kühlzone und mit einer
ringförmigen Austrittsdüse erwärmt und zu einer
Polymerschmelze aufgeschmolzen und der Polymerschmelze das
Treibmittel unter Druck zugegeben wird und diese begaste
Polymerschmelze auf eine zum Aufschäumen geeignete
Temperatur gekühlt und dann aus der ringförmigen
Austrittsdüse unter Aufschäumen zu einer schlauchförmigen
Schaumfolie austritt und nachfolgend innenseitig und
außenseitig gekühlt wird und anschließend in Längsrichtung
zur Bildung einer flachen Folie aufgeschnitten und
abgezogen und die Schaumfolie nachfolgend einer
Thermoformung wie Tiefziehen oder Vakuumverformung
unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das
Aufschmelzen des Polymers, Mischen der Polymerschmelze mit
dem physikalischen Treibmittel und Kühlen der so
erhaltenen begasten schäumfähigen Polymerschmelze in einem
Doppelschneckenextruder einer Länge von 30 bis 42 D
(D=Schneckendurchmesser) mit gleichen und gleichsinnig
rotierenden parallelen Schnecken durchgeführt wird und das
physikalische Treibmittel mit einem Druck kleiner 20 bar
am Ende der etwa 10 bis 15 D langen Einzugs- und
Plastifizierzone des Doppelschneckenextruders in das
aufgeschmolzene (plastifizierte) Polymer geleitet wird und
die begaste Polymerschmelze in der sich an die Einzugs-
und Plastifizierzone anschließenden Mischzone mit einer 3
bis 6 D entsprechenden Länge zu einer schäumfähigen
Polymerschmelze homogenisiert wird und bei einer
Temperatur der Polymerschmelze von 170 bis 195°C aus der
Austrittsdüse austritt und die aufschäumende
schlauchförmige Schaumfolie auf den ein- bis dreifachen
Durchmesser der Austrittsdüse aufgeblasen und abgezogen
wird und dabei im Verhältnis von 1 : 1 bis 1 : 4 in
Längserstreckung (Abzugsrichtung) gereckt und die
schlauchförmige Schaumfolie auf eine Temperatur von 130
bis 160°C abgekühlt und in diesem Zustand aufgeschnitten
und flachgelegt wird und aus der erhaltenen Schaumfolie
einer Dichte unter 0,4 g/cm³ und Dicke von 0,8 bis 4 mm
unter Wiedererwärmung bis nahe an den Erweichungspunkt des
Polymers die gewünschte Verpackung geformt und ausgetrennt
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Doppelschneckenextruder
mit einer solchen Menge an Polymer gespeist wird, daß
dieser unterfüttert betrieben wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß als Propylen ein
HMS-Polypropylen mit einem MFI (230°C; 2,16 kp) von 3 bis
7 g/10 min und einer Zugfestigkeit von 30 bis 40 N/mm²
allein oder in Abmischung mit einem oder mehreren
Polyolefinen eingesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß als physikalisches Treibmittel
(Iso)Pentan, (Iso)Butan, Kohlendioxid oder Stickstoff oder
Mischungen hiervon eingesetzt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz von zwei oder mehr
verschiedenen Treibmitteln diese der Polymerschmelze
getrennt und unmittelbar nacheinander zugeführt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß als Treibmittel (Iso)Butan und
Kohlendioxid zugeführt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß als Nukleierungsmittel Talkum,
Zitronensäure, Natriumbicarbonat, Siliziumdioxid,
Titandioxid oder Abmischungen hiervon eingesetzt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß Schaumfolien einer Dichte von
0,2 bis 0,4 g/cm³ hergestellt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß Schaumfolien mit überwiegend
geschlossenen, feinen und gleichmäßigen Zellen mit einem
durchschnittlichen Zellendurchmesser von 0,05 bis 0,5 mm
hergestellt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß das Aufschmelzen des Polymers
in der Einzugs- und Plastifizierzone des
Doppelschneckenextruders bei Temperaturen des Polymers von
190 bis 220°C erfolgt und die Polymerschmelze nach Zugabe
des Treibmittels beim Durchlaufen der Kühlzone maximal auf
diesem Temperaturniveau gehalten wird und die begaste
schäumfähige Polymerschmelze mit einer Temperatur von 170
bis 195°C aus der ringförmigen Düse austritt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die aus der ringförmigen Düse
austretende schlauchförmige Schaumfolie innen- und/oder
außenseitig mit Kühlluft und innen mit Druck beaufschlagt
wird und nach dem Aufblasen die schlauchförmige
Schaumfolie innenseitig mittels eines Kühldornes
kalibriert und innenseitig kontaktgekühlt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Düse austretende
schlauchförmige Schaumfolie unmittelbar anschließend
innen- und/oder außenseitig über einen Kühlring zur
Kontaktkühlung geführt ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die schlauchförmige
Schaumfolie auf eine Temperatur von 135 bis 155°C
abgekühlt wird und in diesem Zustand aufgeschnitten und
von dem Kühldorn abgezogen wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche der
Schaumfolie entweder durch Coextrusion innerhalb der
ringförmigen Düse oder durch Laminieren der
aufgeschnittenen und flachgelegten und ggf. geglätteten
Schaumfolienbahn eine kompatible Polymerschicht
aufgebracht wird, die bedruckbar ist und eine spätere
Außenschicht einer Verpackung bildet.
15. Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die kompatible Polymerschicht
auf der Basis von Polyolefinen gebildet ist.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß eine gas- und
flüssigkeitsdichte Ausrüstung, enthaltend eine Schicht von
vorzugsweise Ethylenvinylacetat-Copolymeren oder
Ethylenvinylalkohol-Copolymeren zusammen mit einer mittels
einer haftvermittelnden Schicht auf der einen Seite
aufgebrachten, vorzugsweise heißsiegelfähigen Deckschicht,
insbesondere aus Polyethylen oder Polypropylen, und einer
haftvermittelnden Schicht auf der anderen der
Polymerschmelze benachbarten Seite auf die schäumfähige
Polymerschmelze innerhalb der ringförmigen Düse
coextrudiert wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß eine gas- und
flüssigkeitsdichte Ausrüstung, enthaltend eine Schicht von
vorzugsweise Ethylenvinylacetat-Copolymeren oder
Ethylenvinylalkohol-Copolymeren, die einseitig mittels
einer haftvermittelnden Schicht mit einer vorzugsweise
heißsiegelfähigen Deckschicht, insbesondere aus
Polyethylen oder Polypropylen, und auf der anderen Seite
über eine haftvermittelnde Schicht mit einer
Laminierschicht aus einem kompakten Polypropylen verbunden
ist, mit ihrer Laminierschicht auf die aufgeschnittene und
flachgelegte und ggf. geglättete Schaumfolie aufgelegt und
mit dieser durch Laminieren, gegebenenfalls unter Zufuhr
von Wärme, verbunden wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumfolie beim
Thermoformen mit einem in die Form vor dem Einbringen der
Schaumfolie eingebrachten Etikett, welches insbesondere
auf Basis von Polypropylen hergestellt ist und
gegebenenfalls mit einer haftvermittelnden Schicht auf der
Verbindungsseite versehen ist, simultan mit dem
Verpackungsmaterial verbunden wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet, daß das Etikett (20) als flacher
Zuschnitt ausgebildet wird und in Bereichen die stark
verformten Bereiche der Verpackung, wie beispielsweise
Ecken, entsprechend Aussparungen ausgebildet werden
und/oder in diesen Bereichen Schnittkanten vorgesehen
werden und/oder spätere Knickkanten des Etikettes
entsprechend der Verpackung durch Prägungen und/oder
Perforierungen (20c) vorbestimmt werden.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, daß als haftvermittelnde Schicht
zwischen Polypropylen und Ethylenvinylalkohol-Copolymeren
ein Anhydrid modifiziertes Polypropylen und zwischen
Polyethylen und Ethylenvinylalkohol-Copolymeren ein
Anhydrid modifiziertes HDPE (Polyethylen hoher Dichte)
verwendet wird.
21. Napfförmige Verpackung, wie Schale oder Becher,
hergestellt durch Thermoformen, wie Tiefziehen oder
Vakuumformen einer Schaumfolie auf Basis von physikalisch
geschäumtem HMS-Polypropylen mit einem MFI (230°C;
2,16 kp) von 3 bis 7 g/10 min und einer Zugfestigkeit von
30 bis 40 N/mm² allein oder in Abmischung mit einem oder
mehreren Polyolefinen eingesetzt wird, enthaltend ein
Nukleierungsmittel, wobei die Schaumfolie als Blasfolie
mit einem Aufblasverhältnis von 3 : 1 bis 1 : 1 gefertigt und
bis zum Vierfachen in Längserstreckung gereckt ist und
eine Dichte unter 0,4 g/cm³ und Dicke von 0,8 bis 4 mm und
einen durchschnittlichen Zelldurchmesser von 0,05 bis 0,5 mm,
vorzugsweise 0,05 bis 0,2 mm, aufweist und die
Verpackung papierartig zusammendrückbar ist.
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