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Einführung in Polyolefine und Folienextrusion

Polyolefine, eine Klasse makromolekularer Materialien, die aus Olefinmonomeren wie Ethylen und Propylen synthetisiert werden, sind die weltweit am häufigsten produzierten und verwendeten Kunststoffe. Ihre Verbreitung beruht auf einer außergewöhnlichen Kombination von Eigenschaften, darunter niedrige Kosten, hervorragende Verarbeitbarkeit, ausgezeichnete chemische Stabilität und anpassbare physikalische Eigenschaften. Unter den vielfältigen Anwendungsgebieten von Polyolefinen nehmen Folienprodukte eine herausragende Stellung ein und erfüllen wichtige Funktionen in Lebensmittelverpackungen, Agrarabdeckungen, Industrieverpackungen, Medizin- und Hygieneprodukten sowie Konsumgütern des täglichen Bedarfs. Zu den am häufigsten für die Folienherstellung verwendeten Polyolefinharzen gehören Polyethylen (PE) – einschließlich linearem Polyethylen niedriger Dichte (LLDPE), Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) und Polyethylen hoher Dichte (HDPE) – und Polypropylen (PP).

Die Herstellung von Polyolefinfolien basiert hauptsächlich auf Extrusionstechnologie, wobei Blasfolienextrusion und Gießfolienextrusion die beiden Kernverfahren darstellen.

1. Blasfolienextrusionsverfahren

Die Blasfolienextrusion ist eines der gängigsten Verfahren zur Herstellung von Polyolefinfolien. Das Grundprinzip besteht darin, ein geschmolzenes Polymer senkrecht durch eine ringförmige Düse nach oben zu extrudieren, wodurch ein dünnwandiger, röhrenförmiger Vorformling entsteht. Anschließend wird Druckluft in das Innere dieses Vorformlings eingeleitet, wodurch er sich zu einer Blase mit einem deutlich größeren Durchmesser als der der Düse aufbläht. Während die Blase aufsteigt, wird sie durch einen äußeren Luftring zwangsweise gekühlt und verfestigt. Die gekühlte Blase wird dann durch Presswalzen (oft mithilfe eines Pressrahmens oder A-Rahmens) zusammengepresst und anschließend durch Zugwalzen auf eine Rolle gezogen. Das Blasfolienverfahren liefert typischerweise biaxial orientierte Folien, d. h. sie weisen ein gutes Gleichgewicht der mechanischen Eigenschaften sowohl in Maschinenrichtung (MD) als auch in Querrichtung (TD) auf, wie z. B. Zugfestigkeit, Reißfestigkeit und Schlagfestigkeit. Die Filmdicke und die mechanischen Eigenschaften können durch Anpassen des Aufblasverhältnisses (BUR – Verhältnis von Blasendurchmesser zu Düsendurchmesser) und des Abzugsverhältnisses (DDR – Verhältnis von Abzugsgeschwindigkeit zu Extrusionsgeschwindigkeit) gesteuert werden.

2. Gießfolienextrusionsverfahren

Die Gießfolienextrusion ist ein weiteres wichtiges Produktionsverfahren für Polyolefinfolien, das sich besonders für die Herstellung von Folien mit hohen Ansprüchen an die optischen Eigenschaften (z. B. hohe Transparenz, hoher Glanz) und eine exzellente Dickengleichmäßigkeit eignet. Dabei wird das geschmolzene Polymer horizontal durch eine flache Schlitzdüse (T-Düse) extrudiert, wodurch eine gleichmäßige Schmelzbahn entsteht. Diese Bahn wird anschließend schnell auf die Oberfläche einer oder mehrerer schnelllaufender, innengekühlter Kühlwalzen gezogen. Die Schmelze erstarrt beim Kontakt mit der Oberfläche der Kühlwalzen rasch. Gießfolien zeichnen sich im Allgemeinen durch hervorragende optische Eigenschaften, eine weiche Haptik und gute Heißsiegelfähigkeit aus. Die präzise Steuerung des Düsenspalts, der Kühlwalzentemperatur und der Drehzahl ermöglicht eine genaue Regulierung der Foliendicke und Oberflächenqualität.

