Untersuchung und Verbesserung des Entleerungsverhaltens von Füllgut-Verpackungssystemen

Das Entleeren einer Verpackung ist vor allem wichtig, wenn das Füllgut giftig oder umweltgefährdend ist. Auch teure Füllgüter wie Kosmetika oder Medikamente sollten aus ökonomischen Gründen möglichst keine Rückstände hinterlassen. Ein zusätzlicher Vorteil weitestgehend restentleerter Verpackungen ist die Erleichterung des Recyclingprozesses und die gesteigerte Qualität des Rezyklates. Ziel der Arbeit war es, die Einflussfaktoren für das Anhaften von Füllgütern an Verpackungsmaterialien zu identifizieren und das Entleerungsverhalten zu verbessern. Hierzu wurde eine Bewertungsmethode entwickelt, um die Rückstandsmengen auf Flachproben zu quantifizieren. Die so ermittelten Restmengen wurden den Eigenschaften der Flüssigkeit und des Packstoffs gegenübergestellt. Außerdem wurden die Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeit und Packstoff untersucht.Dazu wurden neben Ölen und wässrigen Polymerlösungen auch tensidhaltige Lösungen verwendet. Die Erkenntnisse wurden genutzt, um Beschichtungen zu entwickeln,die durch einen PECVD-Prozess hergestellt werden können und ein verbessertes Entleerungsverhalten zeigen. Die Untersuchungen, deren Fokus auf den Eigenschaften des Füllgutes lag, ergaben,dass allgemein Füllgüter mit einem hohen polaren Anteil der Grenzflächenspannung geringere Restmengen hinterlassen. Außerdem hat die Viskosität einen entscheidenen Einfluss auf die anhaftenden Restmengen. Dünnflüssige Formulierungen fließen schneller und besser ab. Bei nichtnewtonschen Flüssigkeiten spielt zusätzlich die Elastizität eine Rolle. Da die Oberflächenspannung flüssiger Produkte durch die zugesetzten Bestandteile bestimmt wird und die Viskosität des Füllgutes eine wichtige Produkteigenschaft ist, können die Restmengen nur selten durch diese Stellschrauben reduziert werden.Daher wurden nachfolgend die Eigenschaften der festen Grenzfläche mit den anhaftenden Rückständen korreliert. Die Packstoffgrenzfläche sollte möglichst niederenergetisch sein. Während für ölbasierte Füllgüter und Emulsionen wichtig ist,dass der disperse Anteil der Grenzflächenspannung gering ist, muss für wasserbasierte Füllgüter auch die Hydrophilie der Grenzfläche gesenkt werden. Ein weiteres Hauptaugenmerk wurde auf die grenzflächenaktiven Bestandteile eines Füllgutes gelegt. In der vorliegenden Arbeit wurden Tenside als Beispiel hierfür gewählt.Es wurden Vertreter der anoinischen, kationischen und nichtionischen Tenside untersucht. Sie beeinflussen maßgeblich die Rückstandsmengen, da sie die Benetzung der Grenzfläche verändern. Zum einen senken sie die Grenzflächenspannung der wässrigen Lösung, zum anderen adsorbieren sie auf den Grenzflächen und beeinflussen so die Grenzflächenspannung des Festkörpers. Da hydrophobe Wechselwirkungen hauptsächlich für die Adsorption der Tenside auf Kunststoffen verantwortlich sind, kann ein Zusammenhang zwischen dem ausgebildeten Kontaktwinkel und dem dispersen Anteil der Grenzflächenspannung des Kunststoffes hergestellt werden. Aus den Adsorptionsversuchen wurde deutlich, dass die Schichtdicken der Adsorbate in der Reihenfolge DTAB<Tween(R)20<SDS zunehmen. Um nun eine Verbesserung der Entleerbarkeit in Füllgut-Verpackungssystemen zu erzielen, bietet es sich an, die Grenzfläche durch eine Beschichtung zu modifizieren. So muss weder das flüssige Produkt noch die Verpackung in ihren bereits optimierten Eigenschaften verändert werden. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass es möglich ist, mittels PECVD Schichten herzustellen, die ein verbessertes Entleerungsverhalten zeigen. Mit cC4F8 und HMDSO als Präkusoren wurden gezielt Beschichtungen hergestellt, deren Grenzflächenspannung sehr gering ist. Da die Schichten nur 30nm dünn sind, verändern sie die Rauheit des Substrates nicht. Die Beschichtungen zeigen Füllgutrestmengen,die um bis zu 80% geringer sind, als auf Glas beobachtet wurde. Selbst im Vergleich zu PET werden Restmengen erreicht, die um mindestens 52% reduziert sind. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Ergebnisse von Michalski et al.[1] bestätigt und auf hochviskose Öle und andere wasserbasierte Füllgüter ausgedehnt werden. Auch die Arbeiten zum Thema Grenzflächenspannung [1, 2] wurden um viele weitere Grenzflächensysteme ergänzt. Bei diesen Grenzflächen handelt es sich hauptsächlich um Kunststoffe, die heute zu den wichtigsten Verpackungsmaterialien zählen. Die Modifizierung solcher Verpackungsmaterialien mittels PECVD-Prozessen ist zwar in der Industrie schon etabliert,allerdings nicht um füllgutabweisende Beschichtungen für Kunststoffverpackungen herzustellen. So konnten mit der vorliegenden Arbeit wichtige Entwicklungen vorangetrieben werden, die nun im industriellen Maßstab umgesetzt werden können.In der Literatur werden häufig hydrophobe Grenzflächen vorgestellt. Einen Bezug zur Anwendung von antiadhäsiven Beschichtungen, die mittels PECVD aufgetragen werden können, wurde erst im Rahmen des Projektes "Restentleerbarkeit" (FKZ: 13N8907), das von der vorliegenden Arbeit begleitet wurde, hergestellt.