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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 Beliebtheit verdanken sie einer außergewöhnlichen Kombination von Eigenschaften, darunter niedrige Kosten, hervorragende Verarbeitbarkeit, hervorragende chemische Stabilität und anpassbare physikalische Eigenschaften. Unter den vielfältigen Anwendungen von Polyolefinen nehmen Folienprodukte eine herausragende Stellung ein und erfüllen wichtige Funktionen in Lebensmittelverpackungen, landwirtschaftlichen Abdeckungen, Industrieverpackungen, Medizin- und Hygieneprodukten sowie alltäglichen Konsumgütern. Zu den am häufigsten für die Folienproduktion verwendeten Polyolefinharzen gehören Polyethylen (PE) – darunter lineares Polyethylen niedriger Dichte (LLDPE), Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) und Polyethylen hoher Dichte (HDPE) – und Polypropylen (PP).

Die Herstellung von Polyolefinfolien basiert hauptsächlich auf der Extrusionstechnologie, wobei die Blasfolienextrusion und die Gießfolienextrusion die beiden Kernprozesse sind.

1. Blasfolienextrusionsverfahren

Die Blasfolienextrusion ist eines der gängigsten Verfahren zur Herstellung von Polyolefinfolien. Das Grundprinzip besteht darin, ein geschmolzenes Polymer vertikal nach oben durch eine Ringdüse zu extrudieren, wodurch ein dünnwandiger, schlauchförmiger Vorformling entsteht. Anschließend wird Druckluft in das Innere dieses Vorformlings eingeleitet, wodurch dieser zu einer Blase aufgeblasen wird, deren Durchmesser deutlich größer ist als der der Düse. Beim Aufsteigen wird die Blase durch einen äußeren Luftring zwangsgekühlt und verfestigt. Die abgekühlte Blase wird dann durch eine Reihe von Quetschwalzen (häufig über einen Kollabierrahmen oder A-Rahmen) kollabiert und anschließend durch Zugwalzen gezogen, bevor sie auf eine Rolle gewickelt wird. Das Blasfolienverfahren ergibt typischerweise Folien mit biaxialer Orientierung, d. h. sie weisen sowohl in Maschinenrichtung (MD) als auch in Querrichtung (TD) ein ausgewogenes Verhältnis mechanischer Eigenschaften auf, wie z. B. Zugfestigkeit, Reißfestigkeit und Schlagzähigkeit. Foliendicke und mechanische Eigenschaften können durch Anpassung des Aufblasverhältnisses (BUR – Verhältnis von Blasendurchmesser zu Düsendurchmesser) und des Abzugsverhältnisses (DDR – Verhältnis von Aufnahmegeschwindigkeit zu Extrusionsgeschwindigkeit) gesteuert werden.

2. Gießfolienextrusionsverfahren

Die Extrusion von Gießfolien ist ein weiteres wichtiges Produktionsverfahren für Polyolefinfolien. Sie eignet sich besonders für Folien mit hohen optischen Eigenschaften (z. B. hoher Transparenz, hohem Glanz) und ausgezeichneter Dickengleichmäßigkeit. Bei diesem Verfahren wird das geschmolzene Polymer horizontal durch eine flache, schlitzförmige T-Düse extrudiert, wodurch eine gleichmäßige Schmelzbahn entsteht. Diese Bahn wird dann schnell auf die Oberfläche einer oder mehrerer schnelllaufender, innengekühlter Kühlwalzen gezogen. Die Schmelze erstarrt beim Kontakt mit der kalten Walzenoberfläche schnell. Gießfolien besitzen im Allgemeinen hervorragende optische Eigenschaften, fühlen sich weich an und sind gut heißsiegelfähig. Die präzise Steuerung von Düsenspalt, Kühlwalzentemperatur und Rotationsgeschwindigkeit ermöglicht eine genaue Regulierung der Foliendicke und Oberflächenqualität.

Die 6 größten Herausforderungen bei der Extrusion von Polyolefinfolien

Trotz ausgereifter Extrusionstechnologie stoßen Hersteller bei der praktischen Produktion von Polyolefinfolien häufig auf eine Reihe von Verarbeitungsschwierigkeiten, insbesondere wenn hohe Produktionsleistung, Effizienz, geringere Foliendicken und der Einsatz neuer Hochleistungsharze angestrebt werden. 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 stärker ausgeprägten Verformungen. Schmelzbruch tritt hauptsächlich auf, wenn die Schergeschwindigkeit der aus der Düse austretenden Polymerschmelze einen kritischen Wert überschreitet, was zu Stick-Slip-Schwingungen zwischen Düsenwand und Schmelze führt, oder wenn die Dehnungsspannung am Düsenausgang die Schmelzfestigkeit übersteigt. Dieser Defekt beeinträchtigt die optischen Eigenschaften (Klarheit, Glanz) und die Oberflächenglätte der Folie erheblich und kann auch ihre mechanischen und Barriereeigenschaften beeinträchtigen.

2. Düsenablagerungen: Darunter versteht man die allmähliche Ansammlung von Polymerabbauprodukten, niedermolekularen Fraktionen, schlecht dispergierten Additiven (z. B. Pigmenten, Antistatika, Gleitmitteln) oder Gelen aus dem Harz an den Düsenkanten oder im Düsenhohlraum. Diese Ablagerungen können sich während der Produktion ablösen, die Folienoberfläche verunreinigen und Defekte wie Gele, Streifen oder Kratzer verursachen, wodurch Aussehen und Qualität des Produkts beeinträchtigt werden. In schweren Fällen können Düsenablagerungen den Düsenausgang blockieren, was zu Dickenabweichungen und Folienrissen führt und letztendlich Produktionsstillstände zur Düsenreinigung erzwingt. Dies führt zu erheblichen Effizienzverlusten und Rohstoffverschwendung.

