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Dr. Bertram Schmitz, Size Matters-12.06.20131
Nanotechnologie in biaxial verstreckten Polypropylenfolien (BOPP)
Anwendungen und Entwicklungstrends
Dr. Bertram Schmitz, Size Matters-12.06.2013
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
Dr. Bertram Schmitz, Size Matters-12.06.2013
• 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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Dr. Bertram Schmitz, Size Matters-12.06.2013
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
Dr. Bertram Schmitz, Size Matters-12.06.2013
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
Dr. Bertram Schmitz, Size Matters-12.06.2013
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
Dr. Bertram Schmitz, Size Matters-12.06.2013
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
Dr. Bertram Schmitz, Size Matters-12.06.2013
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
Dr. Bertram Schmitz, Size Matters-12.06.2013
‐Spherulith
‐Spherulith
Castfolie Längsgestreckte Folie Biaxial verstreckteEndfolie
BOPP‐Folien mit nanostrukturierten Oberflächen
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
BOPP‐Folien mit nanostrukturierten Oberflächen
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
Nanostrukturierte BOPP‐Folien
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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
Nanostrukturierte BOPP‐Folien
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