Kunststoffe. H.-C. Langowski Verpackungstechnik - Systeme Kunststoffe

Transkript

1 Kunststoffe

2 Kunststoffverbrauch in Deutschland

3 Kunststoffproduktion und -Verarbeitung Die Ausweitung der Kunststoff-Produktionsmenge wird bis zum Jahr 2003 von einem Preisverfall begleitet.

4 Kunststoffpreise Europa

5 Preisvergleich Kunststoff - Öl

6 Kunststoffeinsatz in verschiedenen Bereichen

7 Weltproduktion, nach Kunststoffarten

8 Kunststoffproduktion: Europäische Infrastruktur Beispiel: Das europäische Netzwerk für Ethylen-Pipelines

9 Kunststoffe im Verpackungsbereich

10 Kunststoffe im Verpackungsbereich

11 Kunststoffe im Verpackungsbereich Verbrauch in Europa 2007 nach Polymertypen, Gesamtmenge: 19,6 Mio t Quelle: Kunststoff Information, nach Applied Market Information, Oktober 2007 PS 8% PVC 4% Sonstige 2% PE-LD / PE-LLD 32% PET 16% PP 19% PE-HD 19% Die Polyolefine PE und PP umfassen fast ¾ der gesamten Kunststoffmenge im Verpackungsbereich

12 Kunststoffbestandteile Organische Makromoleküle lange Molekülketten mit unterschiedlichen Verzweigungsgraden Molmassen: aufgebaut aus Monomeren (ein Monomer: Homopolymere, mehrere Monomer-Typen: Copolymere) aliphatische Monomere aromatische Monomere (Benzolring) Kombination verschiedener Monomere bei Copolymeren Rohstoffe Produkte der Petrochemie (Ausgangsstoffe: Rohöl, Erdgas) Naturprodukte (Polymilchsäure, Cellulose, Stärke, bakterielle lineare Polyester, Naturkautschuk, Latex) Hauptbestandteile Kohlenstoff Wasserstoff Weitere Bestandteile (abhängig vom Polymertyp) O, N, Cl, (P, S, Metallatome)

13 Strukturformeln wichtiger Polymere und ihrer Monomere Poly(ethylen) Kunststoff Struktur der Kette Monomer Struktur PE CH 2 - CH 2 - CH 2 - CH 2 - CH 2 - CH 2 Ethen CH 2 = CH 2 Poly(propylen) PP CH 2 - CH - CH 2 - CH - CH 2 - CH I I I CH 3 CH 3 CH 3 Propen CH 2 = CH I CH 3 Poly(styrol) PS CH 2 - CH - CH 2 - CH - CH 2 - CH Styrol CH 2 = CH Poly(vinylchlorid) PVC CH 2 - CH - CH 2 - CH - CH 2 - CH I I I Cl Cl Cl Vinylchlorid CH 2 = CH I Cl Poly(vinylidenchlorid) PVDC Cl Cl Cl CH 2 - C - CH 2 - C - CH 2 - C I I I Cl Cl Cl Vinylidenchlorid CH 2 = C Cl Cl

14 Strukturformeln wichtiger Polymere und ihrer Monomere Kunststoff Struktur der Kette Monomer Struktur Ethylen-Vinylalkohol- Copolymer Poly-ε-Caprolactam, Poly(imino-1- oxohexamethylen) Polyamid 6 EVOH CH 2 - CH - CH 2 - CH - CH 2 - CH 2 I I OH OH PA 6 PET CH - CH - CH CH 2 - CH 2 - C - II O O - C C - O - CH 2 - CH 2 - O - C II II O O N I H II O Ethylenglykol CH 2 = CH Vinylalkohol I Ethen OH CH = CH 2 2 ε-caprolactam Poly(ethylenglycolterephthalat) auch: Poly(ethylenterephthalat) Terephthalsäure HO - C II O HO - CH 2 - CH 2 - OH C - OH II O

15 Aufbau verschiedener Polymere Homopolymere Copolymere statistische (Random) Copolymere Blockcopolymere Pfropfcopolymere spezielle sterische Anordnungen: PE (oben) PP (links)

16 Einteilung der Kunststoffe 1 nach ihrem Verhalten thermoplastische Polymere duroplastische Polymere Elastomere nach ihren Ausgangsstoffen abgewandelte Naturstoffe vollsynthetische Kunststoffe

17 Einteilung der Kunststoffe 2 nach ihrem Herstellungsverfahren Polymerisate Polykondensate Polyaddukte nach Folieneigenschaften Hartfolien PVC, PP, PS, PAN, PET Weichfolien PA, OPA, PP, OPP, PETP, PE, Ionomere

18 Einteilung der Kunststoffe 3 nach Einsatzgebiet und Kosten Massenpolymere ( Commodities ) Spezialpolymere technische Polymere

19 Duroplastische Polymere 1 Aminoplaste (Essgeschirr), ungesättigte Polyester (Getränkebehälter, Silos) nur geringe Bedeutung für die Verpackungstechnik dreidimensional vernetzte Polymere, die durch chemische Reaktionen flüssiger oder thermoplastischer Ausgangsstoffe entstehen Beispiel: Phenolharz aus Reaktion von Phenol mit Formaldehyd viele Klebstoffe

20 Duroplastische Polymere 2 Vernetzen unter Wärmeeinwirkung kein Einschmelzen des festen Materials möglich Eigenschaften: widerstandsfähig gegen Alkohol und Lösungsmittel ausgezeichnete Beständigkeit gegen extreme Temperaturen gut zu veredeln (Lackierung, Druck, Metallisierung, galvanische Beschichtung) wegen 2-stufiger Verarbeitung höhere Produktionskosten

21 Zustandsbereiche von Duroplasten Zersetzungstemperatur

22 Elastomere schwach vernetzte Polymere bei Raumtemperatur gummielastisch Unterscheidung: normale Elastomere, Vulkanisation oder eine andere chemische Vernetzung als Verarbeitungsschritt (Polybutadien, Polyisopren, Silikon-Elastomere) thermoplastische Elastomere (Polyurethan (PUR), Polyisobutylen) Anwendungsbeispiele: Folien für die Fleischverpackung Klebstoffschichten Dichtungsscheiben, Dichtungsringe Tank- und Transportbehälterauskleidung Papierbeschichtungen spezielle Schaumstoffe

23 Thermoplaste Die am meisten verwendeten Kunststoff-Materialien geringer Energiebedarf bei der Herstellung bei Erwärmen plastisch verformbar nach Abkühlen wieder formstabil mehrfache Wiederholung möglich, daher im Grundsatz thermoplastisch rezyklierbar Verarbeitung durch Aufschmelzen, meist in Verbindung mit Scherbeanspruchung (Extrusion) Kombination mehrerer Thermoplasten in Mehrschicht-Strukturen (Verbunde) oder Legierungen (Blends)

24 Wichtige Thermoplaste Polyethylen, Charakterisierung nach Dichte (PE-HD = high density, PE-LD = low density, PE-ULD = ultra low density, PE-MD = medium density) und Struktur (PE-LLD = linear low density) Polypropylen (PP, OPP = orientiertes PP, BOPP = biaxial orientiertes PP) Polyethylenglycolterephthalat, Polyester (PET oder PETP, A-PET = amorphes PET, BOPET = biaxial orientiertes PET) Polystyrol (PS, OPS = orientiertes PS) Polyvinylchlorid (PVC), ohne Weichmacher: PVC-U, mit: PVC-P Polyvinylidenchlorid (PVDC) Polyamid 6 (PA 6, BOPA: biaxial orientiert) Ethylen-Vinylalkohol-Copolymer (EVOH) Polycarbonat (PC)

25 Zustandsbereiche für amorphe und teilkristalline Thermoplaste amorph teilkristallin glasartige gummiartige Struktur, Übergang zur Schmelze kristallin + glasartige kristallin + gummiartige Struktur Schmelze Erweichungstemperatur, Glasübergangstemperatur Kristallitschmelztemperatur

26 Temperaturbereiche von Kunststoffen max. Abfüll - temperatur [ C] max. Reinigungstemperatur [ C] Kristallitschmelztemperatur [ C] Kunststoffe PE-LD PE-HD PP BOPP PS PVC-U PET PC (...80) n. a. 255 n. a. Glasübergang [ C] - 10 < Siegel temperatur [ C] 1) Tiefzieh - temperatur [ C] ) Achtung: Teilweise Copolymer-Außenschichten!

