3.2.3 Biaxial orientierte Folien

Im Verpackungssektor ist biaxial orientierte Polypropylenfolie (BOPP) das am häufigsten verwendete Material; tatsächlich macht BOPP zwei Drittel aller biaxial orientierten Folien aus. In einer Kaschierung sorgen sie für Bedruckbarkeit, transparentes oder mattes Aussehen oder Gleiteigenschaften. Die Folie bietet eine Oberfläche, die sich für organische oder anorganische Beschichtungen eignet, um Gas- und Feuchtigkeitssperren zu bilden. Die Folien bieten auch eine heißsiegelfähige Schicht für das Formen und Versiegeln von Beuteln oder eine Schicht, die für die Aufnahme eines Klebstoffs entweder durch Beschichtung oder durch Laminierung geeignet ist. BOPP ist jedoch ein nicht abbaubares Material, und wie bei anderen Verpackungsmaterialien, die aus fossilen Brennstoffen gewonnen werden, besteht die Tendenz, sie durch Verpackungsmaterialien zu ersetzen, die aus erneuerbaren Rohstoffen gewonnen werden, da die Entsorgung dieser sperrigen Materialien, die Erzeugung von Treibhausgasen und die Erschöpfung der fossilen Brennstoffressourcen Anlass zur Sorge geben.

PLA ist eines der biologisch abbaubaren Polymere, die sich für die Herstellung biaxial orientierter Folien eignen. BOPLA-Folien werden häufig für flexible Verpackungen als Alternative zu BOPP verwendet. BOPLA-Folien sind in der Regel transparent und weisen eine hohe Klarheit und einen hohen Glanz auf. Bei einigen Verpackungsanwendungen ist dies wünschenswert, um Grafiken mit hohem visuellen Reiz zu drucken und eine hohe Auflösung der gewünschten Bilder zu erzielen. Da es sich bei PLA um ein polares Polymer handelt, hat es von Natur aus eine hohe Oberflächenenergie, die eine gute Benetzbarkeit mit den in der Verpackung verwendeten Druckfarben und Farben ermöglicht. Darüber hinaus können mehrschichtige BOPLA-Folien durch Koextrusion mehrerer Schmelzeströme von Polymeren auf PLA-Basis hergestellt werden. Ein Beispiel wäre eine zweischichtige coextrudierte Folienstruktur, bei der eine Basis- oder Kernschicht aus kristallinem PLA und eine dünnere “Hautschicht” aus amorphem PLA auf eine Seite der Kernschicht coextrudiert und dann biaxial zu einer Folie ausgerichtet wird. Die amorphe PLA-Schicht wird häufig verwendet, um der Folie Heißsiegelfähigkeit zu verleihen, da sie weniger kristallin ist und im Allgemeinen eine niedrigere Tm aufweist als die Kernschicht mit höherer Kristallinität (2010, WO2010148105 A1, TORAY PLASTICS AMERICA INC.).

