Einführung: Definition formgebender und nicht formgebender Folien in flexiblen Verpackungen
Flexible Verpackungen für verderbliche Waren, insbesondere im Lebensmittel- und Medizinbereich, basieren auf einer entscheidenden Unterscheidung zwischen zwei Folienfamilien: formgebenden Filmen und nicht formenden Filmen. Erstere sind so konzipiert, dass sie tief gedehnt oder zu einem Hohlraum geformt werden können (Diermoformen), während letztere flach bleiben und als Abdeckung oder Oberfolie dienen. Bei der Spezifizierung ist es wichtig, diesen Unterschied zu verstehen Hochbarrierefolie oben und unten Systeme für Anwendungen wie das Verpacken unter modifizierter Atmosphäre (MAP) oder das Vakuum-Skin-Verpacken. Die Wechselwirkung zwischen der unteren Bahn (bildender Film) und der oberen Bahn (nicht bildender Film oder Deckel) bestimmt die Integrität der Versiegelung, den Sauerstoffeintritt und die mechanische Durchstoßfestigkeit. Dieser Artikel bietet einen technischen Einblick in die Materialwissenschaft, Leistungsmetriken und Auswahlkriterien für diese Folien, mit einem Schwerpunkt auf Hochbarrierestrukturen unter Verwendung der EVOH-, PA- und PE-Koextrusion.
Daten aus Industrieumfragen deuten darauf hin, dass der Wechsel von Standard-Monoschichtfolien zu einem richtig abgestimmten formenden/nicht formenden Hochbarrieresystem die Sauerstoffdurchlässigkeitsrate (OTR) um über 90 % senken und die Produkthaltbarkeit für frisches rotes Fleisch von 7–10 Tagen auf 25–30 Tage verlängern kann. Die Synergie zwischen den beiden Bahnen ist nicht verhandelbar: Die Formfolie muss dem Tiefziehen standhalten, ohne über akzeptable Grenzen hinaus dünner zu werden, während die nichtformfähige Folie konsistente Heißsiegelfähigkeit und Dead-Falte-Eigenschaften bieten muss. In diesem Artikel werden die jeweiligen physikalischen und chemischen Anforderungen aufgeschlüsselt, Vergleichsdaten bereitgestellt und eine Fallstudie zu Effizienzverbesserungen bei der Fleischverpackung aufgeführt.
Technische Grundlagen der Filmbildung
Formfolien, oft auch als Unterfolien bezeichnet, sind die Arbeitspferde von Tiefziehverpackungslinien. Sie werden erhitzt und vakuumgeformt oder druckunterstützt in eine Form gebracht, um eine Tasche zu schaffen, die das Produkt aufnimmt. A Thermoformfolie mit hoher Barriere muss drei oft widersprüchliche Eigenschaften ausbalancieren: Tiefziehbarkeit, gleichmäßige Dickenverteilung und extrem niedrige OTR (typischerweise ≤ 1,0 cc/(m²·24h·atm) für hohe Barriere). Die Polymerarchitektur umfasst normalerweise eine zentrale EVOH-Schicht (Ethylenvinylalkohol), die eine Sauerstoffbarriere bietet, umgeben von Klebebindeschichten und Strukturschichten aus Polyamid (PA) für mechanische Festigkeit und Polyethylen (PE) für Versiegelbarkeit.
Wichtige mechanische Anforderungen für die Filmbildung
- Bruchdehnung: Mindestens 300 % (MD & TD), um Tiefziehverhältnisse bis zu 3:1 oder 4:1 ohne Bruch zu ermöglichen.
- Drapier- und Durchhangfestigkeit: Folien müssen beim Erhitzen auf Umformtemperaturen (typischerweise 90 °C bis 130 °C) formstabil bleiben.
- Durchstoßfestigkeit: ≥ 15 N (gemäß ASTM F1306), um scharfen Knochenkanten in Fleischverpackungen standzuhalten.
