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H.-C. Langowski Verpackungstechnik - Systeme Metalle

Metall-verpackungen


Einsatz von Metallen in der Lebensmittelverpackungstechnik

Als Packstoffe für Lebensmittelverpackung werden hauptsächlich folgende Metalle verwendet:

− Eisen (Weißblech, Feinblech, verchromtes Blech)− Aluminium (Bleche, Folien)

Die Metalle Zn, Sn, Cr werden überwiegend zum Oberflächenveredelneingesetzt

− Zinn wird auch zum Löten verwendet− Blei darf aus gesundheitlichen Gründen nicht in direkten Kontakt zu den

Lebensmitteln kommen (Franklin-Expedition zur Nordwestpassage: „An Bleivergiftungals einer der Hauptursachen für körperliches Versagen der Expeditionsteilnehmer wird nach der eingehenden Untersuchung von drei gut erhaltenen Leichen auf der Beechey-Insel und weiteren Knochenfunden auf der King-William-Insel durch den kanadischen Wissenschaftler Owen Beattie 1986 nicht mehr gezweifelt.“)

− Chrom darf nicht in Dauerkontakt mit Lebensmitteln kommen; kurzfristiger Kontakt zum Beispiel beim Schneiden mit verchromten Messern verursacht keinen messbaren Stoffübergang.ECCS (electrolytically cromium coated steel) = elektrolytisch verchromter Stahl wird von nicht-oxidierenden Säuren angegriffen und muss daher mit Schutzlack versehen werden

http://de.wikipedia.org/wiki/Bleivergiftung�

http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Owen_Beattie&action=edit&redlink=1�


Vor- und Nachteile von Metallverpackungen

temperaturbeständig− Füllen bei höheren Temperaturen

Wärmebehandeln im Behälter beim Pasteurisieren und Sterilisieren

mechanisch unempfindlich, formstabil, vakuumfest, innendruckfest, stapeldruckfest und stoßfest auch bei hohen und tiefen Temperaturen

gas-, wasserdampf- und aromadicht

langzeitdicht

korrosionsanfällig− besonders Eisen

lichtundurchlässig alterungsbeständig chemisch, mikrobiologisch und

physiologisch unbedenklich transportsicher werbewirksam bedruckbar elektrostatisch nicht aufladbar unbrennbar gute Sortier- und

Recyclingfähigkeit

hohe Dichte− Eisen ≈7800 kg/m³− Aluminium ≈2700 kg/m³

+

-


Weißblech


Schematische Darstellung der Weißblechherstellung


Verfahrensschritte der Weißblechherstellung - 1

Beizen− Entfernen der Eisenoxidschicht− mit Salz- oder Schwefelsäure− mechanische Auflockerung der Oxidschicht

Kaltwalzen− Dickenverminderung− Quartogerüste mit übereinander angeordneten Walzenpaaren

(Arbeitswalze, Stützwalze)− automatische Banddickenregelung− Dickenbereich der Enderzeugnisse: 150-490 µm; Dickenabnahme

über 90 %


Verfahrensschritte der Weißblechherstellung - 2

Glühen− Verfestigung beim Kaltwalzen macht Verformen unmöglich− Rekristallisierendes Glühen zur besseren Verformbarkeit− Haubenglühverfahren, Durchlaufglühen− Erwärmen auf 600-700 °C in Schutzgasatmosphäre

Nachwalzen− Dickenabnahme 1 %− Beeinflussung der Gitterstruktur− Oberflächenbehandlung


Verzinnen

Feuerverzinnen durch Aufbringen von flüssigem Zinn Elektrolytisch verzinntes Weißblech

− gleiche Zinnauflage auf beiden Seiten− Differenzverzinntes Weißblech

Passivieren vermindert Bildung von Zinnoxid Einölen zur Verbesserung der Gleiteigenschaften auch: spezialverchromte Feinstbleche, Metallüberzüge aus

Aluminium und Nickel


Aufbau von Weißblech

Schichtaufbau von Weißblech Übliche Zinnauflagemengen für lackierte Packmittel:

− Konservendosen 1,5-5,6 g/m2

− Getränkedosen 1,0-2,8 g/m2

− Aerosoldosen 1,0-2,8 g/m2

Schichtaufbau von Weißblech −


Aufgaben− Korrosionsschutz− Dekorative Aufgaben− Reduktion der Zinnauflage

Innenschutzlacke, Polymerbeschichtungen− Vermeiden von Wechselwirkungen zwischen Verpackung und Füllgut− Auftragsmenge: 3-15 g/m2

− Epoxidharze, Phenolharze, Öllacke, Vinylharze, andere Polymerschichten

Außenlackierung− Schutzlackierung (wie Innenschutzlacke)− Dekorationslackierung

Grundierung Lackierung mit pigmentiertem Lack Bedrucken im Offset-Blechdruckverfahren Lackierung mit Klarlack

Organische Überzüge


Verfahren zur Dosenherstellung

Geschweißte Dose Tiefgezogene Dose Abgestreckte Getränkedose1. Bedrucken und Lackieren von

Tafeln für die Rumpffertigung1. Tafeln bedrucken und lackie-

ren1. Ronden schneiden, tiefziehen

2. Lackieren von Tafeln für dieBoden-Lackhaftung undDeckelherstellung

2. Ronden aus Tafeln ausstanzen 2. Abstrecken und Boden prägen

3. Stanzen von Böden undDeckeln

3. Ronden in mehreren Arbeits-folgen tiefziehen

3. Rand beschneiden, trimmen

4. Tafeln in Rumpfzargenzerschneiden

4. Böden prägen 4. Waschen und Trocknen

5. Rümpfe einrunden undschweißen

5. Bördel beschneiden 5. Außenlackieren, Bedrucken

6. Rumpfnaht mit Pulverbeschichten und trocknen

6. Transport der Leerdosen 6. Rand einziehen und bördeln

7. Bördeln 7. Dichtigkeitskontrolle undstatistische Qualitätskontrolle

7. Innenlackieren

8. Boden verschließen 8. Abstapeln der Dosen aufPaletten

8. Transport der Leerdosen

9. Sicken 9. Endverpacken 9. hundertprozentige Dichtig-keitskontrolle, statistischeQualitätskontrolle

10. Transport der Leerdosen 10. Lagerung 10. Abstapeln der Dosen aufPaletten

11. Dichtigkeitskontrolle undstatistische Qualitätskontrolle

11. Endverpacken

12. Abstapeln der Dosen undPaletten

12. Lagern

13. Endverpacken14. Lagern


Herstellen dreiteiliger Dosenmit geklebter Längsnaht


Herstellen dreiteiliger Dosenmit gelöteter Längsnaht


Beispiele für Dosen:abgedeckte Längsnaht

Längsnaht von innen

Längsnaht von außen


Recycling von Weißblech


Schema des Weißblechrecyclings

Handel

Füllen und Verschließen

Herstellen der Packung

Herstellen von Weißblech

Schmelzen im Stahlwerk

magnetisches Aussortieren

Wertstofftonne

Verbraucher


Verpackungen aus Weißblech

Konservendosen

Getränkedosen

Dosen für chemisch-technische Füllgüter

Aerosoldosen

Eimer, Hobbocks, Kanister

Schmuckdosen

Gläser- und Flaschenverschlüsse


Weißblechverschlüsse


Korrosion von Weißblech


Korrosion – 1

Unter Korrosion versteht man im Allgemeinen einen elektrochemischen Vorgang an Metalloberflächen

Aber auch andere Packstoffe wie Papier (Schimmel und Bakterien) und Kunststoffe (Spannungsrisskorrosion) können korrodieren

Korrosion kann ausgelöst werden durch:− äußere Umwelteinflüsse− Wechselwirkung zwischen Füllgut und

Verpackungsinnenseite


Korrosion – 2

Korrosionsauslösende Faktoren beruhen auf unterschiedlichen Effekten:

− Dissoziationsgrad der meist schwachen, nicht oxidierenden Säuren

− Reinheitsgrad des Metalls z. B. Aluminium. Es bildet sich Wasserstoff, vor allem an Korngrenzen oder an Einschlüssen im Metall

− Korrosion kann auch durch Berühren verschiedener Metalle entstehen (elektrochemische Spannungsreihe)


Korrosionstypen

Quelle: www.korrosion-online.de

Lochkorrosion galvanische Korrosion


elektrochemische Spannungsreihe

Fluor (F) F2 + 2e- <-> 2F- +2,87 VGold (Au) Au+ + e- <-> Au +1,69 VChlor (Cl) Cl2 + 2e- <-> 2Cl- +1,36 VSilber (Ag) Ag+ + e- <-> Ag +0,80 VEisen (Fe) Fe+++ + e- <-> Fe++ +0,77 VKupfer (Cu) Cu+ + e- <-> Cu +0,52 VKupfer (Cu) Cu++ + 2e- <-> Cu +0,34 VWasserstoff (H2) 2H+ + 2e- <-> H2 0 VBlei (Pb) Pb++ + 2e- <-> Pb -0,13 VZinn (Sn) Sn++++ + 2e- <-> Sn++ -0,15 VNickel (Ni) Ni++ + 2e- <-> Ni -0,23 VEisen (Fe) Fe++ + 2e- <-> Fe -0,45 VEisen (Fe) Fe+++ + 3e- <-> Fe -0,45 VNickel (Ni) NiO2 + 2H2O + 2e- <-> Ni(OH)2 + 2 OH- -0,49 VZink (Zn) Zn++ + 2e- <-> Zn -0,76 VChrom (Cr) Cr++ + 2e- <-> Cr -0,91 VZinn (Sn) Sn++ + 2e- <-> Sn -1,38 VAluminium (Al) Al+++ + 3e- <-> Al -1,66 VTitan (Ti) Ti++ + 2e- <-> Ti -1,77 VMagnesium (Mg) Mg++ + 2e- <-> Mg -2,37 V


Beispiel: galvanische Korrosion

Aufreißdeckel aus Aluminium bilden an der Berührungsstelle mit dem Dosenrumpf aus Weißblech ein Lokalelement.

Das Element mit der kleineren positiven Spannung geht in Lösung. Kommt noch Schwitzwasser als Elektrolyt hinzu, wird das Aluminium mit seinem negativen Potential zur Anode eines galvanischen Elements und gibt positiv geladene Metallionen an den Elektrolyt ab.


Zinn- und eisenlösende Lebensmittel

Zinnlösende Füllgüter− Spargel, Bohnen, Spinat, Sellerie − Pilze− Rhabarber − Pfirsiche− Zitrus- und Orangengetränke − schwarze Johannisbeeren− Kondensmilch

Die zulässige Grenze wird im Codex Alimetarius mit <150 ppm Sn angegeben

Eisenlösende Füllgüter− Bohnen − Himbeeren− Erdbeeren, − schwarze Johannisbeeren− Colagetränke

Eine Konzentration von rund 30 ppm Fe führt zur Geschmacks-beeinflussung


Anodische und kathodische Korrosion von Weißblech

Anodische Korrosion (Beispiel Zitrusgetränk)

− Ein Loch in der Lackschicht bewirkt, dass Zinn als Opferanode (-) in Lösung geht. Das darunterliegende Eisen wird nicht angegriffen.

Kathodische Korrosion (Beispiel Colagetränke)

− Ein Loch in der Lackschicht bewirkt, dass Eisen (-) gegenüber dem Zinn (+) als Anode wirkt. Es kommt zum Lochfraß durch galvanische Korrosion (Durchrosten).


Korrosion verursachende bzw. fördernde Lebensmittelinhaltsstoffe

Lebensmittel InhaltsstoffeGemüse schwefelhaltige Aminosäuren, Luftsauerstoff,

Oxalsäure (Spinat), Chloride, Nitrate, Kupfer, Abbauprodukte von Ascorbinsäure und Pektin

Obst, Obstsäfte, Wein, Bier, Spirituosen

organische Säuren, insb. Hydroxysäuren, Oxalsäure (Rhabarber), Anthocyane, Flavonole, Catechine, Schwefelverbindungen, schweflige Säure, Luftsauerstoff, Kupfer

Fette, Milch, Milcherzeugnisse

freie Fettsäuren, H2S, freie Sulfhydrilgruppen, Mercaptane, Luftsauerstoff, Hydroperoxide

Fleisch, Fisch, Krustentiere und andere proteinhaltige Lebensmittel

H2S, freie Sulfhydrilgruppen, Mercaptane, Trimethylaminoxid, Ascorbinsäure, Nitrit, Polyphosphate, Kochsalz

Quelle: Schormüller, J.: Lehrbuch der Lebensmittelchemie


Aluminium


Vorkommen und Gewinnen von Aluminium

Nach Silicium ist Aluminium das zweithäufigste Metall der äußeren Erdkruste.

Aluminium wird durch Schmelzen von Bauxit gewonnen, (ein Tonerdehydratgestein mit 50 bis 65 % Al2O3).

Zum Herstellen von 1 t Reinaluminium aus Bauxit werden rund 14.000 kWh benötigt.

Gewinnt man das Aluminium aus Aluminium-Recyclat, so werden nur rund 800 kWh/t benötigt, das sind nur 5,7 %.

Beim Stahlschmelzen werden rund 6.000 kWh/t benötigt


Vorkommen und Gewinnen von Aluminium

Aluminium besitzt aufgrund seiner kristallinen Struktur eine gute Verformbarkeit.

Durch Rekristallisieren erhält man eine kleinere Korngröße, so dass man im Extremfall Folien mit einer minimalen Dicke von 4 µm auswalzen kann.


Schema der Aluminiumgewinnung

Aluminium-MasselnAluminium Barren

Reinaluminium

Tonerdereines Aluminiumoxid

Al2O3

BauxitAl2O3 55 %

Fe2O3 18-28 %SiO2 <7 %; TiO2 <4 %

– Aufschließen durch Natronlauge– Abscheiden des Aluminiumhydroxids– Trocknen im Drehrohrofen, 1200-1300 °C

– Aluminium-Elektrolyse im Elekrolyseofen

– Abziehen des Reinaluminiums

4 t

2 t

1 t


Aluminiumhütten in Europa

Stand 2005:

H: Hydroaluminium (einschl. VAW)

A: Alcoa

Alc: Alcan (einschl. Pechiney und Alusuisse)

H

H

H HH

H

H

Alc

AlcAlc

Alc

AlcAlc

Alc

Alc

Alc

A

A

A A

A

A

Corus Al

Trimet

Rio Tinto


Schema einer Aluminium-Elektrolysezelle


Aluminium-Recycling


Stoffwert Aluminium Eisen

Dichte ρ kg/m3 2700 7876

Schmelztemperatur ϑs °C 658 1530

spezifische Wärmekapazität cp kJ/(kg K) 0,886 0,464

Schmelzenthalpie ∆hs kJ/kg 355 206

Wärmeleitfähigkeit λ W/(m K) 222 67

Vergleich einiger physikalischer Stoffwertevon Aluminium und Eisen


Aluminiumpositive technologische Eigenschaften

Weitgehend korrosionsbeständig durch schützende natürliche Oxidschicht aus Al2O3

Niedrige Dichte von 2,7 g/cm³ (Eisen 7,8 g/cm³)

Gute Festigkeitseigenschaften; Steigerung der Festigkeit durch Legierungen (Si, Mg, Cu,..)

Leichte Verformbarkeit Kleine Ein- und

Weiterreißfestigkeit Leichte spanabhebende

Formgebung Niedriger Schmelzpunkt:

660 °C (Eisen 1530 °C)

Gute Wärmeleitfähigkeit Hohe elektrische Leitfähigkeit Nicht magnetisch große Temperaturbeständigkeit

zwischen -100 bis +250 °C Die reine, glänzende Oberfläche

reflektiert die Wärmestrahlen (glänzend 93 %, matt 77 %)

Bedruckbarkeit Absolute Gasdichtigkeit ab 20 µm Dichtigkeit gegenüber Flüssig-

keiten, Fetten, Ölen und Aromen Lichtschutz


Aluminiumnegative technologische Eigenschaften

Poren bei dünnen Folien (< 20 µm) Korrosionsempfindlich

− gegenüber gewissen Klebern− gegenüber SO2-haltigen Produkten (Beispiel: Rosinen);

durch Feuchtigkeit, gelöste Gase und Salze wirkt Füllgut als Elektrolyt

− gegenüber direktem Kontakt mit Schwermetallen (Fe, Cu, Messing)

Nicht an Luft schweißbarGeringe Dehnbarkeit des Rohaluminiums Reflexion von Mikrowellen


Eigenschaften von Folien und Bändern (Quelle: Alusuisse, heute: Alcan)

Art Al-Werkstoffe Zugfestigkeit Rm

in N/mm2

Bruchfestigkeit A100 in %

Kornzahl

je mm2

weiche Folien Reinaluminium 99,2 65–80 4 ∼2500

6,5 –15 µm Reinaluminium 98,6 75–85 5–6 ∼6000

AA 8014 (Al Fe Mn) 110–120 5–6 ∼30000

weiches Dünnband

Reinaluminium 99,2 90 30 ∼2500

70–100 µm Reinaluminium 98,6 95 30 ∼4000

Aluman 103 (Al Mn Cu) 120 23 ∼5000

AA 8014 (Al Fe Mn) 125 30 ∼30000

Aluman 060 (Al Mn0,5 Cu0,5) 130 18 ∼5000

Aluman 104 (Al Mn1 Cu0,5) 140 18 ∼6000


Anwendungsbereiche und Eigenschaften dünner Al-Bänder und Al-Folien

Bezeichnung Anwendungsbereich Besondere Eigenschaften Ziehverhalten (weich)

Reinaluminium Al 99,5 Folien, kaschiert und bedruckt

Reiner Aluminiumwerkstoff, große Wärmeleitfähigkeit, korrosionsbeständig

gut

Reinaluminium Al 99,2

Dünnbänder, Folien, Deckelband, Tuben Gute Verformbarkeit, gute Planlage

gut

Reinaluminium Al 98,6

Dünnwandige, tiefgezogene Behälter, Deckelband

Sehr gute Verformbarkeit bei erhöhter Festigkeit sehr gut

Reinaluminium Menüschalen, Leichtbehälter, Verschlüsse

Sehr gute Verformbarkeit bei erhöhter Festigkeit sehr gut

Al Fe Dünnband und Folien für Veredler, Deckelbänder, Flaschenkapseln Sehr gute Verformbarkeit sehr gut

Al Mn Cu Menüschalen, Leichtbehälter Verbesserte Tiefzieheigenschaften mäßig

Al Mn 0,5 Mg 0,5 Menüschalen, Leichtbehälter, Verschlüsse, Dosen, Dosendeckel

Sehr gute Verformbarkeit, geringe Zipfelbildung beim Tiefziehen sehr gut

Al Mg 3 Dosen, Aerosoldosen, Ventilteller, Deckel, Flaschenverschlüsse

Für erhöhte Anforderungen an Festigkeit, Verformbarkeit, Korrosionsbeständigkeit

sehr gut

Al Mg 0,4 Si 1,2 Dosen, Deckel Für erhöhte Anforderungen an Festigkeit, aushärtbar sehr gut


Veredeln von Aluminium

Lackieren− dünne Schutzlacke (Nitrocellulose, PVC, 2-Komponenten-Lacke)− Schutz- und Heißsiegellacke− Buntlacke

Kaschieren− Papier, Karton− Kunststofffolien

Beschichten− Extrusionsbeschichten− Schmelzbeschichten (Hotmelt)− Dispersionsbeschichten

Bedrucken− Flexodruck − Tiefdruck

(physikalisch trocknend) (Druckbild eingeätzt)− Buchdruck

(Basis: trocknende Öle) − Siebdruck


Aluminiumverpackungen

flexible Verpackungen halbstarre Verpackungen starre Verpackungen

Einwickler Leichtbehälter Dosen

Beutel sterilisierbare Al-Kunststoff-Verbunde

Fässer

Streifenpackungen Formpackungen Kegs

Durchdrückpackungen Behältnisse Verschlüsse

Formpackungen Portionsschalen Flaschen

Kombituben (Laminattuben)

Menüteller Transportbehälter

Abdeckungen Tuben

Flaschenkapseln

Etiketten


Herstellen von Folien

und Bändern


Herstellen von Al-Bändern und Folien

Für Lebensmittelverpackungen verwendet man unveredelte− Folien (4,5 bis 20 µm) DIN 1784, Blatt 3− dünne Bänder (21 bis 350 µm) DIN 1784, Blatt 2

Die gegossenen Al-Blöcke werden gewalzt und zum Herstellen dünner Folien mehrfach zwischengeglüht.

Bänder zum Herstellen von Dosen und Verschlüssen sind im Allgemeinen hart.

Beim letzten Walzvorgang werden zwei Al-Folien zusammen ausgewalzt. Dabei erhält man zwei Folien mit hochglänzender Innenseite und matter Außenseite.


Beispiele für gängige Foliendicken

Süßwaren, Zigarettenpackungen, Flüssigkeitskarton-Verpackungen,Folien- und Papierverbunde 5 – 7 µm

Schmelzkäse 9 – 15 µm Flaschenhalsfolien 12 – 15 µm Kapseln für Milchflaschen 40 – 65 µm Kleinpackungen für Marmelade,

Wurst, Fertiggerichte 80 – 150 µm


Herstellen von Al-Dosen


Herstellen von Aluminiumdosen

Aluminiumrolle Ronden stanzen Tiefziehen Schneiden

Waschen

Vorlackieren Trocknen 6-Farbendruck Decklackieren

Innenlackieren Trocknen BördelnAufhängenBilder von Pechiney, Frankreich (heute: Alcan)


Tiefgezogene und abstreckgezogene Dosen


Verengen der Dosen mit Weiterzügen


Beispiele für abgestreckte Dosen

Getränkedose


Dosendeckel


Tuben


Beispiele von Aluminiumtuben


VerfahrensschritteFließpressen von Aluminiumtuben - 1

Ausstanzen der Butzen (Lochscheiben) aus Blechen mit einer Schichtdicke von einigen mm

Beschichten der Butzen mit Gleitfett oder -puder Fließpressen unter hohem Druck (Pressdruck ca.

400 bar) Abstreifen der Rohtube vom Pressstempel mit

Abstreifring (Tube ist hart und spröde) Abschneiden auf genormte LängeWeichglühen der Tube Aufrollen des Gewindes am Tubenhals und

Entgraten


VerfahrensschritteFließpressen von Aluminiumtuben - 2

Innenlackieren, Einbrennen 8-15 µm Außenlackieren, Einbrennen 10-20 µm Bedrucken, Trocknen der Farbe

(Lösungsmittelrückstände vermeiden) Aufdrehen der Verschlüsse Auftragen von Dichtungsmaterial auf der

Innenseite des Tubenendes Transportieren zum Abfüller Füllen Verschließen (Falten und Pressen)


Fließpressen einer Aluminiumtube

Tubenformen- zylindrisch- konisch


Verschlüsse für Tubenmäntel

Verschlüsse für Tubenmäntel aus MetallDoppelfalz Dreifachfalz Sattelfalz

Ausführung gefalztglatt breit geriffelt eng geriffelt

Verschlüsse für Tubenmäntel aus Kunststoff

Ausführung geschweißtglatt genoppt geriffelt


Versand von Aluminiumtuben

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