In der heutigen Welt stehen Kunststoffverpackungen unter anderem aus Umweltgesichtspunkten, Kostengründen und Themen der Lebensmittelsicherheit unter Beschuss. Eines der Hauptprobleme war immer die mangelnde Möglichkeit, Tinten, Lacke und Klebstoffe auf Wasserbasis auf dem beliebten BOPP-Substrat zu verwenden. Durch die Oberflächenbehandlung mit iPlasma hat sich dies jedoch geändert, wie Kim Bredgaard, Project Sales Manager von Vetaphone, erklärt.
Bis vor kurzem war die Möglichkeit der Verwendung von wasserbasierten Tinten und Klebstoffen auf BOPP stark eingeschränkt. Der Grund dafür ist die Eigenschaft des Materials, nur eingeschränkt mit Sauerstoff zu reagieren, was zu einer maximal erreichbaren Oberflächenspannung von 46 dyn/cm unter Verwendung der klassischen Korona-Behandlung führt. Eine Lösung besteht darin, bereits grundiertes BOPP zu verwenden oder zu diesem Zweck einen eigenen Inline-Primer zu verwenden. Der Nachteil dabei sind die zusätzlichen Kosten – der Primer basiert auf Lösungsmitteln und die Materialstärke ist dicker. Mit der iPlasma-Technologie von Vetaphone ist es jetzt möglich, auf BOPP bis zu 60 dyn/cm zu erreichen. Mit dem branchenweit niedrigsten Gasverbrauch für diesen Prozess kann ein ROI der Investition innerhalb von nur 12 Monaten erreicht werden.
Um zu erklären, wie dies möglich ist, müssen wir die Chemie der BOPP-Oberfläche untersuchen. Korona ist eine elektrische Entladung, die typischerweise zwischen 30 und 40 kV liegt. Diese Entladung bricht bestehende Molekülketten auf und erzeugt neue, kürzere Ketten. Die neuen Molekülketten an der Oberfläche entstehen mit Hilfe von Sauerstoff im „Luftspalt“, der Teil der uns umgebenden unkontrollierten Atmosphäre ist. Die O2-Moleküle brechen in O-Atome auf, die sich dann mit den CH-basierten Gruppen auf der Oberfläche des Kunststofffilms verbinden und die in Abb. 1 gezeigten Molekülketten bilden. Das Nebenprodukt dieses Prozesses ist Ozon (O3), welches durch die Kombination der freien Sauerstoffmoleküle erzeugt und durch die obligatorische Abgaseinheit des Korona-Systems aus dem Bereich entfernt.
iPlasma ist Korona insofern ähnlich, als die elektrische Entladung auf die gleiche Weise erreicht wird. Im Gegensatz zur Korona, welche Umgebungsluft verwendet, benötigt iPlasma eine kontrollierte Atmosphäre, die in diesem Falle auf Stickstoff basiert. Durch Entfernen des gesamten Sauerstoffs und Ersetzen durch eine kontrollierte Stickstoffatmosphäre kann iPlasma bestimmte Molekülketten auf der Oberfläche des Substrats erzeugen. Wenn die hohen Dyne-Werte angestrebt werden, die BOPP benötigt, sind die erzeugten Molekülketten überwiegend Amin-, Amid- und Imidgruppen, wie in Abb. 2 gezeigt. Ein weiterer Vorteil der Entfernung des Sauerstoffs aus dem Prozess besteht darin, dass kein Ozon erzeugt wird, also kein entsprechendes Abluftsystem erforderlich ist.
Die Erzeugung der erforderlichen Molekülgruppen allein reicht jedoch nicht aus. Es erfordert detaillierte Kenntnisse darüber, wie die Oberfläche behandelt werden muss um ein gleichmäßiges Dyne-Niveau zu erreichen. Wenn es dann auch noch gelingt, den Verbrauch an Prozessgasen und Energie zu minimieren, kann man das konkurrenzfähigste Produkt anbieten. Das Geheimnis liegt also darin, wie man in einer kontrollierten Atmosphäre die richtige Mischung von Molekülgruppen auf einem spezifischen Material erzeugt.
Der Unterschied zwischen Korona- und iPlasma-Behandlung besteht darin, dass iPlasma in der Lage ist, höhere Dyne-Werte auf BOPP zu erreichen, wie in Abb. 3 dargestellt.
Die Grafik zeigt die Oxidationsgrenze an der BOPP Oberfläche. Nach Erreichen von 46 dyn/cm ist mit der herkömmlichen Korona-Behandlung auch mit höheren Leistungsdosen keine Verbesserung der Oberflächenspannung möglich. Mit der iPlasma-Oberflächenbehandlung können jedoch bis zu 60 dyn / cm erzielt werden. Wie bei Korona profitiert die iPlasma-Behandlung über 60 dyn / cm nicht davon, die Leistung noch weiter zu steigern.
Ein weiterer Vorteil von iPlasma ist, dass es sich nicht unbedingt um einen Inline-Prozess handeln muss. Der Grund dafür liegt in etwas, das als „Alterung” bekannt ist. Nach einer Korona-Behandlung beginnen Additive in der Kunststofffolie nach Abschluss der Behandlung zur Substratoberfläche zurückzukehren. Abhängig von der Art und Menge des Additivs kann dieser Alterungsprozess wenige Stunden bis zu mehreren Wochen dauern. Tatsächlich wird sich der Wert der Oberflächenspannung nach einiger Zeit auf sein ursprüngliches Niveau verringern, bei BOPP in diesem Beispiel 32 Dyne / cm, wie in der Tabelle in Abb. 3 gezeigt.
Abb. 4 zeigt den Alterungsprozess von BOPP
Die Grafik zeigt, dass das mit Korona behandelte Material zu altern beginnt und innerhalb von zwei Monaten wieder auf seine „ursprünglichen“ 32 dyn / cm gealtert ist. Mit iPlasma mit mittlerer Leistung behandeltes Material altert ebenfalls in ähnlichem Tempo, aber die Alterung stoppt auf einem höheren Niveau bei 46 dyn / cm. Mit Hochleistungs-iPlasma ist jedoch keine Alterung feststellbar. Die auf BOPP erreichten 60 dyn / cm bleiben auch nach 18 Monaten auf diesem Niveau.
iPlasma kann also nicht nur ein höheres Dyne-Niveau erreichen, sondern auch eine länger anhaltendes Dyne-Niveau. Die Materialien, bei denen Vetaphone bisher nachgewiesen hat, dass sich mit iPlasma höhere Dyne-Niveaus erzielen lassen sind: PP, OPP, BOPP, PVC, PET und PVDC. Diejenigen, die ein nicht alterndes Dyne-Niveau erreichen, umfassen: BOPP, fluorierte Polymere (FEP, ETFE, ECTFE), PE, PLA, COC und COP. Und das ist erst der Anfang, denn sobald weitere Materialien mit neuen Rezepturen verfügbar sind, werden die Vetaphone-Chemiker die Technologie entwickeln, die für ihre Behandlung erforderlich ist, wie dies seit den 1990er Jahren der Fall ist.
Bei frühen Plasmasystemen kamen im Takt der gelösten Herausforderungen immer neue Probleme hinzu. Unter anderem führten eine schlechte Kontrolle der Plasma-Atmosphäre sowie ein hoher Gasverbrauch zu einem verlängerten ROI. Diese Tage sind vorbei. Mit iPlasma ist nicht nur der Gasverbrauch erheblich niedriger als zuvor, sondern die Plasma-Atmosphäre wird jetzt während des gesamten Produktionsprozesses streng kontrolliert, wobei alle Einflussfaktoren genau überwacht und der Gasfluss und die Gasmischung entsprechend angepasst werden. Alle Produktionsdaten werden automatisch protokolliert, einschließlich des Gas- und Stromverbrauchs, des Gasmixes und aller entscheidenden Faktoren. Dadurch wird sichergestellt, dass die Plasma-Atmosphäre den jeweiligen Prozess-Spezifikationen entspricht.
Probleme mit BOPP? Nicht mit iPlasma!