- Gleichmäßigkeit der Ausdünnung: Ein gut gestaltetes PA-PE-Coextrusionsfolie kann die Ausdünnung an den tiefsten Ecken auf ≤ 35 % der ursprünglichen Dicke begrenzen und so die Barriereleistung erhalten.
Rolle von EVOH bei der Thermoformung von Strukturen
EVOH ist der Goldstandard für die Sauerstoffbarriere in flexiblen Verpackungen. Allerdings nehmen seine Sauerstoffbarriereeigenschaften linear mit zunehmender relativer Luftfeuchtigkeit ab. Zur Bildung von Filmen für Nass- oder Gefrieranwendungen muss die EVOH-Schicht durch feuchtigkeitsbeständige Häute (z. B. PA oder dicke PE-Schichten) geschützt werden. Ein typischer Formfilm könnte die Struktur haben: PE (Dichtstoff)/Tie/EVOH/Tie/PA (außen). Das PA sorgt nicht nur für Abriebfestigkeit, sondern trägt aufgrund seines amorphen Charakters auch zu einer besseren Thermoformbarkeit bei. OTR-Werte für einen solchen 5-Layer EVOH-Hochbarrierefolie kann bei 23 °C und 50 % relativer Luftfeuchtigkeit nur 0,3–0,5 cm³/(m²·24 h·atm) betragen, bei 85 % relativer Luftfeuchtigkeit jedoch auf 1,5–2,0 cm³/(m²·24 h·atm) ansteigen, wenn die Verbindungsschichten unzureichend sind.
| Eigentum | Standard-Formfolie (PA/EVOH/PE) | Hochleistungsformfolie (PA/EVOH/PA/EVOH/PE) |
|---|---|---|
| Gesamtdicke (µm) | 120–180 | 150–250 |
| OTR (cc/(m²·24h·atm)) | 1,2–1,8 | 0,3–0,6 |
| WVTR (g/(m²·24h)) | 4–7 | 2–4 |
| Max. Ziehtiefe (mm) | 60–80 | 90–120 |
Nicht formende Filme: Die Rolle von oberen Bahnen und Deckeln
Nicht verformbare Folien, auch Oberfolien oder Deckel genannt, werden keinem Tiefziehen unterzogen. Stattdessen werden sie flach über die geformte Tasche gelegt und unter Hitze und Druck versiegelt. Trotz dieser scheinbar einfacheren Rolle sind die technischen Anforderungen an a Deckelfolie mit hoher Barrierewirkung sind gleichermaßen streng. Die Folie muss eine hervorragende Faltfähigkeit aufweisen (bleibt flach, ohne sich zu kräuseln), eine konstante Temperatur beim Beginn der Heißsiegelung (normalerweise 115–135 °C) und eine hohe Beständigkeit gegen Delaminierung beim Abziehen. Bei Easy-Peel-Anwendungen ist eine kontrollierte Siegelfestigkeit erforderlich (z. B. 5–10 N/15 mm), wohingegen für hermetische Siegelungen Schälfestigkeiten über 25 N/15 mm angegeben sind.
Ober- und Unterfolien: Synergistische Paarung
In einem kompletten Verpackungssystem sind die Oberfolie (nicht formend) und die Unterfolie (formend) selten identisch. Die Oberfolie ist oft dünner (40–90 µm) und auf Bedruckbarkeit, optische Klarheit und Antibeschlageigenschaften ausgelegt. Seine Barriereschicht (normalerweise EVOH oder mit Aluminiumoxid beschichtetes PET) muss der OTR der Unterbahn entsprechen oder diese übertreffen, um einen „Weak-Link“-Effekt zu vermeiden. Wenn beispielsweise die Formfolie eine OTR von 0,5 cm³/(m²·24h·atm) aufweist, die Deckelfolie jedoch 3,0 cm³/(m²·24h·atm) zulässt, wird die OTR der gesamten Verpackung vom Deckel dominiert. Aus diesem Grund spezifizieren Hochbarrierefolie oben und unten als System ist entscheidend. Praxisnahe Prüfungen haben gezeigt, dass nicht übereinstimmende Barriereschichten 40 % der Fälle von vorzeitigem Verderb bei MAP-Fleischprodukten verursachen.
