Klebstoffe sind seit eh und je ein entscheidendes Prozessmaterial bei der Herstellung und Weiterverarbeitung von Packmitteln aus Papier, Pappe und Karton, aber auch aus Kunststoffen und anderen Materialien. Während bis zum Beginn des letzten Jahrhunderts Klebstoffe auf Basis natürlicher Rohstoffe – zum Beispiel Proteine, Stärke oder Zellulose – zur Klebung des Naturproduktes Papier eingesetzt wurden, lassen sich viele der heutigen Anforderungen aufgrund des Einsatzes verschiedenster Materialien und deren Oberflächeneigenschaften nur mithilfe synthetischer Rohstoffe lösen.
Wellpappe und Kartonagen
Der mengenmäßig wichtigste Bereich der Verpackungsherstellung, bei dem Papierprodukte mithilfe von Klebstoffen hergestellt werden, ist die Herstellung von Wellpappe (Abb. 6.4.19), die ein wichtiges Material für die Herstellung von Um- oder Transportverpackungen ist. Die Entstehung der Wellpappenindustrie geht auf das Jahr 1874 mit der Erteilung eines englischen Patentes zurück, das beschreibt, dass die Klebung einer ebenen Papierbahn mit einer gewellten Papierbahn ein Material ergibt, das eine ausgezeichnete Polsterwirkung zeigt und damit hervorragend als Verpackungsmaterial geeignet ist.
Abb. 6.4.19: Wellpappe (Quelle: Eigene Darstellung)
Die ersten Wellpappenklebstoffe waren die klassischen in der Papierindustrie verwendeten Klebstoffe. Am häufigsten wurde eine Mischung aus Getreidemehl und Wasser verwendet. Aufgrund der großen Mengen an Klebstoffen, die für diese Anwendung benötigt werden, spielen hier, neben den technischen Eigenschaften, die Rohstoffpreise eine entscheidende Rolle. 1939 wurde das Stein-Hall-Verfahren zur Her-stellung eines Wellpappenklebstoffs auf Stärkebasis entwickelt, wodurch die Leistungen der Wellpappe herstellenden Maschinen deutlich gesteigert werden konnten.
Das Stein-Hall-Verfahren gilt als Standardverfahren zur Herstellung von Wellpappenleim. Es wurde in den 30er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts von den Amerikanern Stein und Hall entwickelt. Native Stärke (auch natürliche Stärke) zählt zu den Kohlenhydraten. Natürliche Stärke ist einer der wichtigsten Reservestoffe in pflanzlichen Zellen, zum Beispiel Mais-, Weizen- oder Kartoffelstärke. Native Stärke ist die preisgünstigste Stärke überhaupt.
Stein-Hall-Klebstoffe bestehen aus einer Mischung bereits verkleisterter Stärke – als kolloidale Lösung vorliegend – mit nativer, unverkleisterter, in Wasser dispergierter Stärke. Mit dieser Kombination kann man den Feststoffgehalt des Klebstoffs deutlich erhöhen, ohne gleichzeitig die Viskosität so weit ansteigen zu las-sen, dass er auf dem Walzenauftragssystem nicht zu verarbeiten wäre. In diesem Zustand ist der Klebstoff jedoch noch nicht klebfähig. Nach dem Auftrag, beim Zusammendrücken der Wellpappe, wird dabei die Klebschicht kurzzeitig so stark erwärmt, dass die dispergierte, native Stärke ebenfalls verkleistert und es zu einem steilen Viskositätsanstieg kommt; dieser gewährleistet, dass die frisch geklebte Wellpappe den im weiteren Produktionsverlauf auftretenden Kräften standhält. Als Dispergieren bezeichnet man die Homogenisierung von Stoffen oder auch die optimale Durchmischung. Quelle: https://www.chemie.de/lexikon/Dispergieren.html
Die mit Stärkeklebstoffen mögliche Kombination aus technischen Eigenschaften und Preis hat dazu geführt, dass die Herstellung von Wellpappe mengenmäßig eines der wichtigsten Einsatzgebiete von natürlichen Polymeren in Klebstoffen ist. Um sich den ständig verändernden Herstellungstechnologien anzupassen, werden die Wellpappenklebstoffe kontinuierlich weiterentwickelt. Der Trend geht zu immer schneller laufenden Wellpappenproduktionsmaschinen. Für die verwendeten Klebstoffe bedeutet dies, dass ihre technologischen Parameter wie Viskosität, Geliertemperatur und Anfangsklebrigkeit ständig den erhöhten Maschinentakten und den Qualitätsanforderungen angepasst werden müssen.
Kaschierung
Bei der Weiterverarbeitung der Wellpappen und auch von Kartonpapieren ist ein weiteres wichtiges Einsatzfeld die Kaschierung dieser Pappen. Für die Kaschierung werden im Allgemeinen Dispersionsklebstoffe auf Basis weichgemachter Polyvinylacetat-Homopolymere oder von Ethylen-Vinylacetat-Copolymeren eingesetzt. Gefordert werden besonders gute Planlagen der Kaschierung und eine schnelle Stanzbarkeit. Da es sich um eine relativ einfache Klebung handelt, ist auch hier der Preis der eingesetzten Klebstoffe mit entscheidend. Zur Reduzierung der Rohstoffkosten werden den Dispersionen daher häufig Füllstoffe, beispielsweise Kreide (Kalziumkarbonat), zugemischt. Die Klebstoffe werden im Klebprozess mit Walzen aufgetragen.
Folder Gluer
Um Wellpappe als Um- oder Transportverpackungen einsetzen zu können, müssen aus den Wellpappen Kartonagen hergestellt werden. Dies geschieht auf so genannten „Folder Gluern“, indem die gefalteten Wellpappen mithilfe von Dispersionsklebstoffen auf Basis von weichgemachten Polyvinylacetat-Homopolymere zu Um- oder Transportverpackungen geklebt werden (Längsnahtklebung). Der Auftrag der Klebstoffe erfolgt auf modernen Maschinen mit elektromagnetisch gesteuerten Düsen (Abb. 6.4.20). Je nach Kartonstärke werden auch mehrere Düsen eingesetzt.
Polyvinylacetat (Kurzzeichen PVAc, manchmal auch nur PVA) ist ein thermoplastischer Kunststoff. Es handelt sich dabei um einen amorphen, transparenten, geruch- und geschmacklosen Kunststoff. Quelle: https://www.chemie-schule.de/KnowHow/Polyvinylacetat.
Homopolymere sind Polymere, die vollständig aus nur einer monomeren Verbindung aufgebaut sind. Einfacher ausgedrückt: Bestehen die Makromoleküle aus Grundbausteinen (Monomeren) der gleichen Art, werden sie als Homopolymere bezeichnet. Quelle: https://www.chemie.de/lexikon/Homopolymer.html
Abb. 6.4.20: moderne Maschine der Firma hhs mit elektromagnetisch gesteuerten Düsen für den Klebstoffauftrag (Quelle: Baumer hhs)
Faltschachteln
Faltschachteln sind eine der am häufigsten eingesetzten Verkaufsverpackungen (Abb. 6.4.21). Zur Herstellung werden Vollpappen (nach dem Falten mithilfe von Dispersionsklebstoffen auf Basis von weichgemachten Polyvinylacetat-Homopolymeren oder Ethylen-Vinylacetat-Copolymeren zu Schachteln geklebt (Längsnahtklebung).
Vinylacetat ist eine chemische Verbindung aus der Gruppe der Carbonsäureester. Sie liegt in Form einer farblosen Flüssigkeit mit süßlichem Geruch vor. Vinylacetat ist chemisch instabil, lichtempfindlich und neigt dazu, spontan zu polymerisieren.
Carbonsäureester sind Ester der Carbonsäuren. Sie sind eine wichtige Gruppe von organischen Verbindungen. Natürliche Fette sind Carbonsäureester, die durch Verseifung zu mehrwertigen Alkohol – etwa Glycerin – und Alkalisalzen der Fettsäuren zerlegt werden können. Des Weiteren sind etliche Aromastoffe Carbonsäureester. Ester bilden eine Stoffgruppe organischer Verbindungen, die formal oder tatsächlich durch die Reaktion einer Sauerstoffsäure und eines Alkohols unter Abspaltung von Wasser (eine Kondensationsreaktion) entstehen.
Copolymere sind Polymere, die aus zwei oder mehr Arten von Monomereinheiten zusammengesetzt sind. Quelle: chemie.de
Da die Verkaufsverpackungen häufig verkaufsfördernde Aufgaben haben, werden Faltschachteln in einer Vielzahl von Konstruktionen hergestellt und weisen in der Regel veredelte Oberflächen auf. Von gestrichenen Kartonagen über kaschierte Kartonagen bis hin zu hochwertig bedruck-ten und lackierten Kartonagen werden alle Papierveredelungsarten eingesetzt. Bei der Auswahl der für die Längsnähte eingesetzten Klebstoffe spielen diese Oberflächeneigenschaften eine entscheidende Rolle. Das Aufbringen der Dispersionsklebstoffe erfolgt in der Regel über Scheiben, bei neuen Maschinen immer öfter mit Düsen, die über elektromagnetisch gesteuerte Ventile verfügen (siehe Abb. 6.4.20).
Abb. 6.4.21: Faltschachteln (Quelle: Jowat SE)
Flexible Verpackungen
Einer der wichtigsten Trends im Verpackungsmaterialbereich der letzten Jahre war und ist der vermehrte Einsatz von Kunststoffen und besonders von Kunststofffolien, die zu flexiblen Verpackungen (siehe Abb. 6.4.22) verarbeitet werden. Flexible Verpackungen werden sowohl aus Monofolie, häufiger jedoch aus Verbundfolie aus verschiedenen Kunststofffolien, oder aus Kombinationen zwischen Kunstofffolien, Metallfolien oder Papier hergestellt. Hierbei ist das grundlegende Prinzip die Kombination verschiedener Materialien mit ausgewählten Eigenschaften, um einen überproportionalen Anstieg in der Leistungsgüte bezüglich Eigenschaften wie Temperaturbeständigkeit, Barriereeigenschaften, mechanischer Festigkeit oder optischer Attraktivität zu erzielen. Die Palette der Materialien, die für Verbundkombinationen eingesetzt werden, reicht von Polyethylen, Polypropylen und Papier bis zu Polyvinylchlorid, Polyvinylidenfluorid (PVDC), Zellglas, Polyester, Polyamid und Aluminium. Die Kunststofffolien sind oftmals mit Aluminium oder Siliciummonoxid (SiOx) bedampft beziehungsweise mit Polyvinylidenchlorid oder Acryl beschichtet, um die Barriereeigenschaften oder auch den Lichtschutz zu erhöhen. Polyvinylidenfluorid (Kurzzeichen PVDF) ist ein transparenter, teilkristalliner, thermoplastischer Fluorkunststoff.
Abb. 6.4.22: im Trend – flexible Verpackungen aus Kunststofffolie (Quelle: Eigene Darstellung)
Für die verschiedenen Anwendungen sind eine Vielzahl spezieller Kaschierklebstoffe entwickelt worden. Eine wichtige Gruppe der Kaschierklebstoffe sind dabei die Polyurethan-Klebstoffe (PUR-Kaschierkleb-stoffe), die entweder auf aromatischen oder aliphatischen Isocyanaten basieren. Die Isocyanate leiten sich von der Isocyansäure ab. Die Isocyanate sind chemisch hochreaktive Verbindungen, die die Struktur R-N=C=O aufweisen. Die Isocyansäure ist eine reaktive, wenig beständige Cyansauerstoffsäure. Ihre Ester und ihre Salze heißen Isocyanate. Quelle: https://www.chemie.de/lexikon/Isocyanate.html
Die Isocyanatgruppe, auch NCO-Gruppe, besteht aus einem Stickstoff-Atom (N) mit einer freien Valenz, welches über eine Doppelbindung an ein Kohlenstoff-Atom (C) gebunden ist, welches wiederum über eine weitere Doppelbindung an ein Sauerstoff-Atom (O) bindet.
Lösemittelbasierende Kaschierklebstoffe, die aufgrund ihrer sehr guten technischen Eigenschaften schon lange verwendet werden, werden auch heute noch in großer Menge eingesetzt. Die Herstellung von Verbunden mit diesen Klebstoffen erfordert jedoch einen beträchtlichen Energieaufwand für die Trocknung sowie größere Rohstoffmengen für den Klebstoff zum Beispiel durch das zugesetzte Lösemittel. Unter dem Gesichtspunkt von Arbeits- und Umweltschutz sind diese Systeme nicht optimal, auch wenn das Produktionssystem mit einer Lösemittelrückgewinnungsanlage gekoppelt ist.
Um diese Nachteile zu überwinden, wurden „High Solid“ und lösemittelfreie PUR-Kaschierklebstoffe entwickelt. Die ersten Produkttypen der lösemittelfreien PUR-Kaschierklebstoffe waren einkomponentige, feuchtigkeitshärtende Systeme. Hergestellt als NCO-terminierte Polyether- beziehungsweise Polyester-Prepolymere waren sie auf vorhandene oder zugeführte Feuchtigkeit angewiesen, um zu einem Polyharnstoff-Polyurethan zu vernetzen. Heute werden diese Systeme vorzugsweise nur noch für Papierverbunde eingesetzt, zum Beispiel aus gereckten Polypropylen gegen Papier. Bei PUR Klebstoffen kann eine Rezepturkomponente aus einem Präpolymer bestehen, an dessen beiden Enden (terminiert) sich jeweils eine reaktive NCO-Gruppe befindet. Alternativ könnten auch Präpolymere mit endständigen OH-Gruppen (OH-terminiert) eingesetzt werden.
Um diesen Limitierungen der lösemittelfreien, feuchtigkeitsvernetzenden Ein-Komponenten-Systeme zu entgehen, wurden Zwei-Komponenten-Systeme entwickelt. Diese zwei-Komponenten-Standard-Systeme sind in der Regel Polyester- beziehungsweise Polyether-basiert und haben einen Polyisocyanathärter. Polyisocyanate sind organische Verbindungen, die zwei oder mehrere Isocyanatgruppen (–N=C=O) enthalten. Beide Komponenten sind bei Raumtemperatur flüssig und können kalt, vorzugsweise zwischen 25 und 45°C, verarbeitet werden. In den letzten Jahren gab es weitere Entwicklungen von Systemen, die von 40 bis 70°C zu verarbeiten sind.
Diese neue Generation lösemittelfreier Kaschierklebstoffe verbindet die Vorteile der Anfangshaftung eines „High-Solid“-Systems mit der leichten Verarbeitbarkeit einer lösemittelfreien Flüssigphase. Die Prepolymere werden so synthetisiert, dass eine schnelle Aushärtung mit dem Härter in Stufen erfolgt, beginnend mit der gewünschten und vollständigen Abreaktion der Monomere.
Für sterilisierbare Aluminium/Kunststoff-Verbunde wurden lösemittelfreie Kaschierklebstoffe auf Basis aliphatischer Isocyanate entwickelt. Diese so genannten aliphatischen PUR-Kaschierklebstoffe werden bei 70°C mit herkömmlichen Kaschiermaschinen, Dosier- und Mischgeräten verarbeitet. Ihr wesentlicher Vorteil ist die Abwesenheit aromatischer Isocyanate, was im Hinblick auf lebensmittelrechtliche Bestimmungen an Bedeutung zunimmt. Aliphatische Kohlenwasserstoffe (vom griechischen aleiphar – fettig) sind organische verzweigte oder unverzweigte ketten- oder ringförmige Kohlenwasserstoffketten. PUR = Polyurethan Quelle: https://www.chemie.de/lexikon/Aliphatische_Kohlenwasserstoffe.html
Die Voraussetzung für den Einsatz aller erwähnten PUR-Kaschierklebstoffe ist, dass nur nachvollständiger Aushärtung die thermische und mechanische Beständigkeit im Verbund erreicht wird. In Abhängigkeit vom Klebstofftyp, der Folien-kombination und der Aushärtetemperatur dauert die Aushärtezeit eine Woche und länger. Diese Aushärteperiode kann durch Temperung verkürzt werden, in jedem Fall ist der generelle Zeitbedarf für die Produktion von Verbunden inklusive Bedruckung, Schneiden und so weiter von großer Bedeutung. Tempern ist eine Form der Wärmebehandlung. (Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Tempern).
Die Kapitalbindungskosten, verursacht durch lange Aushärtezeiten, beeinflussen immer mehr die Kostensituation. Dies gilt besonders bei Geschäften mit hohem Wettbewerbsdruck. So ist es keine Überraschung, dass man nach einem Kaschierklebstoff Ausschau hält, der sozusagen auf Kommando aushärtet. Eine Möglichkeit, diesen Wunsch zu erfüllen, besteht im Einsatz von strahlenhärtenden Systemen. Diese Systeme haben zudem den Vorteil, eine sehr schnelle Anfangshaftung zu erzielen.
Vergleicht man die Anfangshaftung von Kaschierklebstoffen, so ist zu erkennen, dass lösemittelfreie Systeme eine wesentlich niedrigere Anfangshaftung haben als lösemittelhaltige Systeme. Die Gründe dafür sind der deutlich niedrigere Molekulargewichtsbereich und die andere Molekulargewichtsverteilung, die eine so niedrige Viskosität möglich macht, dass man die Systeme ohne Verdünnung durch Lösemittel auftragen kann. Mit strahlungshärtenden Kaschierklebstoffen hat man die Möglichkeit, den Klebstoff lösemittelfrei und niedrigviskos aufzutragen und nach der Bestrahlung sowohl eine hohe Anfangshaftung als auch eine sehr schnelle Endfestigkeit zu erreichen. Die verschiedenen Vernetzungsmechanismen der radikalischen und kationischen Polymerisation erlauben verschiedene Prozessschritte bezüglich Bestrahlung und Kaschiervorgang.
Radikale sind reaktive Teilchen, die ein freies, ungepaartes Elektron besitzen. Sie sind die Initiatoren der radikalischen Polymerisationen. Solche Radikale werden in der Regel in einem der eigentlichen Reaktion vorgelagerten Schritt durch Einwirkung von sichtbarem Licht oder anderer energiereicher Strahlung beziehungsweise Wärme gewonnen. Für die kationische Polymerisation werden als Initiatoren starke Brönsted-Säuren oder Lewis-Säuren wie Bortrifluorid () bzw. Aluminiumtrichlorid () in Verbindung mit Wasser eingesetzt. Bei der Hydrolyse der Lewis-Säuren Bortrifluorid und Aluminiumtrichlorid werden Oxoniumionen gebildet. Die Reaktion wird durch die Addition eines Protons an eine Doppelbindung des Monomers gestartet, wobei ein Carbo-Kation entsteht, das mit einem weiteren Alkenmolekül reagiert und so das Kettenwachstum sichert. Quelle und weiterführende Informationen: https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/chemie/artikel/polymerisation
Ein Kation ist ein positiv geladenes Ion. Da positiv geladene Ionen bei einer Elektrolyse zur Kathode (dem Minuspol) wandern, wurde für sie der Name Kationen gewählt.
Eine weitere Möglichkeit, Lösemittel zu eliminieren, besteht im Einsatz von wässrigen Kaschierklebstoffen. Als Basis für solche Systeme werden ein- oder zweikomponentige Polyurethandispersionen oder Acrylatdispersionen eingesetzt. Diese Kaschierklebstoffe können auf existierenden Kaschiermaschinen eingesetzt werden und erfordern daher nur geringe Investitionen bei einer Umstellung. Beim Einsatz wässriger Systeme ergibt sich zudem der Vorteil einer hohen Anfangshaftung und einer schnellen Aushärtung. Ein weiterer Vorteil ist, dass keine Restlösemittel im Verbund verbleiben. Nachteilig bei den wässrigen Kaschierklebstoffen ist jedoch, dass für die Trocknung hohe Energiemengen benötigt werden. Außerdem erreichen sie im Allgemeinen nicht die Performance der lösungsmittelhaltigen und lösungsmittelfreien Systeme.
Briefhüllen
Briefumschläge und Versandtaschen gehören zu den mengenmäßig am häufigsten hergestellten „Verpackungen“ aus Papier, wobei heute Geschwindigkeiten von über 1.500 Briefumschlägen pro Minute Stand der Technik sind. Bei der Herstellung werden die Seitennähte in der Regel mit Dispersionsklebstoffen auf Basis von weichgemachten Polyvinylacetat-Homopolymeren geklebt. Für die Einklebung von Fenstern (zum Einsatz kommen hier Materialien wie Pergamin oder transparente Polystyrolfolien) werden je nach Material Klebstoffe auf Basis von weichgemachten Polyvinylacetat-Homopolymeren oder Ethylen-Vinylacetat-Copolymeren benötigt, wobei der Auftrag mit Klischees oder Düsen erfolgt.
Bei den Verschlussklebstoffen unterscheidet man drei unterschiedliche Systeme:
A) mit Wasser reaktivierbare Beschichtungen
B) Haftklebstoffbeschichtungen
C) selbstklebende Adhäsionsverschlüsse.
Bei den mit Wasser reaktivierbaren Beschichtungen handelt es sich um Klebfilme, die so hydrophob eingestellt sind, dass ihre Oberfläche bei Benetzung mit Wasser so gut angelöst wird, dass eine Klebung möglich wird. Hergestellt werden solche Beschichtungen aus gut redispergierten Kunstharzdispersionen, die in der Regel mit wasserlöslichen Stärken oder Dextrinen gemischt werden. Hergestellt werden diese Beschichtungen, indem sie bei der Produktion der Briefumschläge aufgetragen und dann getrocknet werden. An diese Beschichtungen werden die Anforderungen gestellt, auf der einen Seite möglichst schnell reaktivierbar zu sein, dann aber auch schnell abzubinden, um einen sicheren und dauerhaften Verschluss des Briefumschlags, besonders in Kuvertierautomaten, zu gewährleisten. Um ein vorzeitiges Kleben zu verhindern, müssen die reaktivierbaren Beschichtungen blockfest sein – das heißt: Durch normale Luftfeuchtigkeit darf eine Reaktivierung nicht in dem Maß geschehen, dass es zu einer Klebung kommt.
