A Die Mehrschichtfolien-Extrusionslinie ist das Kernproduktionssystem hinter allen Hochbarriere-Lebensmittelschalen, pharmazeutischen Blisterpackungen und thermogeformten Behältern, die heute auf dem Markt sind. Bei JWELL haben wir zwei Jahrzehnte damit verbracht, diese Coextrusionssysteme für Verarbeiter weiterzuentwickeln, die sich bei Liniengeschwindigkeiten über 25 Meter pro Minute keinen Sauerstoffeintritt, eine Delaminierung oder Dickenabweichung leisten können. In diesem Leitfaden wird die Technik von der Extruderanordnung über die Düsenkonstruktion bis hin zur Materialwissenschaft und Beschaffung aufgeschlüsselt.
Was ist eine Extrusionslinie für mehrschichtige Platten?
Eine Mehrschichtfolien-Extrusionslinie kombiniert zwei oder mehr Extruder, um eine einzelne Folie mit diskreten Schichten herzustellen, die jeweils eine bestimmte mechanische, optische oder Barrierefunktion erfüllen. Durch die Coextrusion können Sie eine teure Sauerstoffbarriere in der Mitte platzieren und diese gleichzeitig mit Strukturhäuten auf beiden Seiten schützen. Die Linie umfasst Extruder, einen Feedblock, eine Koextrusionsdüse, einen Kalanderstapel, Dickenmessung, Kantenbeschnitt und Wicklung. Wenn der Schmelzindexer zwischen Ihrer Verbindungsschicht und dem Sperrharz nicht übereinstimmt, trennt sich Ihre Folie im Thermoformer. JWELL baut diese Linien mit Leistungen von 300 kg/h bis 1.200 kg/h. Der entscheidende Faktor ist die Kontrolle des Schichtverhältnisses.
So funktioniert die Co-Extrusionsarchitektur
Die Architektur einer Mehrschichtfolien-Extrusionslinie dreht sich um die Konvergenz des Schmelzstroms und die Anpassung der Viskosität. Jeder Extruder schmilzt und dosiert das ihm zugewiesene Harz. Diese Schmelzen gelangen durch beheizte Rohre zu einem zentralen Feedblock, wo sie vertikal gestapelt werden, bevor sie in die Form gelangen.
Die eigentliche Herausforderung ist die Grenzflächenstabilität. Wenn zwei Polymerschmelzen aufeinandertreffen, möchte das Material mit niedrigerer Viskosität das Material mit höherer Viskosität einkapseln. Wenn in einer dreischichtigen A/B/A-Struktur die Viskosität Ihrer Hautschicht PP im Vergleich zu Ihrem Kern zu niedrig ist, wickelt sich die Haut um die Kanten, wodurch im Querschnitt eine „Hundeknochenbildung“ entsteht.
Liniensteuerungssysteme verwenden Schmelzepumpen an jedem Extruder, um Druckstöße zu vermeiden. Bei JWELL integrieren wir Zahnradpumpen mit geschlossener Druckrückführung, da selbst ein Anstieg von 2 % in Ihrer EVOH-Schicht eine Barrierelücke erzeugen kann, die eine ganze Rolle ruiniert. Dieses Maß an Kontrolle unterscheidet eine Co-Extrusionsfolienmaschine von drei eigenständigen Extrudern, die sich dieselbe Etage teilen.
Barriereschicht- und Verbindungsschichttechnik
Die Barriereschicht ist der Grund, warum die meisten Käufer in eine Mehrschichtplatten-Extrusionsanlage investieren. Bei Lebensmittelverpackungen bestimmt die Sauerstoffdurchlässigkeitsrate (OTR) die Haltbarkeit. Eine einschichtige PP-Platte könnte 1.500 cm³/m²/Tag übertragen. Fügen Sie einen 20-Mikrometer-EVOH-Kern hinzu, und Sie sinken unter 1 cm³/m²/Tag. Das ist der Unterschied zwischen einem Sieben-Tage-Joghurtbecher und einem Fünfundvierzig-Tage-Joghurtbecher.
EVOH haftet jedoch nicht an Polyolefinen. Es ist hygroskopisch, spröde und thermisch empfindlich. Legen Sie es ohne Verbindungsschicht zwischen zwei PP-Häute, und die Platte versagt im Thermoformer.
Hier kommt die Verbindungsschicht ins Spiel. Verbindungsharze sind mit Maleinsäureanhydrid gepfropfte Klebstoffe, die entwickelt wurden, um polare Barrierematerialien mit unpolaren Strukturschichten zu verbinden. In einer typischen fünfschichtigen A/B/C/B/A-Folie gibt es eine PP-Haut, einen Haftklebstoff, eine EVOH-Barriere, einen Haftklebstoff und eine PP-Haut. Die Verbindungsschicht macht in der Regel nur 5 bis 10 % der Gesamtdicke aus, aber ohne sie delaminiert Ihr Blech in dem Moment, in dem es auf den Thermoformer mit Plug-Assist trifft. Wir finden, dass ein Bindungsverhältnis von 8 % bis 12 % pro Seite für die meisten PP/EVOH-Kombinationen geeignet ist.
Feedblock- und Co-Extrusionsdüsendesign
Der Feedblock ist der Verkehrscontroller. Seine internen Strömungskanäle müssen jeden Schmelzstrom in einer gleichmäßigen Schicht mit sauberen, parallelen Grenzflächen verteilen. JWELL verwendet modulare Feedblöcke mit austauschbaren Einsätzen, sodass Prozessoren von dreischichtigen auf fünfschichtige Konfigurationen wechseln können, ohne den gesamten Block austauschen zu müssen.
Im Inneren des Feedblocks trennen Flügel die Schmelzeströme bis zum endgültigen Zusammenführungspunkt. Je näher am Düseneingang die Verschmelzung erfolgt, desto weniger Zeit bleibt den Schmelzen zum Ineinanderdiffundieren. Für Barriereanwendungen sind wir auf eine kurze Verweilzeit nach dem Zusammenführen ausgelegt, um den thermischen Abbau empfindlicher Harze wie EVOH zu minimieren.
Die Koextrusionsdüse selbst ist ein Kleiderbügelverteiler, der die schichtweise Schmelze über die gesamte Plattenbreite verteilt. Die Einstellung des Lippenspalts ist von entscheidender Bedeutung. Selbst eine Abweichung von 0,05 mm bei einer 1.200-mm-Matrize führt zu einer Dickenabweichung, die durch eine nachgeschaltete Messung nicht vollständig korrigiert werden kann. JWELL-Matrizen verfügen über eine automatische thermische Bolzenbetätigung in Verbindung mit Profilscannern.
Die Länge des Die-Stegs beeinflusst auch die Schichtintegrität. Zu kurz, und die Schmelze entspannt sich nicht, bevor sie austritt. Zu lange, und Schererwärmung treibt EVOH über seine Abbauschwelle hinaus. Unser Standard ist ein Steg-zu-Lücken-Verhältnis von 50:1 für mehrschichtige Strukturen auf PP-Basis, das für temperaturempfindliche Barrieren nach unten angepasst wird.
Fünfschichtige Plattenextrusionsmaschinenkonfigurationen
Wenn Verarbeiter über drei Schichten hinausgehen, zielen sie auf strenge Barriereanforderungen oder Recyclinginhalte ab. A Eine Fünfschicht-Plattenextrusionsmaschine erhöht die Komplexität, eröffnet aber Möglichkeiten, die Dreischichtsysteme nicht bieten können.
Der klassische fünfschichtige Aufbau für Milch- und Schutzatmosphärenverpackungen ist PP/Krawatte/EVOH/Krawatte/PP. Wir sehen auch sechsschichtige Varianten für Tiefzieh-Fleischschalen, bei denen Nylon für zusätzliche Durchstoßfestigkeit sorgt. Einige Verarbeiter verarbeiten A/B/C/B/A mit einer Mahlgutschicht im Kern, flankiert von Frischhaut- und Verbindungsschichten sowie einer dünnen EVOH-Barriere. Dadurch können sie Randbeschnitt verbrauchen, ohne dass recyceltes Material der Produktkontaktfläche ausgesetzt wird.
Aus maschineller Sicht benötigt eine Fünfschichtlinie fünf Extruder oder vier, wenn man beide Verbindungsschichten über einen geteilten Strom versorgt. Wir empfehlen für jedes Harz einen eigenen Extruder, da die Reinigung schneller erfolgt und Sie Kreuzkontaminationen vermeiden. Bei dieser Schichtanzahl sind Zahnradpumpen an jedem Extruder nicht mehr verhandelbar. Auch die Zoneneinteilung der Kalanderwalzentemperatur ist wichtig; Fünfschichtige Platten mit dünnen Barrierekernen kühlen ungleichmäßig ab, wodurch innere Spannungen und Wellen entstehen. Wir legen unterschiedliche Walzentemperaturen und manchmal eine Infrarot-Vorkühlung fest, um das Wärmeprofil auszugleichen.
Anwendungen für Barrierefolien-Extrusionsmaschinen
Extrusionsmaschinen für Barrierefolien bedienen Märkte, in denen Haltbarkeit und Produktschutz höchste Preise erfordern. Es dominieren Lebensmittelverpackungen: Milchbecher, Fleischschalen, Margarinebecher und Fertiggerichtböden. Die Folie muss Sauerstoff blockieren, Feuchtigkeit speichern, Fett widerstehen und aggressives Thermoformen ohne weiße Spannungsmarkierungen oder Barrierebrüche überstehen.
Eine weitere hochriskante Anwendung sind pharmazeutische Blisterverpackungen. Eine mehrschichtige Folienextrusionslinie zur Herstellung von APET/EVOH- oder PVC/PVDC-Strukturen muss unter reinraumnahen Bedingungen mit validierten Prozessparametern betrieben werden. Jedes Loch im EVOH stellt ein Chargenrisiko dar.
Industrielle und kosmetische Anwendungen nehmen zu. Kraftstofftanks verwenden mehrschichtige coextrudierte Platten als leichtere Alternative zu blasgeformten Teilen; Die Barriereschicht verhindert das Eindringen von Kohlenwasserstoffen, während die Strukturhäute Stöße abfangen. Cremetiegel und Serumschalen benötigen eine Sauerstoffbarriere, um die Wirkstoffe zu bewahren, und außerdem eine glänzende Ästhetik, die einschichtiges PP nicht erreichen kann. Eine coextrudierte Folie mit einer PETG-Haut und einem EVOH-Kern bietet beides.
Materialauswahl: Von PP/PS bis EVOH
Bei der Auswahl von Harzen für eine Extrusionslinie für mehrschichtige Folien geht es um eine Abwägung zwischen Barriereleistung, Verarbeitbarkeit und Kosten. Polypropylen bleibt das Arbeitspferd für Strukturschichten. Es ist günstig, robust und lässt sich gut thermoformen. Da PP jedoch eine schlechte Sauerstoffbarriere aufweist, benötigt es für empfindliche Produkte EVOH oder PVDC im Kern.
Polystyrol, insbesondere hochschlagfeste Sorten, kommt aufgrund seiner Steifigkeit und Bedruckbarkeit immer noch in Milch- und Feinkostbehältern vor. HIPS/EVOH/HIPS ist eine gängige dreischichtige Struktur für Joghurtdeckel. PS lässt sich bei niedrigeren Temperaturen leichter verarbeiten als PP, was hilfreich ist, wenn Ihre Sperrschicht thermisch empfindlich ist.
EVOH ist der Goldstandard für die Sauerstoffbarriere. Kuraray EVAL und Nippon Gohsei Soarnol sind die Hauptlieferanten. Der Haken ist die Feuchtigkeitsempfindlichkeit. Trockenes EVOH hat bei 0 % relativer Luftfeuchtigkeit eine OTR von weniger als 0,5 cm³·mm/m²·Tag·atm. Bei 85 % Luftfeuchtigkeit steigt dieser Wert um eine Größenordnung. Deshalb ist EVOH immer in einer feuchtigkeitsbeständigen Haut vergraben. In Märkten mit hoher Luftfeuchtigkeit spezifizieren wir manchmal PA6-Außenhäute mit einem EVOH-Innenkern oder raten Verarbeitern, die Platten vor dem Thermoformen in klimatisierten Umgebungen zu lagern.
Verbindungsharze müssen der Polarität benachbarter Schichten entsprechen. Für PP/EVOH eignet sich mit Maleinsäureanhydrid gepfropftes PP. Für PET/EVOH benötigen Sie eine andere Chemie, oft auf Ethylenbasis mit Epoxidfunktionalität. Die Verwendung des falschen Verbindungsharzes ist wie die Verwendung des falschen Schweißdrahts: Die Verbindung sieht gut aus, bis Spannung aufgebracht wird.
Recycelte Inhalte werden von Markeninhabern zunehmend spezifiziert. Postindustrielles Mahlgut aus Kantenbeschnitten lässt sich problemlos in einer berührungslosen Schicht wieder einbringen. Post-Consumer-Recyclingharz ist härter, da Verunreinigungen und IV-Abbau die Haftung der Verbindungsschicht beeinträchtigen. Wir arbeiten mit Prozessoren zusammen, um PCR-Ströme zu qualifizieren und sie in Kernschichten zu platzieren, wo die Ästhetik weniger wichtig ist.
Was ist beim Kauf einer Co-Extrusionsfolienmaschine zu beachten?
Durch den Kauf einer Co-Extrusionsfolienmaschine ist Ihre Anlage für mindestens fünfzehn Jahre an ein Prozessfenster gebunden. Der Preis pro Meter ist die falsche Maßeinheit. Berücksichtigen Sie die Gesamtbetriebskosten, die Präzision der Schichtsteuerung und die Erfahrung des Lieferanten mit Ihrer Harzkombination.
Beginnen Sie mit der Genauigkeit des Schichtverhältnisses. Fordern Sie dokumentierte Abweichungsdaten während eines Produktionslaufs an. Ein gutes System hält jede Schicht auf ±3 % der Zieldicke. Untersuchen Sie den Feedblock: Ist er modular? Können Sie zum Reinigen auf die Strömungsschaufeln zugreifen, ohne den gesamten Block zu demontieren? EVOH und Bindemittelharze zersetzen sich in stehenden Ecken. Ein Feedblock mit toten Stellen ist ein Wartungsalptraum.
Genauso wichtig ist das Design des Werkzeugs. Fragen Sie nach der Lip-Einstellmethode, der Reaktionszeit des thermischen Bolzens und der maximalen Arbeitsbreite im Verhältnis zu Ihren Anforderungen. Wenn Sie eine 1.000-mm-Matrize kaufen und später auf 1.400 mm erweitern möchten, benötigen Sie möglicherweise eine völlig neue Matrize und einen neuen Kalanderstapel.
Übersehen Sie nicht den Kalenderstapel. Rollendurchmesser, Material und Temperaturkontrolle bestimmen den Oberflächenglanz und die Gleichmäßigkeit der Dicke. Als Barrierefolie empfehlen wir verchromte Rollen mit Einzelzonenregelung auf ±1°C. Der Spalt zwischen den beiden oberen Walzen muss mikrometergenau einstellbar sein, da dieser Spalt die endgültige Blattdicke bestimmt.
Bestehen Sie abschließend auf Schulung und Dokumentation. Eine Extrusionslinie für mehrschichtige Platten ist nur so gut wie der Bediener, der sie bedient. JWELL umfasst die Überwachung des Anlaufs, die Entwicklung von Rezepturen und die Zertifizierung von Bedienern, da wir gesehen haben, dass zu viele Produktionslinien eine unterdurchschnittliche Leistung erbringen, einfach weil das Team nie gelernt hat, die Extruder-Leistungen mit den Schmelzpumpen-Sollwerten in Einklang zu bringen.
FAQ
Was ist die Mindestschichtdicke für EVOH in einer mehrschichtigen Folie?
In den meisten Lebensmittelverpackungen bieten 15 bis 25 Mikrometer eine ausreichende Sauerstoffbarriere. Bei dünneren Materialien besteht die Gefahr von Nadellöchern beim Thermoformen. Bei einer Dicke von mehr als 40 Mikrometern wird die Barriere selten proportional verbessert, da EVOH feuchtigkeitsempfindlich ist.
Kann ich eine Mehrschichtanlage mit recyceltem Material betreiben?
Ja, aber die Platzierung ist wichtig. Postindustrielles Mahlgut kann in einer zentralen Strukturschicht untergebracht werden, die durch Frischhäute und Ihre Barriereschicht vom Produktkontakt getrennt ist. Post-Consumer-Harz erfordert eine sorgfältige Qualifizierung.
Wie unterscheidet sich ein Feedblock von einer Mehrfachverteilerdüse?
Ein Feedblock führt Schmelzeströme zu einem geschichteten Stapel zusammen, bevor sie in eine Einzelverteilerdüse gelangen. Eine Matrize mit mehreren Verteilern verfügt über separate Kanäle, die nur an den Matrizenlippen zusammenlaufen. Feedblocks sind einfacher und billiger. Für die meisten PP/EVOH-Platten ist ein Feedblock die richtige Wahl.
Was verursacht Delaminierung bei coextrudierten Platten?
Unverträgliches Verbindungsharz, unzureichende Verbindungsschichtdicke oder übermäßige Scherbeanspruchung beim Thermoformen. Wenn Ihre Verbindungsschicht korrekt ist und immer noch nicht funktioniert, überprüfen Sie vor dem Formen die Blechtemperatur.
Wie lange hält eine typische Extrusionslinie für Mehrschichtplatten?
Bei ordnungsgemäßer Wartung hält die mechanische Struktur zwanzig bis fünfundzwanzig Jahre. Extruderzylinder und -schnecken verschleißen schneller, typischerweise zehn bis fünfzehn Jahre. JWELL verwendet aktualisierbare SPS-Architekturen. Planen Sie alle acht bis zehn Jahre eine Schneckensanierung ein, wenn Sie mineralgefülltes PP verwenden.
