Informieren Sie sich hier, wie Sie dank der Zusammenarbeit führender Unternehmen im Bereich mikrozelluläres Schäumen und mehrschichtiges Kopfdesign neue Möglichkeiten zur Gewichtsreduzierung und Wiederverwertung von Verbraucherverpackungen nutzen können.
#nachhaltigkeit
Dieser Artikel wurde ursprünglich am veröffentlicht Kunststofftechnologie, PTOnline.com.
Geschrieben von Sam Dix, Direktor für Forschung und Entwicklung.
Die Verwendung recycelter Kunststoffmaterialien ist ein entscheidender Faktor auf dem Weg zu einer vollständig geschlossenen Kreislaufwirtschaft in der Kunststoffindustrie. Einfach ausgedrückt müssen die Hersteller ihren Energie- und Rohstoffverbrauch senken, um die strengen neuen Gesetze zu erfüllen, die 2025 in Kraft treten sollen und die in der im November 2022 von der Europäischen Kommission veröffentlichten vorgeschlagenen Verpackungsverordnung festgelegt sind. Kontaktempfindliche Kosmetikprodukte beispielsweise werden bis 40 35 % Post-Consumer-Regrind (PCR) enthalten und alle anderen Flaschenverpackungen werden bis 65 2030 % bzw. 2065 % enthalten. Das ist eine große Aufgabe.
Die Herausforderung besteht nicht nur in der Versorgung, Verfügbarkeit und Qualität von recycelten Harzen, sondern auch in der Entwicklung neuer Verfahren, um ihre Nutzung zu ermöglichen und ihr Potenzial auszuschöpfen. Angesichts des plötzlichen Bedarfs an PCR und der Notwendigkeit einer respektablen Qualität werden die Kosten wahrscheinlich ein Problem darstellen. Insbesondere Markeninhaber suchen nach Möglichkeiten, mit den Neuproduktkonfigurationen der heute üblichen Verpackungsspezifikationen kostenmäßig wettbewerbsfähig zu bleiben. Auch die Gewichtsreduzierung durch Aufschäumen hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen und wird als Alternative zur Reduzierung der Materialstärke, die die Topload-Leistung beeinträchtigen kann, zunehmend eingesetzt.
Expertenpartnerschaft erleichtert Einführung
Trexel, ein Marktführer im Bereich der Schaumtechnologien zur Gewichtsreduzierung, und W.Müller, ein Marktführer im Blasform-Mehrschichtkopfdesign, haben eine Partnerschaft geschlossen um eine Leichtbaulösung für die Einbeziehung von PCR zu schaffen und die Kosten der Flaschenproduktion zu senken, ohne die mechanischen Eigenschaften wesentlich zu beeinträchtigen. Trexel liefert sowohl physikalische als auch chemische Schaum-Leichtbaulösungen für Spritzguss und Blasformen. Seine MuCell-Technologie für physikalische Schäumung ist jetzt Standard oder optional auf vielen OEM-Spritzgussplattformen. Mit einem aktuellen Fokus auf Verpackungslösungen im Spritzguss sowie der Geschichte des Unternehmens beim Schäumen von blasgeformten Autokanälen mit dem Akkumulatorkopfverfahren hat Trexel eine MuCell-Schäumlösung für das Extrusionsblasformen (EBM) für Shuttle- und Radmaschinen. Trexel arbeitet jetzt mit Markeninhabern an Scale-up-Flaschenprojekten.
Bei der Mehrschichtlösung wird Stickstoff in den Zylinder der EBM-Maschine dosiert und die Kernschicht eines dreischichtigen Sandwichs aufgeschäumt, sodass das Schichtverhältnis (nach Dicke) ähnlich dem des soliden dreischichtigen Vorgängerdesigns bleibt, jedoch mit reduziertem Gewicht im PCR-Kern. Bei einer bestimmten volumetrischen Flaschenausgabe ist auch die Kernextrudergeschwindigkeit reduziert. Durch die spezielle Kopplung des MuCell-Prozesses mit einem proprietären patentierten Zusatzstoff werden Schlagfestigkeit, Topload und ESCR die erforderlichen Industrietests bestehen. Im Vergleich zu früheren Schäumtechnologien wurde die Schlagfestigkeit typischerweise um das Dreifache verbessert, was die Möglichkeit zur Herstellung größerer Flaschen mit Schaumkern ermöglicht. Das System und die Methode sind lizenzfrei und können in die vorhandene Schnecke und den Zylinder nachgerüstet werden, wie in Abb. 3 dargestellt. Neben Gewichtseinsparungen bietet TiO2 und andere weiße Masterbatches können oft reduziert oder eliminiert werden, da Schaum eine undurchsichtiges Aussehen, wie in Abb. 2 dargestellt.
Eine Alternative zur Gewichtsreduzierung durch Aufschäumen ist die Gewichtsreduzierung, die die Topload-Leistung beeinträchtigen kann.
Die Mehrschichtkopf- und Extrudersysteme von W. Müller können sowohl in die meisten Einschichtsysteme als auch in neue Systeme nachgerüstet werden. W. Müller, das 1990 seinen ersten Dreischichtkopf baute, bringt mit seiner RECO-Kopfserie umfangreiche Prozesserfahrung mit PCR-haltigen Produkten mit. MuCell ist ein physikalischer Schaumprozess, der teilweise von den Druckereignissen im Kopf oder mehreren Köpfen in einer Struktur aus drei oder mehr Schichten abhängt. Jens Schlueter, Präsident von W. Müller USA, bemerkt: „Obwohl es auf dem Markt viele Standarddesigns für Dreischicht-Extrusionsköpfe gibt, ist es wichtig, Erfahrung mit der Erstellung von Designs zu haben, die dem Schaumprozess gerecht werden. Das Verständnis von Schmelzfluss, Schmelzdruck und der perfekten Dimensionierung der Fließkanäle im Kopf ist für eine erfolgreiche Schaumanwendung entscheidend. Unsere Expertise bei der Bereitstellung kundenspezifischer Köpfe für verschiedene Materialien und Designs stellt sicher, dass unsere Kunden die richtige Lösung für ihre Bedürfnisse und besonderen Spezifikationen erhalten.“
Von besonderer Bedeutung für den Prozess ist die Fähigkeit des Trexel SCF-Zufuhrsystems (überkritisches Fluid), auf Druckschwankungen zu reagieren, die durch die Zugabe von PCR niedrigerer Qualität zum Extruder entstehen können. Das proprietäre System von Trexel „lernt“ Prozessmuster und reagiert auf Echtzeitereignisse, um die Schaumbildung konstant zu halten und so Prozessstabilität und eine konsistente Flaschengeometrie sicherzustellen. Um dies zu ermöglichen, werden einfache Prozesszeitsignale von der Blasformmaschine verwendet.
W. Müller hat zwei Labor-Schaumsysteme installiert, eines an seinem Hauptsitz in Troisdorf, Deutschland, und das zweite in seinem US-Büro in Agawam, Massachusetts. Beide sind mit Trexels neuestem B120 SCF-Zuführsystem und einer Flaschenform mit Griff für den Einsatz in Vorführungen ausgestattet. Kunden können auch aus anderen Standardformen wählen oder ihre eigenen Formen mitbringen, um die Technologie zu testen.
Von besonderer Bedeutung ist die Fähigkeit des Gasinjektionssystems, auf Druckschwankungen zu reagieren, die durch die Zugabe von PCR niedrigerer Qualität zum Extruder entstehen können.
Um das Pumpsystem nachzurüsten, wird in den vorhandenen Zylinder ein Loch gebohrt, sodass genügend Verweilzeit bleibt, um Stickstoffgas in der Schmelze zu lösen. Trexel hat Hintergrundforschung betrieben, um die genauen Parameter, die erforderlich sind, um eine homogene Gasdiffusion in solchen Prozessen sicherzustellen, mathematisch zu definieren. Dies erfolgte durch die Arbeit mit seinen kürzlich patentierten Spritzgussschneckendesigns. Da beim Schaumblasformen fast zehnmal weniger Gas verwendet wird als beim Spritzgießen, ist die Verweilzeit normalerweise ausreichend, um das Gas mit dem vorhandenen Blasformschneckendesign zu mischen. Daher sind für den Prozess normalerweise keine neue Schnecke und kein neuer Zylinder erforderlich.
Es wird erwartet, dass in Zukunft die Steuerungen des SCF-Abgabesystems von Trexel in das Steuerungssystem von W. Müller integriert werden, um ein One-Stop-Schaum-Add-on bereitzustellen, mit dem ein vorhandenes Einschichtsystem in ein vollständiges Mehrschicht-Schaumsystem umgewandelt werden kann.
Fallstudie: Topload & Drop-Auswirkungen
Die folgende Fallstudie wurde verwendet, um die jüngsten Arbeiten mit der Demonstrationsform zu bestätigen und zusammenzufassen. Ein Blasformsystem wurde konfiguriert wie in Abb. 2 und kombiniert mit Trexels Flaschenform mit Griff wie in Abb. 3 gezeigt. Die Matrizenwerkzeuge wurden so verkleinert, dass die Flachabmessung des Vorformlings für festes und geschäumtes Extrudat gleich war – was die gleiche Menge an Grat/Oberseite/Schwanz ergab. In einigen Fällen kann die Ovalisierung der Matrizen etwas von der für ein festes Produkt abweichen.
Anschließend wurde das Gewicht im Kernextruder reduziert, wie im mittleren Balken in Abb. 4 dargestellt; hier war das Ende zu kurz, um tatsächlich ein Produkt zu formen. Anschließend wurde Gas eingespritzt und die Struktur wurde auf eine Dicke zurückgeschäumt, die einem massiven Teil ähnelt, wie im rechten Balken von Abb. 4 dargestellt. Da die Steifigkeit ein Schlüsselfaktor ist, der als kubische Funktion der Nenndicke variiert, kann die Gesamtdicke manipuliert werden, um die Verringerung der Dichte auszugleichen, die nur linear mit der Steifigkeit variiert. Im Wesentlichen hat Schaum ein besseres Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht als massive Strukturen.
Anschließend wurde Blasdruck angewendet, der normalerweise niedriger war als beim Massivformen, manchmal in mehreren Stufen. Der niedrigere Druck bei diesen Dicken macht keine längere Abkühlzeit oder eine Änderung der Formentlüftung erforderlich. Dabei wird die Struktur geringfügig kalibriert oder zerdrückt, sodass das Endprodukt wie in Abb. 5 dargestellt entsteht. Beispielsweise ist der endgültige Schaumvorformling aus Abb. 4 2.16 mm dick und wird während des Blasvorgangs um fast 50 % kalibriert (komprimiert), sodass eine Enddicke von 1.12 mm entsteht, wie in Abb. 5 dargestellt.
Das Ergebnis war eine geschäumte Flasche, die 6 g leichter ist, mit einer Gesamtdichte von 0.830 g/cm³ und einer Kerndichte von 0.760 g/cm³. Die nominale Dicke der Außenschicht war dieselbe wie bei der massiven Struktur, und die zusätzliche Dicke zur Aufrechterhaltung der Steifigkeit kam von der geschäumten Schicht. Die Zykluszeit wurde in diesem Fall um 2.5 Sekunden reduziert. Die endgültigen Kennzahlen der Flasche sind in der Tabelle in Abb. 5 dargestellt, die Einsparungen bei Flaschengewicht, Kosten und Zykluszeit vermerkt. Es ist zu beachten, dass es mehrere Möglichkeiten gibt, die Einsparungen zu quantifizieren. Die Zykluszeit kann konstant bleiben (gleiche Volumenleistung), jedoch bei geringerem Materialverbrauch; oder alternativ kann es einen ähnlichen Materialdurchsatz (Gewicht) wie bei einer massiven Wand geben, jedoch bei erhöhter Volumenleistung – mehr Flaschen pro Stunde. In dieser Fallstudie war es eine Mischung aus beidem.
Ein wichtiger Faktor der Technologie ist, wie erwähnt, die homogene Vermischung des Gases, aber auch die Synergie der Gasdesorption in dem Moment, in dem der Druck am Düsenausgang abgelassen wird. Dadurch entstehen sehr kleine Blasen mit einem Längen-/Breitenverhältnis von normalerweise nicht mehr als 2:1 und einer Zellgröße von weniger als 100 Mikrometer nach dem Blasen (Abb. 6). Der Schaumvorformling dehnt sich weiter aus, sodass der Flaschenboden ausreichend dick ist. Anders als herkömmliche Keimbildner wirkt sich der proprietäre Keimbildnerzusatz in diesem Verfahren nicht negativ auf die Schlagfestigkeit aus (wenn Sie ihn beispielsweise in ein ungeschäumtes Produkt geben würden). Die Kombination dieser Faktoren ermöglicht es, die Schaumtechnologie auf viel größere Flaschen als nur 200 ml anzuwenden und Aufpralltests zu bestehen.
An der Testflasche wurden drei Basistests durchgeführt. Der Falltest betrug 11.5 m für die geschäumte Flasche mit bestandenem ESCR-Test. Die Ergebnisse des Topload-Tests zeigten, dass bei gleichem Gewicht (Vergleich der Versuche 8 und 11 in Abb. 7) die Kraft pro mm Dicke für geschäumte und ungeschäumte Flaschen gleich war. Darüber hinaus zeigte die geschäumte Flasche eine 20 % höhere Gesamtenergieaufnahme, bevor die maximale Topload erreicht wurde.
Derzeit wird an verschiedenen Materialien und Formen für Markeninhaber gearbeitet. Dies gilt auch für Biopolymere, die bei ihrer Einführung nicht den europäischen Vorschriften unterliegen, aber von Kostensenkungen profitieren würden. Es wird auch an Radmaschinen gearbeitet, bei denen die Technologie erfolgreich in großem Maßstab für größere Flaschen für Anwendungen wie Haushaltsreiniger eingesetzt wurde.
Trexel hat eine neue und verbesserte Methode zum Aufschäumen von Flaschen vorgestellt, mit der die Kosten für PCR-haltige Flaschen gesenkt und/oder Flaschen einfach leichter gemacht werden können, als Alternative zum Downgauging, das durch die Topload-Stärke begrenzt ist. Schaum hat ein verbessertes Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht und bietet Opazität ohne Zugabe von Masterbatch.
Durch das Bestehen von Topload- und Fallaufpralltests kann die Aufschäumfunktion auch in viel größeren Flaschen eingesetzt werden.
Trexel hat einen wesentlichen Mangel früherer Versionen der Schaumtechnologie behoben – insbesondere die Fallschlagfestigkeit wurde verbessert, während die Topload-Stärke durch Erhöhung der Dicke bei geringerer Schaumdichte aufrechterhalten werden kann. Schaum ist nicht für jedes Produkt geeignet, beispielsweise für einschichtige, sehr dünne, stark geprägte oder Produkte mit extrem hohen Fallschlagfestigkeitsanforderungen. Die Liste erfolgreicher Anwendungen wird jedoch immer länger und gewinnt an Aufmerksamkeit.
Das Schäumen kann in alte Maschinen nachgerüstet oder als neue installiert werden. Im ersten Fall haben sich W. Müller und Trexel zusammengeschlossen, um die Möglichkeit zu bieten, eine Einschichtmaschine mit minimalem Kapitaleinsatz und ohne Lizenzgebühren in Mehrschichtschaumstrukturen umzuwandeln.