Damit ein solches biobasiertes Polymer für viele Snack-Verpackungsanwendungen geeignet ist, ist es wünschenswert, dass die biobasierte Polymerfolie möglichst viele der Eigenschaften aufweist, für die BOPP bekannt ist, wie Heißsiegelfähigkeit, Bedruckbarkeit, kontrollierter Reibungskoeffizient (COF), Metallisierbarkeit, Gasbarriere usw. Da BOPLA-Folien in der Regel schlechtere thermische Schrumpfungseigenschaften in Maschinen- und Querrichtung aufweisen als BOPP-Folien, kann es sein, dass eine BOPLA-Kaschierung auf einer für BOPP-Kaschierungen optimierten Verpackungsmaschine nicht so gut funktioniert. Es wurde festgestellt, dass die Herstellung von Beuteln auf einer Verpackungsmaschine, die für BOPP-Laminate ausgelegt ist, bestimmte Erwartungen an die Sollwerte für die Heißsiegelung und die Geschwindigkeit der Beutelherstellung stellt. Es wurde auch festgestellt, dass das Ersetzen einer reinen BOPP-Laminierung durch eine reine BOPLA-Laminierung in einigen Fällen zu einer Verformung des Beutels in den heißgesiegelten Bereichen führen kann, nämlich an den Endsiegeln des Beutels und an der Rücksiegelung des Beutels. Obwohl das typische amorphe PLA, das als Heißsiegelschicht in BOPLA-Folien verwendet wird, im Allgemeinen einen niedrigeren Tm-Wert und eine niedrigere Siegelbeginntemperatur aufweist als herkömmliche Heißsiegelharze auf Propylenbasis (z. B. Copolymere aus Propylen, Ethylen und/oder Butylen), sind die beheizten Siegelschienen in einer typischen Verpackungsmaschine, die für BOPP-Laminierungen ausgelegt ist, im Allgemeinen zu heiß für BOPLA-Laminierungen, was zu Verformungen in den Siegelbereichen führt. Dies ist für viele Lebensmittelverpackungsunternehmen aus ästhetischer Sicht inakzeptabel. Lösungen zur Umgehung des Verformungsproblems bei BOPLA-Laminaten bestehen darin, den Temperatursollwert der Heißsiegelschiene zu verringern oder die Geschwindigkeit der Verpackungsmaschine zu reduzieren. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die Temperaturregelung und die Konsistenz der Heißsiegelschienen sehr variabel und unzureichend sind, um die Verzugsprobleme zuverlässig in den Griff zu bekommen, insbesondere bei einer großen Anzahl von Verpackungsmaschinen, die unterschiedliche Modelle und Konstruktionen umfassen können; und eine Verringerung der Beutelherstellungsgeschwindigkeit ist aufgrund der Stückkosten des verpackten Produkts im Allgemeinen nicht akzeptabel. Eine Lösung könnte darin bestehen, die thermische Stabilität von BOPLA-Folien zu verbessern; eine andere Lösung könnte darin bestehen, den Siegelbereich von BOPLA-Folien zu verbessern, indem die Siegelbeginntemperatur der amorphen PLA-Siegelschicht gesenkt wird, so dass hohe Beutelherstellungsgeschwindigkeiten mit niedrigeren Sollwerttemperaturen an den Siegelschienen aufrechterhalten werden können (2010, WO2010148105 A1, TORAY PLASTICS AMERICA INC.

JPH0623836 A (1994, SHIMADZU CORP.) offenbart die Herstellung von orientierten Folien aus PLA. Das Verfahren geht von einer PLA-Schmelze aus, die extrudiert und schnell abgekühlt wird. Diese Vorfolie kann anschließend einer uniaxialen Verstreckung oder einer sequentiellen oder simultanen biaxialen Verstreckung unterzogen werden; optional folgt der Verstreckung eine Thermofixierung. Die Recktemperatur liegt zwischen der Tg und der Kristallisationstemperatur des PLA. Das Recken führt zu einer erhöhten Festigkeit und einem höheren Elastizitätsmodul der fertigen Folie.

WO0130889 A1 (2001, MITSUBISHI PLASTICS INC.) offenbart eine einschichtige BOPLA-Folie, die unter Verwendung einer PLA mit einem bestimmten Speicherelastizitätsmodul bei 120 °C von 100-230 MPa heißsiegelbar ist. Die Verwendung einer einschichtigen heißsiegelfähigen Folie kann jedoch zu anderen Problemen in Bezug auf die Handhabung der Folie, die Verarbeitung und das Anhaften an Geräteteilen führen (2010, WO2010148105 A1, TORAY PLASTICS AMERICA INC.).

WO02087851 A1 (2002, TRESPAPHAN GMBH) offenbart eine biologisch abbaubare thermogeformte Verpackung aus einer BOPLA-Folie. Die Folie besteht aus einer Basisschicht aus PLA mit einer Minderheitskomponente aus einem thermoplastischen Polymer wie Polypropylen, Polyethylen, PET oder Poly(butylenterephthalat) (PBT), typischerweise im Bereich von 0,2-1 Gew.-% der Basisschicht. Eine solche Formulierung eignet sich besonders für die Thermoformung durch pneumatisches Ziehen oder eine andere mechanische Formgebung. Aus der BOPLA-Folie wird eine Blisterverpackung hergestellt. Die Erfindung ist jedoch nicht für hohe Querorientierungsraten (TDX) von mehr als sechs TDX geeignet. Solche Polyolefine haben typischerweise einen höheren Tm-Wert als amorphes PLA und sind darüber hinaus auf fossilen Brennstoffen basierend und nicht biologisch abbaubar (2010, WO2010148105 A1, TORAY PLASTICS AMERICA INC.).

WO0234818 A1 (2002, MITSUBISHI PLASTICS IND) offenbart eine BOPLA-Folie, die anorganische Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,1-5 μm und einer durchschnittlichen Oberflächenrauhigkeit (Ra) von 0,01 < Ra ≤ 0,08 umfasst. Es wird behauptet, dass die BOPLA-Folie zufriedenstellende Gleiteigenschaften aufweist, die besser sind als die von reinen BOPLA-Folien, dass sie nicht mäandert oder knittert, dass sie Steifigkeit, Festigkeit und geringe Wärmeschrumpfung beibehält und dass sie optional transparent ist.

WO2005007403 A1 (2005, MITSUBISHI PLASTICS INC.) offenbart eine mehrschichtige BOPLA-Folie, die aus zwei Schichten unterschiedlicher Mischungen aus kristallinem und amorphem PLA besteht, wobei eine Schicht das amorphe PLA als Hauptbestandteil und die zweite Schicht das amorphe PLA als Minderheitsbestandteil aufweist. Die heißsiegelfähige Schicht wäre vermutlich die Schicht, die die Mehrheit an amorphem PLA enthält. Es wäre zu erwarten, dass die Siegeltemperatur einer gemischten Schicht aus amorphem und kristallinem PLA schlechter ist als die einer vollständig amorphen PLA-Schicht.

CA2472420 A1 (2005, BIAX INTERNATIONAL INC.) offenbart eine mehrschichtige koextrudierte BOPLA-Folie, die ein amorphes PLA verwendet, das heißsiegelfähig ist. Die BOPLA-Folie umfasst eine Kernschicht aus PLA-Copolymer und mindestens eine zusätzliche Hautschicht mit der gleichen oder einer niedrigeren Tm als die des Kerns. Zu mindestens einer der äußersten Hautschichten wird ein kugelförmiges Teilchen aus vernetztem Polymer, vorzugsweise ausgewählt aus Polymethylsilsesquioxan und Acrylharz, am meisten bevorzugt Polymethylsilsesquioxan mit einer Teilchengröße von 2-6 μm, in einer Menge von 0,05-0,6 Gew.-% der Hautschicht hinzugefügt. Es wird behauptet, dass die BOPLA-Folie eine verbesserte Handhabung und Bahnverarbeitung aufweist, während sie den zusätzlichen Vorteil einer reduzierten COF, einer reduzierten Verblockung, einer zusätzlichen Heißsiegelfähigkeit, einer verbesserten Bedruckung, einer verbesserten Haftung von metallisierten Schichten, einer überraschenden Reduzierung der statischen Bildung und einer Reduzierung der Staubaufnahme durch die Folien bietet.

US2012333047 A (2009, TORAY PLASTICS AMERICA INC.) offenbart eine BOPLA-Laminatfolie mit einer ersten amorphen, heißsiegelfähigen PLA-Schicht und einer zweiten Kernschicht, die eine Mischung aus kristallinem PLA und 2-10 Gew.-% der Kernschicht aus einem Ethylen-Acrylat-Copolymer enthält. Die Laminatfolie weist die Eigenschaft auf, sich in Querrichtung über das 6-fache ihrer ursprünglichen Breite, typischerweise das 8- bis 10-fache ihrer ursprünglichen Breite, bei hervorragender Verarbeitbarkeit und relativ geringer Trübung zu orientieren. Die Laminatfolie kann ferner zusätzliche Schichten aufweisen, wie eine dritte Schicht auf PLA-Basis, die auf der der heißsiegelfähigen Schicht gegenüberliegenden Seite der Kernschicht angeordnet ist, eine Metallschicht oder Kombinationen davon.

WO2010148105 A1 (2010, TORAY PLASTICS AMERICA INC.) offenbart eine BOPLA-Folie, die eine Kernschicht, die PLA enthält, und eine heißsiegelfähige Schicht, die amorphes PLA und einen Modifikator, der PCL oder PBAT umfasst, enthält. Die Verwendung von Polymeradditiven als Minderheitskomponente in der Folienformulierung ermöglicht es der BOPLA-Folie, bei niedrigeren Siegeltemperaturen für Verpackungsanwendungen heißsiegelfähig zu werden, bietet eine geringe Trübung und gute optische Klarheit und erhält die biologische Abbaubarkeit.