Die 6 größten Herausforderungen bei der Polyolefinfolienextrusion

Trotz der ausgereiften Extrusionstechnologie stoßen Hersteller bei der praktischen Produktion von Polyolefinfolien häufig auf eine Reihe von Verarbeitungsschwierigkeiten, insbesondere bei dem Bestreben nach hohem Ausstoß, Effizienz, geringeren Folienstärken und dem Einsatz neuer Hochleistungskunststoffe. Diese Probleme beeinträchtigen nicht nur die Produktionsstabilität, sondern wirken sich auch direkt auf die Qualität und die Kosten des Endprodukts aus. Zu den wichtigsten Herausforderungen zählen:

1. Schmelzbruch (Haifischhaut): Dies ist einer der häufigsten Defekte bei der Extrusion von Polyolefinfolien. Makroskopisch äußert er sich in periodischen Querwellen oder einer unregelmäßig rauen Oberfläche der Folie, in schweren Fällen auch in ausgeprägteren Verformungen. Schmelzbruch tritt primär auf, wenn die Schergeschwindigkeit der aus der Düse austretenden Polymerschmelze einen kritischen Wert überschreitet. Dies führt zu Stick-Slip-Schwingungen zwischen der Düsenwand und der Schmelze oder wenn die Dehnungsspannung am Düsenaustritt die Festigkeit der Schmelze übersteigt. Dieser Defekt beeinträchtigt die optischen Eigenschaften der Folie (Klarheit, Glanz), die Oberflächenglätte und kann auch ihre mechanischen Eigenschaften und Barriereeigenschaften mindern.

2. Werkzeugablagerungen: Dies bezeichnet die allmähliche Ansammlung von Polymerabbauprodukten, niedermolekularen Fraktionen, schlecht dispergierten Additiven (z. B. Pigmenten, Antistatika, Gleitmitteln) oder Gelen aus dem Harz an den Düsenrändern oder im Inneren der Düse. Diese Ablagerungen können sich während der Produktion lösen, die Folienoberfläche verunreinigen und Defekte wie Gele, Streifen oder Kratzer verursachen, wodurch das Erscheinungsbild und die Qualität des Produkts beeinträchtigt werden. In schweren Fällen können Werkzeugablagerungen den Düsenaustritt verstopfen, was zu Dickenabweichungen, Folienrissen und letztendlich zu Produktionsstillständen für die Düsenreinigung führt. Dies verursacht erhebliche Verluste in der Produktionseffizienz und Rohmaterialverschwendung.

3. Hoher Extrusionsdruck und -schwankungen: Unter bestimmten Bedingungen, insbesondere bei der Verarbeitung hochviskoser Harze oder bei Verwendung kleiner Düsenspalte, kann der Druck im Extrusionssystem (vor allem am Extruderkopf und an der Düse) übermäßig hoch werden. Hoher Druck erhöht nicht nur den Energieverbrauch, sondern birgt auch Risiken für die Lebensdauer der Anlagen (z. B. Schnecke, Zylinder, Düse) und die Sicherheit. Darüber hinaus führen instabile Schwankungen des Extrusionsdrucks direkt zu Schwankungen im Schmelzausstoß und damit zu ungleichmäßiger Foliendicke.

4. Begrenzter Durchsatz: Um Probleme wie Schmelzbruch und Ablagerungen an der Düse zu vermeiden oder zu minimieren, sind Hersteller häufig gezwungen, die Drehzahl der Extruderschnecke zu reduzieren, wodurch der Produktionsausstoß begrenzt wird. Dies wirkt sich direkt auf die Produktionseffizienz und die Herstellungskosten pro Produkteinheit aus und erschwert die Deckung der Marktnachfrage nach großflächigen, kostengünstigen Folien.

5. Schwierigkeiten bei der Schichtdickenkontrolle: Instabilitäten im Schmelzfluss, ungleichmäßige Temperaturverteilung im Werkzeug und Materialablagerungen können zu Schwankungen der Schichtdicke in Quer- und Längsrichtung führen. Dies beeinträchtigt die Weiterverarbeitung und die Eigenschaften der Folie im Endprodukt.

6. Schwieriger Harzwechsel: Beim Wechsel zwischen verschiedenen Polyolefinharztypen oder -qualitäten bzw. beim Wechsel von Farbmasterbatches lassen sich Materialreste des vorherigen Produktionslaufs oft nur schwer vollständig aus Extruder und Düse entfernen. Dies führt zu einer Vermischung von altem und neuem Material, wodurch Übergangsmaterial entsteht, die Umrüstzeiten verlängert werden und die Ausschussrate steigt.

Diese häufig auftretenden Verarbeitungsherausforderungen schränken die Bemühungen von Polyolefinfolienherstellern ein, die Produktqualität und Produktionseffizienz zu verbessern, und stellen zudem Hindernisse für die Einführung neuer Materialien und fortschrittlicher Verarbeitungstechniken dar. Daher ist die Suche nach effektiven Lösungen zur Bewältigung dieser Herausforderungen entscheidend für die nachhaltige und gesunde Entwicklung der gesamten Polyolefinfolien-Extrusionsindustrie.

Lösungen für den Polyolefinfolien-Extrusionsprozess: Polymerverarbeitungshilfsmittel (PPAs)

Polymerverarbeitungshilfsmittel (PPAs) sind funktionelle Additive, deren Hauptnutzen in der Verbesserung des rheologischen Verhaltens von Polymerschmelzen während der Extrusion und der Modifizierung ihrer Wechselwirkung mit den Oberflächen der Anlagen liegt. Dadurch werden eine Reihe von Verarbeitungsschwierigkeiten überwunden und die Produktionseffizienz sowie die Produktqualität gesteigert.

1. Fluorpolymerbasierte PPAs

Chemische Struktur und Eigenschaften: Diese Polymer-Polymer-Anschlüsse (PPAs) stellen derzeit die am weitesten verbreitete, technologisch ausgereifte und nachweislich wirksame Klasse dar. Typischerweise handelt es sich um Homopolymere oder Copolymere auf Basis von Fluorolefin-Monomeren wie Vinylidenfluorid (VDF), Hexafluorpropylen (HFP) und Tetrafluorethylen (TFE), wobei Fluorelastomere die repräsentativste Gruppe bilden. Die Molekülketten dieser PPAs sind reich an energiereichen, unpolaren CF-Bindungen, die ihnen einzigartige physikochemische Eigenschaften verleihen: extrem niedrige Oberflächenenergie (ähnlich wie Polytetrafluorethylen/Teflon®), ausgezeichnete thermische Stabilität und chemische Inertheit. Fluorpolymer-PPAs weisen jedoch im Allgemeinen eine geringe Kompatibilität mit unpolaren Polyolefin-Matrizen (wie PE, PP) auf. Diese Inkompatibilität ist eine wichtige Voraussetzung für ihre effektive Migration auf die Metalloberflächen der Düse, wo sie eine dynamische Schmierschicht bilden.

Repräsentative Produkte: Zu den führenden Marken auf dem Weltmarkt für Fluorpolymer-PPAs zählen die Viton™ FreeFlow™-Serie von Chemours und die Dynamar™-Serie von 3M, die einen bedeutenden Marktanteil aufweisen. Darüber hinaus werden bestimmte Fluorpolymer-Typen von Arkema (Kynar®-Serie) und Solvay (Tecnoflon®) ebenfalls als PPA-Formulierungen eingesetzt oder sind wichtige Bestandteile davon.

2. Verarbeitungshilfsmittel auf Silikonbasis (PPAs)

Chemische Struktur und Eigenschaften: Die primären Wirkstoffe dieser PPA-Klasse sind Polysiloxane, allgemein als Silikone bekannt. Das Polysiloxan-Grundgerüst besteht aus alternierenden Silicium- und Sauerstoffatomen (-Si-O-), an die organische Gruppen (typischerweise Methylgruppen) gebunden sind. Diese einzigartige Molekularstruktur verleiht Silikonmaterialien eine sehr niedrige Oberflächenspannung, ausgezeichnete thermische Stabilität, gute Flexibilität und Antihafteigenschaften gegenüber vielen Substanzen. Ähnlich wie Fluorpolymer-PPAs wirken silikonbasierte PPAs, indem sie auf die Metalloberflächen der Verarbeitungsanlagen wandern und dort eine Schmierschicht bilden.

Anwendungsmerkmale: Obwohl Fluorpolymer-Polymerpolymere den Markt für Polyolefinfolienextrusion dominieren, können Silikon-Polymerpolymere in bestimmten Anwendungsszenarien oder in Kombination mit bestimmten Harzsystemen einzigartige Vorteile bieten oder Synergieeffekte erzielen. Beispielsweise eignen sie sich für Anwendungen, die extrem niedrige Reibungskoeffizienten erfordern oder bei denen spezifische Oberflächeneigenschaften des Endprodukts gewünscht sind.

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