27 Anforderungen an Kunststoff-Folien Gas-, Wasserdampf- und Aromabarriere Produkttransparenz Lichtschutz Fettbeständigkeit Durchstoßfestigkeit und Knickbruchbeständigkeit Standfestigkeit (bei Hartfolien) Kälte- bzw. Wärmebeständigkeit Umformbarkeit Schrumpfeigenschaften (flexible Folien) Bedruckbarkeit Lebensmittelrechtliche Unbedenklichkeit Verwertbarkeit, Schadstoff-Freiheit Verarbeitbarkeit auf Verpackungsmaschinen

28 Eigenschaften und Anwendungsbeispiele von Kunststoffen Kunststoff Besondere Eigenschaften Anwendung Polyethylen PE Die Eigenschaften sind von der Dichte (0,92-0,96 g/cm 3 ) abhängig. PE niederer Dichte (LDPE) lässt sich hervorragend verschweißen. Hohe Stoßfestigkeit und Transparenz. Relativ hohe Gasdurchlässigkeit PE hoher Dichte (HDPE) besitzt höhere Steifigkeit und geringere Gas - und Wasserdampfdurchlässigkeit, aber auch schlechtere Siegel-/ Verschweißbarkeit. In Form von Folien und als Verbundmaterial mit anderen Kunststoffen. Behälter und Deckel für Portionspackungen; Kanister und Kästen für Versandpackungen. Polypropylen PP Geringere Durchlässigkeit für Gase und Wasser als PE, temperaturbeständiger, aber geringere Siegel-/ Verschweißbarkeit. Besonders geeignet für Behälter für Speisefette und Milchprodukte. Polystyrol PS Sehr formbeständig; hoch transparent, - relativ hohe Gas- und Wasserdampfdurchlässigkeit; Bechern und Schalen für Eiscreme, bruchanfällig. Salate, Joghurt Polyvinylchlorid PVC Hohe Dichte, geringe Gas- und Wasserdampfdurchlässigkeit; hohe - Licht- und chemische Schalen und Becher für Pflanzenfett, Beständigkeit; hohe Steifigkeit (PVC-U) Marinaden, Molkereiprodukte. Fett - und öldichte Folien. Polyvinylidenchlorid PVDC Extrem undurchlässig für Gase, Wasserdampf und Aromastoffe. Widerstandsfähig gegenüber organischen Lös ungen. Meist in Kombination mit anderen Kunststoffen. Polyethylenterephthalat PET Hohe Dichte; geringe Durchlässigkeit, geringe Sprödigkeit; hohe Festigkeit und glasklar. Behälter für Getränke, Kosmetika, Haushaltschemikalien, Tiefziehteile, Blister Kunststoff mit hohen Wachstumsraten Zellglas Cellophan Wegen hoher Steifigkeit früher verwendet für die Verarbeitung auf schnell arbeitenden Verpackungsmaschinen. Nicht thermoplastisch. In unlackierter Form sehr hohe Wasserdampfdurchlässigkeit. Folien, besonders mit P VDC beidseitig lackiert, für Süßwaren, Gebäck.

29 Stoffwerte von Kunststoffen - CAMPUS Die Basis von CAMPUS sind die folgenden internationalen Normen: ISO Plastics - Acquisition and presentation of comparable single-point data ISO Plastics - Acquisition and presentation of comparable multipoint data - Part 1: Mechanical properties ISO Plastics - Acquisition and presentation of comparable multipoint data - Part 2: Thermal and processing properties

30 DIN (alt, jetzt DIN EN ISO 11469) Kennzeichnung von Kunststoffteilen

31 DIN EN ISO Kennzeichnung von Kunststoffteilen Geschirr, Verpackungsmaterial etc. aus Kunststoff werden überwiegend mit dem Recyclingsymbol (geschlossenes Pfeildreieck) gekennzeichnet. Code Kurzzeichen 01 PET 02 PE-HD (HDPE) 03 PVC 04 PE-LD (LDPE) 05 PP 06 PS, EPS 07 O, andere Kunststoffe Kunststoffe, die für die Aufbewahrung oder Verpackung von Lebensmitteln geeignet sind, werden besonders gekennzeichnet. Quelle: