Nanotechnologiein biaxial verstreckten Polypropylenfolien...

Dr. Bertram Schmitz, Size Matters-12.06.20131

Nanotechnologie in biaxial verstreckten Polypropylenfolien (BOPP)

Anwendungen und Entwicklungstrends


AGENDA

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1. Treofan

2. BOPP‐Folien: Rohstoff, Technologie & Anwendungen

3. Nano‐beschichten auf BOPP‐Folien

4. Nano‐additivierte BOPP‐Folien

5. BOPP‐Folien mit nanostrukturierter Oberfläche

6. Nanostrukturierte BOPP‐Folien


• Führender Anbieter von biaxial orientierten Polypropylenfolien (BOPP)

• Kapazität 190,000 t

• Umsatz 750 Mio $

• 1,200 Mitarbeiter ww

• 4 Produktionsstandorte in Deutschland, Italien und Mexiko

• Technologieführer mit Produkten für alle Marktsegmente (Verpackungs‐ bis technische Folien)

• Eigene Forschung mit 2 Pilotanlagen

OVERVIEW of the Treofan Group

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Polypropylene

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Geschichte:

• 1954: Erstmalige Polymerisation von Propen zu isotaktischemPolypropylen durch Karl Rehn und Gulio Natta

• 1957 erste großtechnische Produktion durch Montecatini in Italien

• Bis zu diesem Zeitpunkt wurde Propen als Gas, das beim Crackprozess neben Ethylenanfiel, zum Großteil verbrannt

Bedeutung:

• Heute nach Polyethylen zweitwichtigstes technisches Polymer ( 2012: 62 mio t ww)

• Anwendung: Automobil, Verpackung, Medizin….

Eigenschaften:

• Gute mechanische und chemische Eiegenschaften

• Ungiftig, keine toxischen Emissionen beim Verbrennen

• Thermoplastisch


BOPP‐ Technologie

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Extrusion Aufschmelzen von verschiedenen PP -Grades

Wickeln:Foliendicke: 3 – 75 µmRollenlänge bis 60 km

Verstrecken (Orientierung) in Querrichtung Erhöhung von Reißfestigkeitund E-Modul in Querrichtung

Casting der koextrudierten PP-Folie Deckschicht

Basisschicht

Deckschicht

Rohstoffversorgung

Verstrecken (Orientierung) in Längsrichtung Erhöhung von Reißfestigkeitund E-Modul in Längsrichtung


BOPP‐Folien: Anwendungen

Label‐ & Etikettenfolien

Zigarettenfolien:‐ Zigarettenpäckchen‐ Stangeneinschlag

Technische Folien:‐ Kondensatorfolien‐ Separatorfolien

Verpackungsfolien für:Frischeprodukte , Schokoriegel, Chips...

Application examples – images do not necessarily show products by Treofan’s customers

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Nano‐Beschichtung von BOPP‐Folien

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Plasma

Metallisierung von BOPP‐Folien mit elementarem Aluminium

Technologie:•Aufdampfen einer Aluminiumschicht auf eine BOPP‐Folie mit dem Ziel die Barriere für Gase zu verbessern (e.g. Sauerstoff, Wasserdampf, CO2...)• Schichtdicken ~ 50 nm

Barriereeigenschaften:

Anwendung: • Verpackung von Chips, Kräcker... • Oxidationsempfindliche Waren wie Nüsse...

Alternative Technologie:

• Massive Alu‐Folie (12 – 20 µm) • Laminat von Alufolie (4‐9 µm) mit Kunststofffolie

WVTR / [g/m²xd](38°C, 90% rel. Humidity)

OTR /[cm³/m2xd](23°C, 0% rel. Humidity)

BOPP Standard Coex. 25 µm 5 1500BOPP metallisiert 25µm 0,1 20


Andere Technologien zur Barriereverbesserung

SiOx‐Beschichtung von BOPP (CERAMIS® )

Technologie:

• Aufdampfen von SiOx (x=1‐2) auf eine BOPP‐Folie• Schichtdicken < 100 nm

Vorteil:

• Transparente Barriereschicht• Gute Sauerstoffbarriere

Nachteil:

• Kaum Wasserdampfbarriere• Kostenintensiv

Nano‐Beschichtung von BOPP‐Folien


Nano‐additivierte BOPP‐Folien

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Beispiel Barriereverbesserung durch Nano‐Silikate:

• Extrafolieren von Schichtsilikaten (Talk, Glimmer...) im Polypropylenin einem Compoundierschritt und anschließende Verstreckung

• Nur geringfügige Verbesserung von Wasserdampf‐ und Sauerstoffbarriere trotz hoher Beladung (10 Gew.% Barriere‐erhöhung < x2)

Stand der Technik in der Herstellung von BOPP‐Folien:

• Problem mit 100 %‐iger Extrafolierung

• Negativer Einfluss auf Transparenz und Laufsicherheit

• Bis heute kein Einsatz dieser Technologie

BOPP‐Folien mit nanostrukturierten Oberflächen

Oberflächeneffekte von Polyolefinfolien:

• Polyolefinfolien neigen aufgrund der glatten Oberfläche zur Haftung untereinander infolge schwacher intermolekularer Kräfte

• Gewünschter Effekt bei z.B. Haushaltsfolie oder Stretchfolien, Adhäsionsfolien...

• Aber bei vielen Verarbeitungsprozessen ein Problem!!! (z.B. Abwickeln, Gleiten über Verpackungsstraßen...)

Etablierte Technologie:

• Zugabe von Antiblockpartikeln

Luftkissen zwischen den Folienlagen

• Zugabe von migrierenden Additiven als Gleitmittel: Meist Tenside


‐Spherulith

‐Spherulith

Castfolie Längsgestreckte Folie Biaxial verstreckteEndfolie


Strukturierung der Oberfläche von BOPP‐Folien über Verfahrensparameter:

• Dünnstfolienkonzepte mit Antiblockpartikeln nicht realisierbar!!!

• Züchten einer bestimmten Kristallmodifikation beim Casting (ß‐Spherulithe)

• Rauhe Oberfläche initiiert durch Transformation von ‐Spheruliten zu ‐ Spheruliten


Oberflächenstruktur von Polyolefinfolien:

• Oberflächenrauhigkeit

• Void: Tal zu Spitze : ~200nm, Durchmesser ca. 200 µm

• Es lassen sich Folien von bis zu < 3µm produzieren & verarbeiten

Anwendungen:

• Laminierfolie für thermisch stabile Kartonbecher für Heißgetränke Vorteil keine migrierende Additive & sehr dünne (4‐6µm) wasserfeste, temperaturstabile Barrierefolie

• Kondensatorfolien Ermöglichen von hoher Kapazität/Volumen mit additivfreien Dünnstfolien

Nanostrukturierte BOPP‐Folien

Poröse BOPP‐Folien (TREOPORE):

• Durch ß Umwandlung können mittels BOPP‐Prozess auch poröse Strukturen erzeugt werden

• Netzartige Struktur aus Nano‐Fibrillen von 5 – 200 nm

• Hochporöse offenporige Strukturen mit homogener Porengrößenverteilung können erzeugt werden

• Nano‐Nukleatoren initiieren ß‐Spherulith Bildung

Alternative Technologie:

• Wet‐Process

Blenden von Polyolefinen mit Ölen oder Wachsen

Biaxiale Verstreckung des Blends

Poröse Struktur wird erhalten durch Herauslösen der löslichen Komponenten mit organischen Lösungsmitteln


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1. Einlegen und Fixieren des Labels2. Einbringen des Vorformlings3. Aufblasen des Vorformlings4. Entnahme des gelabelten Containers

Anwendung: Blow‐Mould Label

Vorteile:

• Opakes Erscheinungsbild

• Oberflächenstruktur führt zu guter Anbindung an den Container keine Orangenhaut

• Luftdurchlässigkeit verhindert Blasenbildung

Heutige Technologie:

• Mit Hotmeltklebstoff beschichtete und Weißpigment gefüllte Kunststofffolien

• Entweichen der Luft über Prägung in der Klebeschicht


Anwendung: Separatoren für elektrochemische Energiespeicher

Separatoren:

• Wesentliches Bauteil in elektrochemischen Energiespeichern

• Beeinflusst: Kapazität, Lebensdauer, Leistung...

• Anforderung: Hohe Porosität, langzeitstabil....

Anwendungen:

• Lithium‐Batterien

• Lithium‐Ionen‐Batterien

• Doppelschichtkondensatoren

• ...

Fazit

• Nanotechnologie ist in vielen Verpackungsanwendungen von BOPP schon lange etabliert

• Nanotechnologie ermöglicht neue Konzepte für BOPP‐Folien mit verbesserter Ökobilanz

• Nanotechnologie ermöglicht die effizientere Nutzung von Ressourcen und Rohstoffen

Vielen Dank

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