Inhaltsverzeichnis

1.  Einleitung  4

2.  Grundlagen und Einteilung der Kunststoffe  6

2.1  Thermoplaste  7

2.2  Duroplaste  8

2.3  Elastomere  9

3.  Eigenschaftsprofile von Kunststoffverpackungen  10

3.1  Allgemeine Eigenschaften  11

3.2  Packstoffe und Verpackungen auf Kunststoffbasis in der  

Getr  änkeindustrie  12

3.3  Permeation  12

3.4  Sauerstoffdurchlässigkeit  14

3.5  CO 2 -Durchlässigkeit  14

3.6  Wasserdampfdurchlässigkeit  15

3.7  Migration  16

3.8  Temperaturverhalten  17

3.9  Korrosion  18

3.10  Acetaldehyd  19

4.  Herstellung  20

5.  Herstellsysteme für PET-Flaschen  21

5.1  Das Spritz-Streckblasverfahren  21

5.2  Das Extrusions-Streckblasverfahren  22

6.  Herstellungsprozess - vom Granulat zur Flasche  24

7.  Reinigung und Desinfektion von PET-Flaschen  25

7.1  Reinigung von Mehrweg-PET-Flaschen  25

7.1.1  Einwirkungsfaktoren  26

7.1.2  Bauformen vom Flaschenreinigungsmaschinen  27

7.2  Desinfektion von Einweg-PET  29

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8. Abfülltechnik PET 30

8.1 Abfüllwege der Einweg-PET-Flasche 33

8.2 Abfüllwege der Mehrweg-PET-Flasche 34 8.3 Verschließtechniken 36

8.3.1 Permeationswege durch den Verschluss 39

8.4 Lichtdurchlässigkeit von Kunststoffen 40

8.5 Aseptische Abfülltechnik 42

8.6 Hochdruckpasteurisation 46 8.7 Hochdruck-Behandlung 47 8.7.1 Physikalische Wirkung 47

9. Verbesserte Barriere-Eigenschaften bei Kunststoffflaschen 49 9.1 Multilayer 51

9.2 Beschichten von Kunststoffflaschen 52 10. Recycling 56 10.1 Aktueller Stand 56

10.2 Das Bottle to Bottle Verfahren 57 11.Schlußwort 58 12.Literaturverzeichnis 59

Mit 47 Abbildungen und 3 Tabellen

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1. Einleitung

Ständig wachsende Anforderungen an einfache und sichere Handhabung, kostengünstige und effektive Distribution sowie Umweltaspekte erfordern eine kontinuierliche Weiterentwicklung der angebotenen Verpackungen. Die Ansprüche an Verpackungen sind sehr weit reichend: Schon bei der Entwicklung von Verpackungen müssen Umweltgesichtspunkte einbezogen, der Lebensweg bis zum Ende gedacht werden. Moderne Verpackungen sparen Ressourcen und sind recyclingfähig oder wieder verwendbar.

Als Material, das all diese ökologischen, ökonomischen, praktischen und sicherheitsrelevanten Ansprüche erfüllt, genießt PET (Polyethylenterephthalat) weltweit seit mehr als 20 Jahren eine hohe und ständig weiter zunehmende Beliebtheit.

PET ist ein Verpackungsmaterial, das von Jahr zu Jahr mit steigender Tendenz Marktanteile erobert. 1999 wurden weltweit 6,5 Millionen Tonnen PET für Folien und Flaschen eingesetzt. Der Verbrauch dieses Hochleistungskunststoffs wird jährlich um 10 Prozent wachsen. Alkoholfreie Erfrischungsgetränke hatten in 2000 einen Gesamtanteil von 50 Prozent, Mineralwasser von 22 Prozent am weltweiten PET Verpackungsverbrauch. Mittlerweile ist PET eine der verbreitetsten Verpackungen auf dem Getränkesektor [46].

Durch den Einsatz von PET werden Verpackungen und Produkte immer leichter, sicherer, unwelt- und handhabungsfreundlicher. Aufgrund all seiner Vorteile hat PET in den vergangenen Jahrzehnten Industrie, Handel und Verbraucher überzeugt und unaufhaltsam Einzug in die unterschiedlichsten Bereiche unseres Lebens gehalten: Vor allem die leichten und bruchsicheren Ein- und Mehrwegflaschen für Erfrischungsgetränke und Mineralwasser sind heute allen Verbrauchern bekannt und aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Doch dies ist nur ein kleiner Teil der Verpackungsmöglichkeiten des modernen PET [46].

Allerdings ergeben sich auch einige Schwierigkeiten bezüglich des Packstoffs PET. Neben den unbefriedigenden Barriereeigenschaften und einer möglichen sensorischen Beeinträchtigung des Produktes durch den Packstoff, gilt vor allem die geringe Wärmeformbeständigkeit der PET-Verpackung als problematisch. Es liegen also genügend Gründe vor, sich zukünftig weiterhin näher mit dem Packstoff PET zu beschäftigen.

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2. Grundlagen und Einteilung der Kunststoffe

Kunststoffe sind hochmolekulare organische Verbindungen und entstehen entweder durch Abwandlungen hochmolekularer Naturstoffe oder durch chemische Aneinanderlagerungen niedermolekularer Grundbausteine, so genannter

Monomeren, durch verschiedenartige chemische Reaktionen. Somit unterscheidet man zwischen abgewandelten Naturstoffen (aus Holz, Wolle, Cellulose abgewandelt sind fadenförmige oder räumlich vernetzte Makromoleküle) und synthetischen Kunststoffen.

Die synthetischen Kunststoffe sind verbreiteter und vielfältiger. Die Vielzahl ergibt sich aus der großen Zahl von Möglichkeiten bei der Auswahl monomerer Bausteine und den verschiedenen Arten ihrer Aneinanderlagerung zu hochmolekularen Ketten, die entweder linear (thermoplastisch), verzweigt oder vernetzt (duroplastisch) vorliegen [3].

Synthetische Kunststoffe können durch folgende drei Bildungsreaktionen entstehen:

Die synthetische Herstellung von Kunststoffen erweist sich als technisch schwieriger als die Abwandlung von Naturstoffen. Zu den organischen Hochpolymeren zählen solche, deren Hauptkette überwiegend aus C-Atomen besteht. Als weitere Bestandteile können z.B. Sauerstoff, Stickstoff, Chlor und weitere Elemente mit eingebaut sein. Die Polymere bestehen bis auf wenige Ausnahmen aus vielen sich wiederholenden und miteinander verknüpften Einheiten.

Die organischen Makromoleküle haben bei unterschiedlichen Vernetzungsgraden ein Molekulargewicht zwischen 5000 und 400000g/mol. Bei den verwendeten Monomeren handelt es sich entweder um aliphatische Monomere, die keine Benzolringe enthalten, oder um aromatische Monomere, welche Benzolringe enthalten.

In einigen Fällen enthält eine Polymerkette mehr als eine Monomerart und weist oft relativ kurze Verzweigungen auf. Die langen Hauptketten können durch einige dieser Verzweigungen miteinander verbunden sein, was das Polymer steifer und widerstandfähiger gegen chemische Angriffe macht [5, 53].

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Als Rohstoffe werden sowohl Erzeugnisse der Petrochemie als auch Naturprodukte eingesetzt. Die Eigenschaften eines Kunststoffes werden nicht nur durch die chemische Struktur der Mono- und Polymere sowie deren Masse, sondern auch durch den Gehalt an Zusatzstoffen, wie z.B. Weichmacher oder Farbpigmente bestimmt [3, 53].

2.1 Thermoplaste

Während die meisten anorganischen und organischen Substanzen durch definierte Schmelztemperaturen charakterisiert sind, gehen thermoplastische Kunststoffe in einem größeren Temperaturintervall vom weichen in den zähflüssigen Zustand über. Das langsame Erweichen von Thermoplasten bei Temperaturerhöhung lässt sich auf

Abkühlen erhält man ein festes thermoplastisches Formteil [1].

Die meisten in der Lebensmittel-Verpackungstechnik eingesetzten Kunststoffe sind Thermoplaste.

Nicht jeder Kunststoff besitzt als Monomaterial alle für bestimmte Anwendungen geforderten Eigenschaften gleichzeitig. Um die positiven Eigenschaften der unterschiedlichen Monomaterialien nutzen zu können, werden häufig mehrere Kunststoffe zu Verbundfolien verarbeitet.

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Wichtige Thermoplaste sind:

2.2 Duroplaste

von Hauptvalenzbindungen zwischen den Atomen der vernetzte Makromoleküle [1] Kunststoffe.

Diese Hauptvalenzbindungen können auch bei Temperaturerhöhung nicht gelockert werden. Bei hohen Temperaturen wird durch Zerstörung der innermolekularen Bindung der Kunststoff zersetzt.

Duroplastische Kunststoffe müssen daher bereits bei der Synthese die gewünschte Endform erhalten. Nach dem Aushärten kann ein duroplastischer Gegenstand nur noch mechanisch durch Sägen, Bohren oder Schleifen bearbeitet werden. Zu den positiven Eigenschaften der Duroplaste zählen Widerstandsfähigkeit gegen Alkohol und Lösungsmittel, ausgezeichnete Beständigkeit gegen extreme Temperaturen und eine einfache Metalllasierbarkeit. [1, 53]

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Duroplaste besitzen im Bereich der Lebensmittel-Verpackungstechnik nur geringe Bedeutung, z.B. als Schraubkappen für Tuben.

Als Bedarfsgegenstände werden Essgeschirre (Melaminharze), Behälter für Getränke und Silos für Nahrungsmittel hergestellt (ungesättigte Polyester) [53].

2.3 Elastomere

vernetzte Makromoleküle [1]

Die bekanntesten Vertreter dieser Gruppe sind Polyurethan (PUR) und Polyisobutylen. lastomere finden ihren Einsatz bei: E

3. Eigenschaftsprofile von Kunststoffverpackungen

ebensmittel- und Getränkeverpackungen müssen, abhängig vom erforderlichen L

Schutz des zu verpackenden Produktes, eine Vielzahl von Anforderungen erfüllen. Zu diesen Eigenschaften, die von Verpackungen erwartet werden, gehören Gas-, Wasserdampf- und Aromadichtigkeit, Fettbeständigkeit, Inertheit, Schutz vor Licht und Erwärmung und Schutz vor mikrobiologischer Kontamination und Insektenbefall. Jedoch reichen diese produktspezifischen Eigenschaften der Verpackung noch nicht aus. Hinzu kommen noch Anforderungen des Verbrauchers und des Abpackers oder Abfüllers, wie beispielsweise Transparenz, Bedruckbarkeit oder Etikettierbarkeit (bezüglich Produktinformationen), Verschließbarkeit und Maschinengängigkeit, aber auch Umweltverträglichkeit von Packstoff und Verpackung, Wiederbefüllbarkeit und Wiederverwertbarkeit. diese Anforderungen in unterschiedlichem Maße. Kunststoffe erfüllen all

Abbildung 6 sind die Wechselwirkungen zwischen Verpackung, Inhalt und Umwelt In

schematisch dargestellt. Die Begriffe Migration und Permeation werden später noch weiter erläutert.

Als Packstoffe werden die Materialien bezeichnet aus denen Verpackungen hergestellt werden, also Kunststoffe, Glas, Papier oder Aluminium. Packstoffe können formfest oder flexibel sein. Die Erzeugnisse aus Packstoffen, die dazu bestimmt sind das Packgut zu umschließen, werden als Packmittel bezeichnet. Packmittel werden üblicherweise auch Verpackungen genannt. Dazu zählen unter anderem Flaschen, Beutel und Dosen [53].

.1 Allgemeine Eigenschaften 3

ackstoffe besitzen eine Vielzahl von Eigenschaften, die ihre Verwendung für P

bestimmte Zwecke einschränkt und in manchen Fällen sogar unmöglich macht. Hierzu gehören beispielsweise mechanische Eigenschaften wie Gleit- und Haftreibungseigenschaften und Reißfestigkeit. estellt, die für die Verarbeitung eines In Tabelle 1 sind die Eigenschaften zusammeng Packstoffes eine entscheidende Rolle spielen [53].

Tab.1: Eigenschaften von Kunststoffen mit Einfluss auf deren Verarbeitbark eit [53]

den weiteren Abschnitten wird nur auf diejenigen Eigenschaften eingegangen, die In

von Bedeutung für die Qualitätserhaltung des abgefüllten Produktes sind (Permeation, Migration und optische Eigenschaften) und besondere Maßnahmen beim Füllvorgang erforderlich machen (Temperaturverhalten).

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3.2 Packstoffe und Verpackungen auf Kunststoffbasis in der Getränkeindustrie etränke werden in eine Vielzahl von Verpackungen auf Kunststoffbasis gefüllt. G Hierzu gehören Flaschen, Schlauchbeutel aus Monomaterialien oder

Kunststoffverbunden, tiefgezogene oder spritzgussgeformte Becher, Bag-in-Box-Systeme (z.B. Weinverpackung mit Spendeeinrichtung) und Verbundkartons für Getränke.

bfüllen von Getränken in Kunststoffflaschen sind grundsätzlich alle Für das A

thermoformbaren Kunststoffe geeignet. In Wirklichkeit jedoch bleibt der Einsatz aber nur auf wenige Polymere beschränkt. Bei Einwegflaschen sind dies PET (Polyethylenterephthalat), PC (Polycarbonat), PP (Polypropylen), PE (Polyethylen), PS (Polystyrol) und PVC (Polyvinylchlorid).Bei Mehrwegflaschen spielt momentan PET die bedeutendste Rolle. Auch wenn einige Bier- und Fruchtsafthersteller die PEN-Flasche (Polyethylennaphthalat) und einige Molkereibetriebe die PC-Flasche als Mehrweggebinde bevorzugen.

.3 Permeation 3

lle in der Verpackungstechnik eingesetzten Kunststoffe sind mehr oder weniger A

durchlässig für Gas- und Wassermoleküle. Dieser Stoffdurchgang wird als Permeation bezeichnet. Dabei bleibt zunächst unberücksichtigt, welcher chemischphysikalische Vorgang für den Stofftransport verantwortlich ist. Man unterscheidet im Allgemeinen zwei Modelle: apillaren, welche den Packstoff 1. den Stofftransport durch Poren oder K durchziehen 2. port aufgrund eines Lösungsdiffusionsmodells den Stofftrans Da tstofffolien bzw. s erste Modell spielt nur dann eine Rolle, wenn Kuns

Kunststoffflaschen mit Fabrikationsfehlern, Rissen und Falten durchzogen sind. Es Wesentlich wichtiger ist das zweite Modell, das Lösungsdiffusionsmodell. beschreibt den Gasdurchgang intakter Kunststofffolien. Dabei werden Gasmoleküle an der Polymeroberfläche adsorbiert, lösen sich im Polymer und diffundieren in Richtung der niedrigeren Gaskonzentration. Anschließend findet eine Desorption von der Polymeroberfläche statt. n wird nur auf Lösungsdiffusion eingegangen, die für In den folgenden Abschnitte

Kunststoffe zwischen 10µm und 1mm Dicke anwendbar ist. immer das treibende Das Partialdruckgefälle des permeierten Gases ist

Partialdruckgefälle für den Gasdurchgang durch Kunststoffflaschen, unabhängig davon, ob eine Gesamtdruckdifferenz auf beiden Seiten des Packstoffs vorliegt [53].

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Als Beispiele sind in Abbildung 7 die Druckverhältnisse dargestellt, wie sie nach dem Abfüllen eines karbonisierten Getränks herrschen. Die Pfeile zeigen dabei die Strömungsrichtung der einzelnen Gase an und qualitativ die Gasdurchlässigkeit einer Kunststofffolie für die unterschiedliche Gase.

Abb.7: Schematische Darstellung der Partialdrücke und Strömungsrichtungen für CO 2 , O 2 und N 2 in

einer Kunststoffflasche mit karbonisiertem Getränk [53] A bbildung 8 zeigt für die gleichen Druckverhältnisse die Konzentrationsverläufe. Die Stickstoff- und Sauerst ei Berechnung offkonzentrationen in der Verpackung können b

in vielen Fällen, ebenso wie die CO 2 -Konzentration in der Atmosphäre vernachlässigt werden, da es sich hierbei nur um sehr kleine Konzentrationen handelt.

Abb.8: Schematischer Konzentrationsverlauf für CO 2 , O 2 und N 2 in einer Kunststoffflasche mit

karbonisiertem Getränk [53]

Die Gasdurchlässigkeit einer Kunststofffolie hängt von mehreren Faktoren ab: