Biopolymer-Extrusionsbeschichtung mit “Randeinkapselung”
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Die von SAM North America, LLC und der Nordson Corporation entwickelten Technologien ermöglichen es den Durchsatz zu erhöhen und das Beschichtungsgewicht bei der Extrusionsbeschichtung mit Biopolymeren wie PLA zu reduzieren, indem die Beschichtung mit LDPE eingekapselt wird.
Bei der herkömmlichen Coextrusion werden zwei oder mehr Materialien in horizontalen Schichten extrudiert. Die speziellen Einkapselungseinsätze, die Nordson für seinen Coextrusions-Feedblock entwickelt hat, ermöglichen dagegen die Extrusion von zusätzlichem Material entlang beider Ränder dieser horizontalen Struktur. Dank dieser Technik gelang es SAM North America, durch Einkapselung einer PLA-Coextrusion mit LDPE-Rändern, die Nachteile von PLA auszugleichen. Dies gilt insbesondere für die geringe Schmelzefestigkeit, durch die die Stabilität des Schmelzevorhangs, das Abziehverhältnis, die Anlagengeschwindigkeit und das Beschichtungsgewicht beeinträchtigt wird.
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„Durch die Nutzung von LDPE-Randeinkapselung auf unserer Pilotanlage erreichten wir für PLA Anlagengeschwindigkeiten von über 1200 ft/min [366 m/min]. Mit PLA allein waren es dagegen weniger als 600 ft/min [183 m/min],“ so Ed Lincoln, V.P. Extrusion Sales bei SAM North America. „Das Beschichtungsgewicht sank von 16 g/m² auf unter 10 g/m².“
Die hohe Schmelzefestigkeit von LDPE macht es zum meistgenutzten Polymer in der Extrusionsbeschichtung. „Ein wesentliches Hindernis für Verarbeiter, die einen Teil der eingesetzten LDPE-Menge durch Biopolymere ersetzen wollen, stellte deren niedrige Schmelzefestigkeit dar, die bei den angestrebten Anlagengeschwindigkeiten zu extremem Neck-in und zu Randinstabilität führt,“ so Sam Iuliano, Chief Technologist für den EDI® Geschäftsbereich Extrusionsdüsen und Feedblocksysteme von Nordson. „Durch die Nutzung eines Materials mit höherer Schmelzefestigkeit an den Rändern des Schmelzevorhangs, minimiert eine solche Randeinkapselung die bei vielen Biopolymeren bestehenden Verarbeitungsgrenzen.“
Neck-in bezeichnet die Eigenschaft der Polymerbahn, beim Austritt aus der Düse unter Spannung schmaler zu werden. Das Ergebnis ist eine Materialansammlung entlang der Bahnränder, die sogenannte „Randwulst“, die anschließend als Verschnitt entfernt werden muss. Um sicherzustellen, dass diese Randwulst aus dem jeweils kostengünstigsten Polymer in der coextrudierten Struktur entsteht, hat Nordson anpassbare Feedblock-Einsätze entwickelt, die den Durchfluss des kostengünstigen Polymers ausschließlich an den Rändern der Struktur gewährleisten. Die verbundenen Materialien werden anschließend im Fließkanal oder Verteilerkanal der Düse auf die endgültige Zielbreite gebracht.
Die Einkapselungseinsätze können problemlos in bestehenden EDI-Feedblöcken nachgerüstet werden. Darüber hinaus bietet Nordson neue EDI-Düsen an, die mit dem EPC™ Deckling-System ausgestattet sind. Dieses System kann so eingestellt werden, dass die Bildung von Randwülsten verringert wird. Zudem verfügt es über ein Schmelzeleitsystem, bei dem das Polymer für die Randeinkapselung der Düse statt dem Feedblock zugeführt wird. Der Einlass für das Einkapselungspolymer ist mit dem Deckling-Mechanismus gekoppelt.
„Wenn das Einkapselungspolymer an dieser Stelle des Prozesses eingebracht wird, ist die Grenzfläche zwischen diesem Polymer und der Kernstruktur besser definiert und die Übergangsüberschneidung zwischen dem Einkapselungsmaterial und dem Biopolymermaterial reduziert,“ so Iuliano. „Die Düse begrenzt die Bildung der Randwulst und reduziert die Menge des Randverschnitts.“
SAM North America hat darüber hinaus Coextrusionstechniken zur Einkapselung von Biopolymerstrukturen mit LDPE entwickelt, die einen einfachen Wechsel zwischen herkömmlichen und Biopolymer-Beschichtungen erlauben. Die Technologie berücksichtigt die erheblichen Unterschiede in den Verarbeitungseigenschaften der beiden Materialien. Andy Christie, Managing Director von SAM North America, wird die Technologie auf der „Extrusion 2021“-Konferenz vorstellen. Diese findet vom 21. bis 23. September im Donald E. Stephens Convention Center im US-amerikanischen Rosemont (Illinois) statt.
