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Forschungs- und Abschlussarbeiten - Flachfolienextrusion

Hintergrund

Trotz vereinzelter Bestreben weniger Marktteilnehmer Waren und vor allem Lebensmittel in möglichst wenig Verpackung anzubieten und zu erwerben, ist der Trend nach gezielt optimierten und konvenienten Verpackungen ungebrochen. Produktpräsentation, einfache Handhabung sowie die Verlängerung der Haltbarkeit sind nur drei Aspekte von vielen, worauf diese Entwicklung zurückzuführen ist.

Im Vergleich zu anderen Kontinenten hat Europa ein weitgehend funktionierendes Abfallsystem, welches verhindert, das große Mengen ausgedienter Einwegverpackungen in die Natur gelangen. Speziell in Deutschland vermittelt das Duale System über weite Teile den Eindruck, der gesammelte Kunststoffabfall werde nahezu gänzlich recycelt. Das ist bedauerlicherweise nicht der Fall, wenn vom engeren Sinne dieses Begriffs, nach einer werkstofflichen Verwertung oder gar Kreislaufführung, gesprochen wird. Die eingangs angeführten Gründe haben zur Folge, dass Verpackungen – oft für das Auge nicht erkennbar - größtenteils aus mehrschichtigem Aufbau bestehen. Hierbei kommen Lagenaufbauten verschiedener Kunststoffe, Papier/Karton oder gar Metalle zum Einsatz, siehe z. B. Käseverpackungen, Standbeutel für Nüsse und Chipstüten. Die spezifischen Aufgaben, die die einzelnen Lagen dabei übernehmen reichen von der Barriererewirkung gegen Gase und Wasserdampf über die Siegelbarkeit/Verschweißbarkeit bis hin zur Bedruckbarkeit.

Aus dem daraus entstehenden Abfallstrom werden Verpackungen, die aus Monomaterial bestehen aussortiert und dem werkstofflichen Recycling zugeführt. Da die Wiederverwertung bei den verbleibenden Verpackungen aus Multimaterialverbünden einen unverhältnismäßig hohen Aufwand verursachen würde, wird diese Abfallfraktion lediglich energetisch verwertet, d.h. verbrannt.

Bislang besteht keine (markttaugliche) Alternative zu den derzeitigen Verpackungsfolien. In einem geförderten und industrienahen Projekt soll nun untersucht werden, ob und inwieweit Folien aus nur einem einzigen Kunststoff, und daher gut werkstofflich zu recyceln, die heutigen Anforderungen erfüllen kann. Die dadurch erzielbare ökologische Vorteilhaftigkeit könnte dabei weiter ausgebaut werden, falls auf Next-Gen-Kunststoffe auf Biobasis zurückgegriffen werden kann.

Aufgaben und Anforderungen

Entsprechend breit gefächert sind die Themenfelder, die im Zuge dieses Projekts in Einklang gebracht werden müssen. Das umfasst die Folienherstellung, -prüfung und -charakterisierung, die Verpackungskonzeption mit lebensmittelgerechter Gestaltung und deren Fertigung, sowie das Recycling, welche allesamt in die Forschungsaktivitäten an der TU Clausthal eingebunden sind. Entsprechend fallen die Tätigkeitsbereiche für studentische Arbeiten aus. Je nach Projektstand und Problemstellung werden von Zeit zu Zeit an dieser Stelle neue Themen hinzukommen, wobei die Aufgabenstellungen mit einem Arbeitsumfang von 5-7 LP angedacht sind. Etwa für Projekt-/Studienarbeiten/Forschungspraktika etc. Weiterreichende Unterfangen sind nach Absprache ebenfalls möglich. Den derzeitigen Umständen geschuldet, sind die Arbeiten vornehmlich theoretischer Natur, sprich Recherchearbeiten.

Je nach Aufgabenstellung sind Vorkenntnisse aus dem Bereich der Kunststoffverarbeitung, idealerweise der Flachfolienextrusion wünschenswert. Der Einsatz von Literaturverwaltungsprogrammen (z.B. Citavi, Endnote, etc.), LaTeX sowie systematische Recherchekenntnisse (siehe „Gewusst wie…“ der Universitätsbibliothek) wären angemessen.

Themen

Bereich Lebensmittelverpackung

1) Nanopartikel in Lebensmittelverpackungen – Gefahren und Potentiale

In der Vergangenheit erhielten sogenannte „Nanopartikel“ große mediale Aufmerksamkeit. Zum einen, da Partikel dieser Größenordnung partiell eklatant andere chemische und physikalische Eigenschaften aufweisen als das Ausgangsmaterial, zum anderen da die physiologische Unbedenklichkeit Teil eines intensiven wissenschaftlichen Diskurses waren und sind. Folglich soll anhand einer Recherche diskutiert werden, ob besagte Stoffe als Additiv in Kunststofffolien eingesetzt werden können, um etwa die Gasdurchlässigkeit zu verringern oder aber deren Einsatz zur Schadstoffbelastung des Packgutes führen kann.

2) Anforderungen an Pouchverpackungen (Standbodenbeutel) für Lebensmitteleinsatz und Verarbeitung

Der Standbodenbeutel erfreut sich im Einzelhandel wachsender Beliebtheit: Schon seit Jahrzehnten als Markenzeichen der Capri-Sonne im Einsatz findet diese Verpackungsart mittlerweile mannigfaltige Einsatzbereiche. Von Nüssen und geriebenem Käse über Saucen und Würzpasten bis hin zum Mehrfacheinsatz als Outdoor-Equipment. Maßgebliche Gründe für diese Entwicklung sind nicht nur der geringe relative Materialeinsatz und die geringe Platzerfordernis im ungefüllten Zustand, sondern auch die Wiederverschließbarkeit durch Ausgießer oder Zippverschluss. In einer recherchebasierten Ausarbeitung soll zusammengetragen werden was die Anforderungen an den Beutel in Abhängigkeit des Füllgutes sind und welche Eigenschaften eine Folie aufweisen muss um bei der Herstellung maschinengängig sein zu können.

3) Gaspermeation: Ansätze zur Verbesserung der Barrierewirkung von Lebensmittelverpackungen

Eine lange Haltbarkeit von verpackten Lebensmitteln bietet Vorteile nicht nur für den Handel und für den Konsumenten, sondern trägt auch zur Verringerung der Lebensmittelverschwendung bei. Einer der Schlüsselfaktoren in diesem Zusammenhang liegt in der Barrierewirkung von Verpackungen respektive der Verringerung der Permeation von Gasen und Wasserdampf durch die dafür verwendeten Materialien. Milchprodukte etwa sind anfällig gegenüber eindringendem Sauerstoff, (gesalzenes) Gebäck gegenüber Wasserdampf. Zwei (konventionelle) Wege diesem Umstand zu begegnen sind zum einen der Einsatz von Metallfolien, zum anderen aufwändige Laminataufbauten aus bis zu neun Schichten diverser Kunststoffe. Welche (neuartigen) Möglichkeiten bestehen, soll in einer Recherche zum aktuellen Stand zusammengetragen werden.

4) Neue biobasierte Kunststoffe für Lebensmittelverpackungen: Überblick, Bewertung und Marktanalyse

Ein Großteil der derzeit im Lebensmittelbereich verwendeten Kunststoffe basiert auf jahrzehntelanger Entwicklung. So kommt es, dass beispielsweise mit PE, PP oder PET Materialien den Verpackungsbereich dominieren, die sich auf der einen Seite durch eine schier unerschöpfliche Verfügbarkeit bei gleichzeitig geringsten Kosten auszeichnen. Auf der anderen Seite basieren diese allesamt auf fossilen Ressourcen (Erdöl), deren Verbrauch es indessen zu verringern gilt. Des Weiteren sind die Eigenschaften speziell als Verpackung im Lebensmittelbereich nicht immer optimal. In Anbetracht dessen wurden und werden in der jüngeren Vergangenheit neuartige Kunststofftypen entwickelt, die nicht nur andere Eigenschaften aufweisen, sondern auch auf biogenen Ressourcen basieren. Diese noch nicht marktreifen Entwicklungen gilt es zu erkunden und – soweit möglich – technisch sowie finanziell zu bewerten.

Bereich Kunststofffolien

1) Gaspermeabilität: Einflüsse und Mechanismen

Der Stoffübertritt von Gasen ist ein immanentes Phänomen wovon jegliche Materialien, die einen definierten Raum abschließen betroffen sind. Das Ausmaß und der stoffspezifische Übertritt der sukzessiv ablaufenden Teilprozesse Adsorption, Absorption, Diffusion und schließlich Desorption wird je nach Anwendungsgebiet durch Gestaltung der Barriere bestimmt. Somit ist die Beachtung dieses Bündels an Vorgängen ein entscheidender Faktor, der die Qualität und die Einsatztauglichkeit eines Behältnisses ausmacht. Im Rahmen einer theoretischen Ausarbeitung sollen die generellen Mechanismen und Abhängigkeiten zusammengetragen und dargestellt werden.

2) Schichtsilikate als Additiv zur Verringerung der Gaspermeabilität von einschichtigen Kunststofffolien

Die Barriereeigenschaften von Kunststofffolien gegenüber Gasen ist einer der Hauptaspekte, wodurch die Eignung dergleichen für die Lebensmittelverpackung bestimmt wird. Vereinfachend kann der Grundsatz angenommen werden: Je höher die Abschirmung, desto geringer die Beeinträchtigung des Packgutes. Bislang werden für anspruchsvolle Lebensmittel spezielle und daher teure Barrierekunststoffe oder Metallfolien verwendet. Beiden Lösungen ist gemein, dass ein werkstoffliches Recycling nicht praktikabel ist. Ein Ansatz die ausgezeichnete Recyclingfähigkeit von einschichtigen Kunststofffolien mit der geforderten Barriere („Labyrinthwirkung“) zu kombinieren ist die Additivierung mit Schichtsilikaten. Welche Arten zum Einsatz kommen können und wie deren Aufbereitung vonstatten geht, gilt es in einem Überblick über den Stand der Forschung zu erarbeiten.

Bereich Prozesstechnik

Am Standort in Clausthal soll eine Flachfolienanlage zur Herstellung diverser Folien, die im Rahmen des Projektes betrachtet werden sollen, aufgebaut und in Betrieb genommen werden. Wie in allen Forschungsunterfangen setzt eine fundierte Auswertung von Daten eine adäquate Erfassung dergleichen voraus. Vor diesem Hintergrund kommen Data Acquisition Systeme (DAQ) zum Einsatz, womit Parameter wie Temperaturen, Drücke, Drehzahlen, etc. aufgenommen und weiterverarbeitet werden können. In einem dreistufigen Ablauf bestehend aus jeweils aufeinander aufbauenden studentischen Arbeiten soll ein entsprechendes System vorbereitet und umgesetzt werden.

1) Einführung eines DAQ-Systems für die Flachfolienextrusion: Theoretische Vorarbeiten

2) Einführung eines DAQ-Systems für die Flachfolienextrusion: Marktanalyse und Konzeptentwurf

3) Einführung eines DAQ-Systems für die Flachfolienextrusion: Technische Umsetzung

Die Arbeiten sind ab sofort zu vergeben. Bei Interesse wenden Sie sich bitte an Herrn Maximilian Feyrer

 

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