- Antibeschlagbeschichtungen: Für gekühlte Produkte erforderlich, um die Sichtbarkeit zu gewährleisten.
- Lasergeritztes Easy-Peel: Ermöglicht teilweises Öffnen, ohne die Folie zu zerreißen.
- Hohe Rutschfestigkeit und Antistatik: Unverzichtbar für horizontale Hochgeschwindigkeits-Form-, Füll- und Siegelmaschinen (HFFS).
Eine bemerkenswerte Innovation ist die Verwendung von orientiertem PA (OPA) in formstabilen Folien, um die Durchstoßfestigkeit zu verbessern und gleichzeitig die Dicke zu reduzieren. OPA/EVOH/PE-Strukturen bieten ein hervorragendes Steifigkeits-Gewichts-Verhältnis und ersetzen zunehmend PET-basierte Deckel in Fleischschalen.
Hauptunterschiede: Formierende und nicht formende Filme – Vergleichstabelle
Um die richtige Folie für jede Bahn auszuwählen, müssen Ingenieure die unterschiedlichen Leistungsmetriken verstehen. Die folgende Tabelle fasst die grundlegenden Unterschiede zwischen formbaren und nicht formbaren Folien im Zusammenhang mit flexiblen Verpackungen mit hoher Barriere zusammen.
| Parameter | Filmbildung (untere Bahn) | Nicht formgebender Film (Oberbahn / Deckel) |
|---|---|---|
| Thermoformfähigkeit | Ja – muss in eine Form gedehnt werden (Ziehverhältnis bis zu 1:4) | Nein – bleibt flach; nur leichte Biegung |
| Typischer Dickenbereich | 120–250 µm (dicker zum Ausgleich der Ausdünnung) | 40–90 µm (dünner, da keine Verdünnung) |
| Primäre mechanische Belastung | Durchstoß und Zug beim Umformen; Abrieb nach dem Befüllen | Stoß beim Versiegeln; Schälfestigkeit zum Öffnen |
| Versiegelungsschicht | Normalerweise PE (niedriger Schmelzpunkt, gute Heißklebrigkeit) | PE oder modifiziertes PP (größeres Dichtungsfenster) |
| Position der Barriereschicht | Zentriert oder näher an der Produktseite | Oft näher an der Außenoberfläche (um EVOH vor Feuchtigkeit zu schützen) |
| Typische OTR-Anforderung | ≤ 1,0 cm³/(m²·Tag) | ≤ 1,5 cm³/(m²·Tag) (aber abgestimmt auf die Unterbahn) |
In Hochgeschwindigkeitsverpackungslinien muss die Formfolie außerdem eine geringe Reibung auf den Heizplatten und ein gleichmäßiges Durchhangverhalten aufweisen. Umgekehrt erfordern sich nicht formende Folien hervorragende Abwickeleigenschaften und statische Ableitung, um Bahnrisse zu verhindern. Diese ergänzenden, aber unterschiedlichen Spezifikationen machen die Auswahl aus Formgebende und nicht formgebende Filme eine spezialisierte Ingenieuraufgabe.
Die Hochbarrierestruktur: Rolle der EVOH-, PA- und PE-Coextrusion
Sowohl formbare als auch nicht formbare Folien erreichen durch mehrschichtige Coextrusion, typischerweise 5, 7 oder 9 Schichten, eine hohe Barriereleistung. Die zentrale Sauerstoffbarriere ist fast immer EVOH (mit Ethylengehalt 27–44 Mol-%). Ein geringerer Ethylengehalt führt zu einer besseren Barriere, aber zu einer schlechteren Verarbeitbarkeit. Das strukturelle Rückgrat besteht aus PA6 oder amorphem PA (PA6I/6T), das zur Tiefziehtiefe und Durchstoßfestigkeit beiträgt. Die Siegelschicht, meist PE oder eine Mischung aus LLDPE und LDPE, gewährleistet eine hermetische Abdichtung über einen weiten Temperaturbereich. Das Bild unten zeigt eine typische 5-schichtige coextrudierte Hochbarrierefolie, die sowohl für formgebende als auch für nicht formgebende Anwendungen verwendet wird (mit angepassten Schichtdickenverhältnissen pro Rolle).
Bei der Folienbildung wird die PA-Schicht außen (oder innen) angebracht, um das EVOH vor Rissbildung beim Tiefziehen zu schützen. Für nicht formbare Folien kann die gleiche Struktur verwendet werden, allerdings wird die PA-Schicht häufig durch ein Material mit höherem Modul wie PET oder OPA ersetzt, um die Dehnung zu reduzieren. Die Verwendung von EVOH-Hochbarrierefolie Die Technologie ermöglicht es Verpackern, OTR-Werte unter 0,2 cm³/(m²·Tag) mit 7-Schicht-Designs zu erreichen, die zusätzliche EVOH- und PA-Schichten enthalten. Allerdings führt die Kostenoptimierung häufig zu einer 5-schichtigen Coextrusion mit Verbindungsschichten auf Basis von mit Maleinsäureanhydrid gepfropften Polyolefinen, die eine Haftfestigkeit zwischen den Schichten von > 5 N/15 mm bieten.
Anwendung in der Fleischverpackung: Vakuum-Skin-Verpackung und Thermoformen
Fleischverpackungen stellen eine der anspruchsvollsten Anwendungen für flexible Folien mit hoher Barriere dar, da sie Tiefzug, hohe Feuchtigkeit und scharfe Produktkonturen kombinieren. Zwei vorherrschende Technologien basieren auf formbaren und nicht formbaren Folien: Vakuum-Skin-Verpackung (VSP) und Thermoform-MAP. Beim VSP wird die obere Bahn (nicht formend) erhitzt und unter Vakuum eng über das Fleisch gezogen, sodass sie sich jeder Kontur anpasst, während die untere Bahn (formend) nur leicht vorgeformt wird. Dies erfordert die Vakuum-Skin-Verpackungsfolie außergewöhnliche Weichheit und hohe Dehnung (> 400 %) aufweisen. Typischerweise verwendet VSP eine PA/EVOH/PE-Struktur mit einer Gesamtdicke von 80–120 µm und einem OTR ≤ 0,8 cm³/(m²·Tag).
Im Gegensatz dazu wird beim herkömmlichen Thermoformen eine starre untere Bahn (Umformung) verwendet, die einen tiefen Hohlraum erzeugt, und die nicht formbare obere Bahn wird einfach flach über den Flansch gesiegelt. Bei großen Rindfleischstücken muss die Formfolie Zugtiefen von 100 mm oder mehr bewältigen. Daten eines europäischen Fleischverarbeiters (anonym) zeigten, dass durch ein Upgrade von einer Standard-PA/PE-Formfolie auf eine 5-Schicht-Folie umgerüstet wurde PA-PE-Coextrusionsfolie Mit zentralem EVOH sank der Sauerstoffgehalt in der Verpackung nach 14 Tagen von 2,5 % auf 0,3 % und die Haltbarkeitsdauer erhöhte sich von 18 auf 34 Tage bei 2 °C. Der Schlüssel war die gleichmäßige EVOH-Dicke über die geformten Ecken hinweg, die selbst bei einem Ziehverhältnis von 3,2:1 über 6 µm blieb.
Auswahlhilfe für Fleischverpackungsfolien
- Frisches rotes Fleisch (hoher Tropf): Verwenden Sie eine Antibeschlag-beschichtete, nicht formende Folie und eine Formfolie mit hoher WVTR (um das Entweichen von Feuchtigkeit zu ermöglichen?) – eigentlich mit niedriger WVTR, um ein Austrocknen zu verhindern. EVOH-Dicke ≥ 8 µm.
- Verarbeitetes Fleisch (Salami, Schinken): Erfordern eine hohe Durchstoßfestigkeit von Knochenfragmenten; Verwenden Sie PA-reiche Formfolien (40 % PA-Gehalt).
- Gefrorenes Fleisch: Sprödigkeit muss vermieden werden; Wählen Sie einen Formfilm mit Niedertemperatur-Schlagzähmodifikatoren (z. B. EVA-Mischung).
The Flexible Verpackungsfolie für Fleisch müssen außerdem den Lebensmittelkontaktvorschriften der FDA und der EU entsprechen, insbesondere hinsichtlich der Migration von EVOH-Oligomeren. Führende Verarbeiter nutzen Coextrusionslinien, die die Reinheit des EVOH aufrechterhalten und sicherstellen, dass keine Lösungsmittelrückstände zurückbleiben. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Wahl zwischen Formung und Nichtformung bei Fleisch nicht nur rein mechanischer Natur ist; Es geht darum, die Sauerstoffbindung, die Feuchtigkeitsspeicherung und die mechanische Integrität über die gesamte Kühlkette hinweg in Einklang zu bringen.
Auswahl zwischen sich bildenden und nicht bildenden Filmen: Schlüsselparameter
Beim Entwurf einer flexiblen Verpackungsstruktur müssen Ingenieure entscheiden, welche Bahn (oder beide) das Hochbarriereelement sein soll. In vielen Fällen stellen beide eine hohe Hürde dar, um einen Gesamt-OTR-Wert unter 0,5 cm³/(m²·Tag) zu erreichen. Es gibt jedoch Szenarien, in denen je nach Produktgeometrie und Kosten nur der Formfilm oder nur der nichtformfähige Film EVOH enthält. Die folgende Tabelle enthält eine Entscheidungsmatrix.
| Anwendungsszenario | Barriere für die Filmbildung | Barriere, die einem sich nicht bildenden Film zugeordnet ist | Empfohlene Struktur |
|---|---|---|---|
| Flaches Tablett (Fleischfilet, Käse) | Ja – unbedingt erforderlich | Optional – kann Standard-PE sein | Umformung: PA/EVOH/PE; Nicht formbar: PE oder PET/PE |
| Tiefgezogen (ganzes Hähnchen, Schinken mit Knochen) | Ja – obligatorisch | Ja – um das Eindringen von Kanten zu vermeiden | Beide: PA/EVOH/PE mit mindestens 8 µm EVOH |
| Vakuum-Skin-Packung (VSP) | Oft niedrige Barriere (5–10 cm³/m²·Tag) | Hohe Barriere (EVOH oder AlOx) | Formung: PA/PE; Nicht formend: PA/EVOH/PE |
Ein weiterer kritischer Parameter ist die Dichtungsschnittstelle. Wenn eine nicht formbare Folie mit einer formbaren Folie versiegelt wird, müssen die Siegelschichten kompatibel sein. Unverträgliche Siegelmittel (z. B. PP-Dichtmittel auf der oberen Bahn und PE-Dichtmittel auf der Unterseite) führen zu schwachen Siegeln oder einer Verunreinigung der Siegelschienen. Am modernsten Ober- und Unterfolien Verwenden Sie eine coextrudierte Versiegelungsschicht aus LLDPE mit einem Schmelzpunkt von 110–125 °C. Um eine hermetische Versiegelung zu erreichen, sollte die Heißklebefestigkeit bei 0,2 Sekunden > 3 N/15 mm betragen.
Abschließend noch wirtschaftliche Überlegungen: Umformfolien sind in der Regel pro Quadratmeter teurer, da sie dicker sind und mehr PA enthalten. Wenn jedoch eine dünnere, sich nicht bildende Hochbarrierefolie eine dickere, sich bildende Barriere ersetzen kann, kann der Gesamtmaterialverbrauch um 20–30 % sinken. Lebenszyklusanalysen (LCA) für Fleischverpackungen zeigen, dass der Wechsel von einer 180-µm-Formfolie zu einem 120-µm-Formfoliendeckel mit 50-µm-Hochbarriere den Polymerverbrauch bei gleichbleibender OTR um 28 % senkt, da die EVOH-Schicht des Deckels während der Formung nicht verdünnt wird. Dies ist ein klassisches Beispiel für die Synergie zwischen sich bildenden und sich nicht bildenden Filmen.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
F1: Kann ein nicht formgebender Film als formgebender Film verwendet werden, wenn die Ziehtiefe sehr gering ist?
Technisch gesehen könnte eine sich nicht verformende Folie (z. B. 60 µm PET/EVOH/PE) einer Ziehtiefe von 5–10 mm standhalten, ohne zu reißen, sie weist jedoch nicht die erforderliche Dehnung oder Dickenverteilung auf, um die Barriereeigenschaften aufrechtzuerhalten. Für jede Ziehtiefe über 10 mm ist eine spezielle Formfolie aus PA oder amorphem PET erforderlich, um eine übermäßige Verdünnung und Nadellochbildung zu verhindern.
F2: Wie hoch ist das maximal erreichbare Ziehverhältnis mit einer PA/EVOH/PE-Folie mit hoher Barrierebildung?
Bei einer 5-schichtigen coextrudierten Folie mit 25 % PA und 10 % EVOH sind Streckverhältnisse von 1:3,5 üblich. Bei 7-schichtigen Folien mit zusätzlichen PA-Schichten sind Zugverhältnisse bis 1:4,5 möglich. Die Dicke nach dem Formen an der tiefsten Ecke sollte gemessen werden; Eine sichere Untergrenze liegt bei 35 % der ursprünglichen Dicke, um die EVOH-Schicht kontinuierlich zu halten.
F3: Wie wirkt sich Feuchtigkeit auf EVOH-basierte Hochbarrierefolien in Kühlfleischverpackungen aus?
Die Sauerstoffbarriere von EVOH nimmt mit zunehmender relativer Luftfeuchtigkeit ab. Bei 90 % relativer Luftfeuchtigkeit kann die OTR 8–10 Mal höher sein als bei 50 % relativer Luftfeuchtigkeit. Um dies zu mildern, verwenden Sie mehrschichtige Folien mit dicken Feuchtigkeitsbarrierehäuten (HDPE oder PP) auf beiden Seiten von EVOH. In der Praxis kann bei gekühltem Fleisch (2–4 °C, 85–95 % relative Luftfeuchtigkeit in der Verpackung) die effektive OTR einer ungeschützten EVOH-Folie auf 4–5 cm³/(m²·Tag) ansteigen, was für eine lange Haltbarkeit nicht ausreicht. Erfordern Sie immer Testdaten bei hoher relativer Luftfeuchtigkeit.
F4: Was ist der Unterschied zwischen einer Deckelfolie und einer Oberfolie beim Thermoformen?
Beim Thermoformen ist die Oberfolie die sich nicht verformende Folie, die nach dem Laden des Produkts auf die geformte Unterfolie aufgesiegelt wird. Eine Deckelfolie besteht aus einer Untergruppe von Oberfolien, die typischerweise vorgeschnitten oder von der Rolle zugeführt werden, und ist oft dünner (30–60 µm). Alle Deckelfolien sind formstabil, aber nicht alle Oberfolien sind Deckelfolien (einige Oberfolien sind in VSP auch leicht thermogeformt).
F5: Kann ich coextrudierte PA/EVOH/PE-Folien recyceln?
Diese Folien bestehen aus mehreren Materialien und werden aufgrund der Schwierigkeit, EVOH und PA von PE zu trennen, im Allgemeinen nicht in Recyclingströmen am Straßenrand akzeptiert. Einige fortschrittliche Recyclinganlagen nutzen jedoch eine lösungsmittelbasierte Trennung oder Pyrolyse. Viele Fleischverpacker wechseln zur Verbesserung der Recyclingfähigkeit zu Monomaterial-Hochbarrierefolien auf PE-Basis (mit SiOx-Beschichtung), diese weisen jedoch eine geringere Tiefziehtiefe auf.
