Fallstudie Burth

kein hochwertiger Druck mgl

unebenene Oberfläche wegen Flatenbildung durch überschüssiges Material

Material bewegt sich aus der eigenen Ebene heraus

Wegschneiden

-          Runder blechzuschnitt (Ronde) wird über Napf gelegt

-          Wird mit Stempel in Ringspalt hineingezogen

-          Faltenbildung wird verhindert: Fixierung der Ronde durch Niederhalter

-> Material kann nicht aus Materialebene ausbrechen wie bei Papier (Papier wäre zu instabil, würde reißen)

-> Material wird umgelagert (Druckkräfte)

-          Technische Form ähnlich zum Tiefziehen Metall und Papier

Aber: Materialverhalten anders

• Benötigte T deutlich niedriger als Metall

-          Knäule werden in langestreckte Polymerketten umgeformt

-          10-fache Länge und mehr möglich durch diese Dehnung

-          Eingesetzte Halbzeugmaterialien: PS,PP, PET

• Verwendung: Joghurt, Blisterverpackung

• Durch Verstrecken wird Material dünner

• Volumen/Masse bleibt gleich

• Steifigkeit steigt (orientierte Ketten)

• Belastbarkeit wird schlechter

-          Kunststoff muss warm dehnbar/umformbar sein

-          Kalt: sehr steif

-> Eigenschaften Kunststoff müssen für Einstellung T gut bekannt sein

Amorph: T über Tg                                                        

Teilkristallin: T über Tm

Wanddicke an jeder Position unterschiedlich

Für jeden Kunststoff gibt es max. Verstreckbarkeit (wird in RA oder RL -Wert angegeben)

-          Eckenausformung: Problem, H:D-Verhältnis immer ungeschickter, Folie wird sehr dünn

-> Kritische Ecken lieber abrunden

-          Streckmarken: Treten bei Positivformen auf, sind dicker und optisch auffallend

-> Lösung: Vorblasen, schnellere Bewegung, Form vorwärmen

-          Faltenbildung: Falten treten bei konkaven und konvexen treffenden Kanten auf

-> Kanten abrunden, langsames ausformen (Material kann nachfließen), Faltenschieber

-          Hinterschneidungen: Lassen sich nicht aus Form ziehen

-> Flexibler Kunststoff, Entformglocke, schiebefähiges Scharnier

-          Mechanische Stabilität beeinflusst Wanddicke

-          BCT-Versuch bestimmt Belastung

-          Entscheidend für Belastbarkeit: Wanddicke, Steifigkeit, Becherform (Durchmesser, Wandhöhe)

-> Steifigkeit Becherwand abhängig von: Material, Verstreckung Polymere

-> Verdopplung Dicke führt zu Verachtfachung der Steifigkeit

-          Einfluss Verstreckung auf Wanddicke: Vol und Masse bleibt nach Verstrecken gleich. Je mehr Fläche desto geringer Dicke, Ausgangsdicke der Folie beeinflusst Enddicke

-          Stempel

-          Einflussparameter: Temperatur, Geometrie, Geschwindigkeit. Eindringtiefe

-> Bei Kräften, die mehr als 1 bar auf die Folie entsprechen, ist ein Stempel nötig, da maximaler Unterdruck < 1bar

-          Heißer Zustand: Orientierung der Polymerketten durch Verstrecken unter Zwang und T

-          Kalter Zustand: Abkühlen: kinetisch eingefroren: Polymerketten bleiben orientiert

-> Langsames Abkühlen: Ketten ziehen sich wieder mehr zu Knäul zusammen

Pressen von Papier mit Stempel in ein Ringwerkzeug (in 3DForm)

-          Vorteil: gleichmäßige Belastung durch Druck

-> Gleichmäßige Dehnung/Dickenabnahme

-          Kein Kontakt zum Werkzeug, keine Fixierung/Abkühlung einzelner Folienstellen

-          Verfahren ist teuer und zeitintensiv (keine Verwendung in der Verpackungsindustrie)

• Rundungen

• Rippen

• Querrillen

Standsicheres Auslegen

• ebeneer Boden für sicheres Stehen

• Problem: bei Abkühlung tritt Kristallisation auf:

  -> führt zu Schrumpf (Verzug Boden)

  -> Füßchen, Auflagering

  
  

Vereinzeln von Bechern, Luft strömt zwischen die Becherwände

• möglichst wenig Material verwenden

• platzsparende Ausrichtung der Becher

-          Materialauswahl: Wärmeleitfähigkeit, Verarbeitbarkeit, Verschleiß, Gewicht (zB Stahl, Alu)

-          Luftkanäle im Werkzeug: an allen Stellen, an denen Folie eingezogen wird (Ecken, Wände, Schrift)

-          Hagen Poiseuille

Erwärmen: Einfluss auf Taktzeiten, E-Verbrauch, gleichmäßige Erwärmung

Zwischen Tfu und Tfo: Temperaturfenster zum umformen

Abhängig von Amorph/Kristallin

-          Zeiten Abh. von Dicke und Leitfähigkeit Kunststoff

-          Allg: Heiztemp., Heizart, Spez. Wärmekapazität cp und Wärmeleitfähigkeit

-          Heizrate kann nicht beliebig hoch gewählt werden -> sonst Tfo auf Oberseite überschritten bevor Tfu Unterseite errreicht

-> Materialien mit engem Verarbeitungsfenster nur langsam erwärmen

->  Temperieren mit An und Ausschalten von Heizquelle (Prinzip Herdplatte): schneller, da höhere Heizrate möglich, gleichmäßigere Temperaturverteilung zwischen Ober und Unterseite, Einsatz bei Streckblasformen nicht Tiefziehen

Kontakterwärmung: Folie in direktem Kontakt mit Heizplatte, häufigstes Verfahren

Konvektionserwärmung: über dünnen Fluidfilm, Wärmeübergangskoeffizient α nötig

-> T auf Oberfläche steigt kontinuierlich an, T-Profil flacher, T-Eindringen dauert länger

Strahlenerwärmung: sehr gute Energiedichte, Kontaktlos, gute Wärmeverteilung

h

hohe Absorption (hier werden die meisten Substanzen absorbiert)

Kühlrohre im Werkzeug

Kühlung abh. von Wärmekoeffizient (Stehende/bewegte Luft)

je nach Innenkühlung unterschiedlich gleichmäßige Temperaturprofile auf beiden Seiten

DMA: Nachverfolgung von Durchlauf Polymer

DSC: gute Beobachtung von verzögerter Kristallisation

Schrumpf: Volumenänderung durch Relaxation der Polymerketten

Schwindung: Volumenänderung durch Kristallisation , Reduzierung durch Fixierung mgl

Zugabe Nukleirungsmittel

Ansätze zur Verbesserung: Mw erhöhen (Visko steigt), Verteilung Mw verbessern (geringerer Durchhang) Tm Bereich verbreitern durch unterschiedliche Kristallgröße, Zugabe Talk (erhöht Visko), Modifizieren Seitenketten (höhere WW), Niedrige T in Schmelze

Kettenwachstumsreaktion: Voraussetzung Doppelbindungen

-          Radikalische Polymerisation

-          Ionische Polymerisation

-          Koordinative Polymerisation

Stufenwachstumsreaktion: Voraussetzung: funktionelle Gruppen

-          Polykondensation

-          Polyaddition

-          Polymerisation findet erst im Druckprozess statt

-          Nicht so gut überwachbar

-          Kettenbildung muss funktionieren

Aushärtung muss geprüft werden: Gaschromotograpfie und regelmäßiges Austauschen von Lampen

• Hoher Glanz

• hohe Beständigkeit

• hohchwertiger Druck

-          Offset (hochwertige Verpackungen)

-          Flexodruck (niedrige Qualität (Quetschränder))

-          Etikettendruck (schnelle Weiterverarbeitung)

1)       Initiation

2)       Kettenstart

3)       Kettenwachstum

4)       Kettenabbruch

5)       Nebenreaktion mit O2

K gibt Geschwindigkeit von Reaktionsschritt an

-> schneller als Kettenwachstum (PI-Radikale reagieren mit Monomeren vor Kettenwachstum)

-> Radikalische Polymerisation braucht Doppelbindungen (Acrylate, Methylacrylat, Styrol)

-> Reste beeinflussen Reaktionsgeschwindigkeit und beeinflussen spätere Eigenschaften

Kann radikalisch, ionisch, kondensierend oder additiv sein

1)       Bildung PI- Radikale

2)       Pi-Radikale reagieren mit o2 (weniger Radikale, keine Polymerisation, Sauerstoffatome -> verschwinden aus Lack)

3)       PI wird nachgebildet und reagiert mit C=C Kettenwachstum beginnt PI-Menge wird deutlich erhöht: satt 0,5%PI mit 3 7% PI. Dadurch bilden sich sehr viele Radikale, die meisten „verbrennen O2“, es bleiben aber genügend übrig, um die Reaktion mit C=C zu starten

4)       An der Oberfläche ist immer eine kritische O2 Menge, da O2 immer weiter nachkommt abhängig von der Viskosität nimmt die Diffusion von O2 in den Lack ab. Wenn die Polymerisation mal angefangen hat, steigt die Viskosität.

è  Viskosität steigt von Schritt 3 auf 4

-          O2 reagiert mit PI als C=C

-          Kinetik abh. v. Reaktionsgeschwindigkeitskonstante k und Konzentration

-          Konzentration von O2 in Lack ca. 2*10-3 mol/l

Auswahl nach Absorptionsverhalten, Vergilbung, Reaktivität, Spaltprodukt, Geruch, Verträglichkeit

-> Reaktionstypen Norish 1 und Norish2

Wie viele Radikalbrüche sich pro adsorbierten Lichtquant ergeben. Je höher die Ausbeute, desto niedriger Lebensdauer in Triplet

Norrish Typ I

• UV-Licht spaltet C–C-Bindung neben Carbonylgruppe.

• Es entstehen zwei Radikale.

• Wichtig für radikalische Polymerisation.

• Beispiel: Acetophenon → Benzoylradikal + Methylradikal.

• Einsatz: Photoinitiatoren in Kunststoffen, Lacken, Harzen.

🔹 Norrish Typ II

• Intramolekulare γ-H-Abstraktion nach Anregung.

• Bildung eines Biradikals → Spaltung in Alken + Enol.

• Nicht relevant für Polymerisation.

• Eher bei Fotoabbau von Polymeren oder in Naturstoffen.

Phase 1) Verzögerung des Polymerisationsstarts wegen Blockierung der Radikale durch Luftsauerstoff (Inhibitionszeit)

Phase 2: Polyerisation, abhängig von chemischen Typ ders Lacks

Phase 3) Übergangsphase (vollständiger Abbruch d. Polymerisation findet nicht mehr statt)

Phase 4) Die Polymerisa´tionsgeschwindigkeit wird vim Diffusionsverhalten des lacksystemes bestimmt

-          Anregung PI durch Bestrahlung

-          Je mehr PI im Lack und je höher Bestrahlung, desto mehr Radikale können gleichzeitig entstehen

-          Radikale reagieren mit o2 bis vollständig aufgebraucht (benötigte Zeit = Inhibitionszeit (Phase 1)

-          Nicht aufgebrauchte Radikale reagieren mit Acrylatgruppe Präpolymer -> leiten polymerisation ein (Phase 2)

-          Steigende steifigkeit durch Kettenwachstum

-          Bestimmter Grad Visko erreicht: Polymerisationsgeschwindigkeit verringert sich stark (Phase 3)

-          Langsame Annäherung an Endfestigkeit

• PI-Typ

• PI-Konzentration

• Strahlungsintensität

• O2 im Lack

-> schnellere Aushärtung bei höherer Temperatur (höhere Beweglichkeit bei Monomeren, schnellere Reaktion dadurch weniger gelästes O1 im Lack)

sobald keine Bestrahlung Reaktionsabbruch bei radikalischer Polymerisation, Nachhärtezeit gehört zu Phase 3 und 4: hier kein spontaner abbruch mehr möglich wegen eingeschränkter Radikalketten, reaktionsgeschwindik´geit nimmt aber stark ab (abh.v. chemische Eigenschaften Lack, Additive, PI, äußere Faktoren wie T)

abhängig davon, wann Radikalabbruch stattfindet:

-          Kettenlänge abhängig von Kt und [R*]

-          je höher die Radikalmenge (hohe PI-Konzentration oder hohe Strahlungsintensität), desto eher ein Abbruch und damit kürzere Ketten

-          O2 ist ein Störfaktor und verursacht kurze Ketten

-          Kettenlänge beeinflusst Härte des Lacks, kurze Ketten reduzieren die Härte, im Extremfall schmierige Oberfläche wegen O2- Diffusion

sind die Ketten zu lang steigt der Tg und Polymere werden unbeweglich, Monomere können nicht mehr vorbeigleiten, keine Kettenverlängerung, Wärmezufuhr durch Strahlung oder Reaktionswärme

• alles was nicht in Ketten fixiert ist

• Molekulargewicht < 1000g/mol

Probleme durch Klebstoffbluten: Kontamination, Ablösen Etikett

a. Unbelastete Startposition

b. Sofortige Verformung der Feder

c. Kriechen des parallelen Puffer-Feder-Systems + Kriechen des Puffers

d. Sofortige Rückverformung der Feder e. Rückfluss im parallelen Puffer-Feder-System

f. Viskoser Verlust, verursacht durch den Puffer

1) Be- und Entlastungsexperimente liefern Informationen zu einzelnen Elementen in Burger Modell

2) Bei 1. Drop fallen die Werte immer ungewöhnlich hoch aus.

3) Federkonstante steigt mit Zunahme der Belastungszyklen. Stärkste Änderung von 1. auf 2. Zyklus

4) Stoßdämpferelement in Reihe ist wichtig für Klebstoffbluten

5) Variation der Belastungszeit: Federelemente bessere Zuordnung möglich 1) Feder bleibt gleich 2) Kriechen steigt mit Belastungszeit weitgehend linear

6) Harze verändern Feder/Stoßdämpfer

Herstellung: Extrusion mit anschließender Verstreckung (mono oder biaxial)

Typisch: PVC, PE, PET, PS, PP

-          Orientierung der Ketten unter Zwang und Temperatur

-> Zustand niedriger Entropie

-          Abkühlen (kinetisch eingefroren (ohne: Relaxation)

-          Erwärmen Schrumpffolie -> Ketten streben Zustand hoher Entropie an -> Folie verkürzt sich

-          Amorph: Tg<T

-          Teilkristallin: Tm<T

-          Durch Silikon Ölbad oder TMA, konstante T

-> L0 ursprüngliche Länge, Ls= Länge nach Schrumpf

• Erhöhung T -> E-Modul nimmt ab

• ab Tg 50°C: stärkerer Abfall des E-Moduls

• steigt mit steigender Verstreckrate (Orientierung Ketten, Steifigkeit)

• bei steigender Aufheizrate: Schrumpf steigt

• bei niedirger Aufheizrate: Relaxation entsteht, Folie Schrumpft, bevor Wunschtemperatur erreicht

-          Steigende T sinkende Spitzenschrumpfkraft

-          Orientierung nimmt ab (Mobilität Ketten nimmt zu)

-          Relaxation nimmt zu

-          Neubildung Kristallite bei höheren Verstrecktmeperaturen

-> Stabilere Struktur und geringere Spitzenschrumpfkraft

-> Bevorzugte Verstreckteperatur im Bereich Tg

-          Ab Konzentration > 40 mol% nimmt Schrumpf ab

-          Schrumpf steigt mit Zugabe Polyethylenisophthalat

-          Copolymer hat merh amorphe Regionen (Ketten bewegen sich schneller, sind lockerer orientiert (EI senkt Orientierung)

-          Mit steigendem Mw steigt Schrumpf und Schrumpfgeschwindigkeit

-          Verschlaufung und Länge der Ketten steigt auch

-          PETfolie: Copolymere geringere Kristallinität als Homopolymere

-          Molketten unregelmäßiger

-          Reduziert Tg und T für Kristallisation

-          Kristallosationsrate sinkt

-          Schrumpf bei Copolymer > Homopolymer

-          Kristallinität sinkt, schrumpf steigt

-          Mehr Zeit, mehr Schrumpf

-          Viskosität

-          Tm

-          Temperatur der Kristallisation

-          Oberflächenspannung

-          Verhalten mit Papier

-          Offene Zeit

-          Geschlossene Zeit

-          Polymer (Tm/Tg, Kristallisation)

-          Haftvermittler (Aromazität, Polarität, Viskosität)

-          Wachs

-          Vorheizzone

-          Reckzone

-          Weiterheizzone

-          Neutralzone

-          Kühlzone

-          Randbeschnitt

-          Dickenmessung

-          Oberflächenbehandlung

-          Infrarot

-          Roentgen

-          ß-Strahlen

-          Oberflächenaktivierung von Kunststoffen

-          Durch Hochspannungsentladung (Corona)

-          In Luft, bei Raumtemperatur

-          Erzeugt polare Gruppen auf der Oberfläche

-          Steigert Benetzbarkeit und Haftung

-          Wichtig für Druck, Klebung, Beschichtung

-          Besonders bei PE, PP

-          Schnell, trocken, kostengünstig

-          Wirkung kann mit der Zeit nachlassen

-          Wickler in der BOPP Wickelt fertige BOPP-Folie auf

-          Wichtig für saubere, spannungskontrollierte Aufwicklung

-          Oft mit auto. Rollenwechsel und Kantenschneidern

-          Spannungsregelung für gleichmäßige Aufwicklung

-          Kantentrimmung

-          Messung und Kontrolle von Dicke Breite und Fehlern

Fingerprint: Erkennen von Einzelsubstanzen (Jeder Peak muss einen Fingerprint bei < 1000 Wellenzahlen haben) -> Teil von IR Spektroskopie, einzigartig für jede Verbindung deswegen Fingerabdruck

IR-Spektroskopie: Erkennen funktioneller Gruppen, Strukturaufklärung (Prinzip: Infrarotstrahlung -> Schwingungen der Bindungen analysieren)

UV-Spektroskopie: Untersuchung von Molekülen mit UV oder sichtbarem Licht, misst Lichtabsorption durch elektrische Übergänge, besonders empfindlich für Doppelbindungen und Aromaten (Konjugierte Systeme)

è  Je mehr Konjugation, desto höher Wellenlänge der Absorption

Fluoreszenzspektroskopie: Messung von Fluoreszenzlicht nach Anregung mit Licht (meistens UV) Molekül wird durch Licht angeregt (angeregter Zustand)-> fällt zurück in Grundstand unter Lichtemission

Emittiertes licht hat längere Wellenlänge (geringere Energie als das Anregungslicht)

-          Für Verdampfbare Substanzen

-          Trennverfahren zur Analyse von flüchtigen Stoffgemischen

-          Mobile Phase: Trägergas (zb Stickstoff)

-          Stationäre Phase (meist beschichtete Kapillarsäule)

-          Stationäre Phase: meist beschichtete Kapillarsäule

Funktion: Probe wird verdampft und mit Trägergas in Säule geführt

Stoffe werden je nach WW unterschiedlich lange zurückgehalten

Getrennte Substanzen verlassen Säule zeitlich versetzt (Retentionszeit)

Detektor erfasst Stoffe

-          Flüssigkeitschromatographie mit hohem Druck

-          Trennung von Stoffgemischen in flüssiger Phase

-          Mobile Phase: Flüssiges Lösungsmittel

-          Stationäre Phase: festes Material in der Säule (zB. Kieselgel)

Funktion:

-          Probe wird in Säule eingespritzt

-          Stoffe Wandern mit mobiler Phase durch stationäre Phase

-          Getrennte Substanzen werden von Detektor erkannt

-          Kombi aus Gaschromatographie und Massenspektroskopie (MS)

-          GC trennt komplexe Gemische

-          MS identifiziert und quantifiziert anhand von Massen und Fragmentierung

Funktion:

-          Probe wird in GC-Säule getrennt (Retentionszeit)

-          Getrennte Komponenten gelangen in MS-Detektor

-          MS ionisiert Moleküle, zerlegt in Fragmente

-          Massenspektrum zeigt Masse und Häufigkeit der Fragmente

-          Kombi aus Flüssigkeitschromatographie und Massenspektrometrie

-          HPLC trennt komplexe meist nicht flüchtige Proben

-          MS identifiziert und quantifiziert getrennte Moleküle anhand von Masse und Struktur

-          Zu hoch: erhöhte Abnutzung Werkzeug, Erwärmung Material, schlechte Schnittqualität: Ausfransen oder ungenaue Kanten)

-          Zu niedrig: geringe Produktivität, mgl. Ankleben an Werkzeug, weniger dynamische Belastung (längere Wekzeuglebensdauer)

è  Optimal: abhängig von Materialtyp, Dicke und Werkzeug

è  Ziel: Beste Schnittqualität bei hoher Effizienz

-          Erhöht Klebrigkeit (Tack) und Haftung

-          Zu viel: Klebstoff zu hart oder spröde

-          Schneidwerkzeug wird stärker beansprucht

è  Optimaler harzanteil: gute Haftung ohne verschlechterte Schnittqualität

beschichtung

Maß für benötigte Kraft um Trägerfolie von Klebstoff zu lösen

-          Zu hoher Wert: Trägerfolie lässt sich schwer abziehen

-          Zu niedrig: Trägerfolie löst sich zu leicht, Klebstoff kann beschädigt werden oder vorzeitig kleben

-          größter Winkel (180): erfordert höhere Abzugskräfte, Prozess oft stabiler und kontrollierter

-          kleinerer Winkel (zB 90°): geringere Abzugskräfte, kann Ablösen leichter aber auch instabiler machen

• PE

• OPP

• PET

• Papier

• …

nur Oberschicht und PSA werden durchtrennt

Wichtig für Abrieb, Verschleiß, Maschinenstabilität

-          Vollstanzzylinde

-          Magnetstanzblech

è  Stanzblech wird auf magnetischen Zylinder aufgespannt

è  Hähe muss genau passen (Abtragen von Rückseite, cwo Böech zu hoch)

è  Durchbiegen, wenn walze nicht stabil genug

ist fix in Walzenanordnung

Messerhöhe muss genau an Etikettenmaterial angepasst werden

bestimmen:

• Stanzverhalten

• Berstpunkt

• notwenidige Messerhöhe beim Stanzen von Verbund

• Einfluss Messwinkel

Vergleichen, Beobachten:

Empfindlichkeit von Silikonschichten gegen Schädigung

Klebstoffverhalten im Stanzprozess

Kriechversuche