3. Hoher Extrusionsdruck und Druckschwankungen: Unter bestimmten Bedingungen, insbesondere bei der Verarbeitung hochviskoser Harze oder bei kleineren Düsenspalten, kann der Druck im Extrusionssystem (insbesondere am Extruderkopf und an der Düse) übermäßig hoch werden. Hoher Druck erhöht nicht nur den Energieverbrauch, sondern gefährdet auch die Lebensdauer der Anlage (z. B. Schnecke, Zylinder, Düse) und die Sicherheit. Darüber hinaus führen instabile Schwankungen des Extrusionsdrucks direkt zu Schwankungen der Schmelzeleistung und damit zu ungleichmäßiger Filmdicke.

4. Begrenzter Durchsatz: Um Probleme wie Schmelzbruch und Ablagerungen in der Düse zu vermeiden oder zu mildern, sind Hersteller oft gezwungen, die Geschwindigkeit der Extruderschnecke zu reduzieren, was die Leistung der Produktionslinie begrenzt. Dies wirkt sich direkt auf die Produktionseffizienz und die Herstellungskosten pro Produkteinheit aus und erschwert es, die Marktnachfrage nach großformatigen, kostengünstigen Folien zu erfüllen.

5. Schwierige Dickenkontrolle: Instabilitäten im Schmelzfluss, ungleichmäßige Temperaturverteilung über die Düse und Düsenablagerungen können zu Schwankungen der Foliendicke sowohl in Quer- als auch in Längsrichtung führen. Dies beeinträchtigt die spätere Verarbeitungsleistung und die Endanwendungseigenschaften der Folie.

6. Schwieriger Harzwechsel: Beim Wechsel zwischen verschiedenen Typen oder Qualitäten von Polyolefinharzen oder beim Wechsel von Farbmasterbatches ist es oft schwierig, Restmaterial aus dem vorherigen Durchgang vollständig aus Extruder und Düse zu entfernen. Dies führt zur Vermischung von altem und neuem Material, zur Entstehung von Übergangsmaterial, zu längeren Umrüstzeiten und höheren Ausschussraten.

Diese allgemeinen Verarbeitungsprobleme behindern die Bemühungen der Polyolefinfolienhersteller, 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 Polyolefinfolienextrusionsindustrie.

Lösungen für den Polyolefinfolien-Extrusionsprozess: Polymerverarbeitungshilfsmittel (PPAs)

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

1. Fluorpolymerbasierte PPAs

Chemische Struktur und Eigenschaften: Dies ist derzeit die am weitesten verbreitete, technologisch ausgereifteste und nachweislich wirksamste Klasse von PPAs. Es handelt sich typischerweise um Homopolymere oder Copolymere auf Basis von Fluorolefinmonomeren wie Vinylidenfluorid (VDF), Hexafluorpropylen (HFP) und Tetrafluorethylen (TFE), wobei Fluorelastomere am repräsentativsten sind. Die Molekülketten dieser PPAs sind reich an CF-Bindungen mit hoher Bindungsenergie und geringer Polarität, die ihnen einzigartige physikochemischen Eigenschaften verleihen: extrem niedrige Oberflächenenergie (ähnlich wie Polytetrafluorethylen/Teflon®), ausgezeichnete thermische Stabilität und chemische Inertheit. Kritisch ist, dass Fluorpolymer-PPAs im Allgemeinen eine schlechte Kompatibilität mit unpolaren Polyolefinmatrizen (wie PE, PP) aufweisen. Diese Inkompatibilität ist eine wichtige Voraussetzung für ihre effektive Migration zu den Metalloberflächen der Matrize, wo sie eine dynamische Schmierbeschichtung bilden.

Repräsentative Produkte: Zu den führenden Marken auf dem globalen Markt für Fluorpolymer-PPAs zählen die Viton™ FreeFlow™-Serie von Chemours und die Dynamar™-Serie von 3M, die einen bedeutenden Marktanteil haben. Darüber hinaus werden bestimmte Fluorpolymertypen von Arkema (Kynar®-Serie) und Solvay (Tecnoflon®) als Schlüsselkomponenten in PPA-Formulierungen verwendet oder sind solche.

2. Silikonbasierte Verarbeitungshilfsstoffe (PPAs)

Chemische Struktur und Eigenschaften: Die primären Wirkstoffe dieser PPA-Klasse sind Polysiloxane, allgemein als Silikone bezeichnet. Das Polysiloxan-Grundgerüst besteht aus alternierenden Silizium- 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 Verarbeitungsgeräte migrieren und dort eine Schmierschicht bilden.

Anwendungsmerkmale: Obwohl Fluorpolymer-PPAs den Bereich der Polyolefinfolienextrusion dominieren, bieten silikonbasierte PPAs einzigartige Vorteile oder erzeugen Synergieeffekte, wenn sie in bestimmten Anwendungsszenarien oder in Verbindung mit bestimmten Harzsystemen eingesetzt werden. Sie kommen beispielsweise für Anwendungen in Frage, die extrem niedrige Reibungskoeffizienten erfordern oder bei denen spezielle Oberflächeneigenschaften für das Endprodukt gewünscht sind.

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