Bei Haftklebstoffbeschichtungen erfolgt die Klebung, das Verschließen der Briefhüllen, durch ein kurzes Andrücken des Haftklebstofffilms auf die Papieroberfläche. Bei den eingesetzten Haftklebstoffen handelt es sich gewöhnlich um Produkte auf Basis von Acrylatdispersionen. Es ist aber auch möglich, Haftklebstoffe auf Basis von Acrylathotmelts oder auf Basis von thermoplastischen Kautschuken, die für die entsprechende Applikation mit Harzen und Ölen abgemischt werden, herzustellen.
Nach der Herstellung der Filme werden diese, damit es nicht zu einem frühzeitigen Kleben kommt, abgedeckt. Das geschieht entweder mit silikonisierten Papieren oder mit silikonisierten Folien.
Bei Adhäsionsverschlüssen wird der Klebstoff, hier handelt es sich in der Regel um so genannte Latexbeschichtungen, auf beide Seiten des Briefumschlags an der Klebstelle aufgebracht. Bei Latex handelt es sich um die Kautschukmilch aus Hevea-Bäumen. Jede Beschichtung für sich ist nur wenig adhäsiv. Erst durch Kontakt der beiden Beschichtungen wird die Klebung ermöglicht. Bei den Latexverschlüssen erfolgt die Klebung anschließend unter Druck, wobei die Latexklebstoffe ineinander diffundieren und somit die Klebung ermöglichen. Dieser Prozess ähnelt dem Kontaktkleben, wie man es von den Kontaktklebstoffen in der Schuh- und Holzindustrie kennt.
Tüten, Beutel und Säcke
Tüten, Beutel und Säcke sind wichtige Verpackungsformen für viele Artikel des täglichen Lebens. Tüten und Beutel (siehe Abb. 6.4.23) – ganz gleich, ob Spitztüten oder aufwändige Block- und Kreuzboden-beutel – können aus den unterschiedlichsten Materialien und Materialkombinationen (zum Teil sind die Materialien noch bedruckt oder kaschiert) hergestellt werden. Von einfachen Papiertüten, die nach wie vor mit Stärkeklebstoffen geklebt werden, bis hin zu aufwändigen Beutelkonstruktionen, die mithilfe von Dispersionsklebstoffen oder Schmelzklebstoffen hergestellt werden, gibt es eine Vielzahl von Applikationen (Längsnahtklebungen, Bodendeckblattklebungen oder Teilkaschierungen), für die jeweils spezielle Klebstoffe entwickelt worden sind. Je nach geforderter Adhäsion kommen Dispersionsklebstoffe auf Basis von weichgemachten Polyvinylacetat-Homopolymeren, Ethylen-Vinylacetat-Copolymeren oder Acrylatdispersionen, die zur Verbesserung der Adhäsion mit Harzdispersionen abgemischt werden können, zum Einsatz. Schmelzklebstoffe werden dort eingesetzt, wo nicht saugende Materialien, wie zum Beispiel Polyolefinfolie geklebt werden. Hier kommen Schmelzklebstoffe auf Basis thermoplastischer Kautschuke (zum Beispiel Styrol-Butadien-Styrol oder Styrol-Isopren-Styrol-Blockcopolymere) zum Einsatz, die für die entsprechende Applikation mit Harzen und Ölen abgemischt werden. Da Tüten und Beutel auf schnelllaufenden Maschinen – mit Leistungen von 150 bis 200 Tüten oder Beuteln pro Minute und mehr – hergestellt werden, ist ein sauberer Maschinenlauf der eingesetzten Klebstoffe unabdingbar.
Styrol-Butadien-Kautschuk ist der Ausgangsstoff für die weitaus am meisten hergestellte Variante des synthetischen Gummis. Sein Kurzzeichen ist SBR, abgeleitet von der englischen Bezeichnung „Styrene Butadiene Rubber“. Es ist ein Copolymer aus Butadien und Styrol.
Butadien (Vinylethylen) ist ein farbloses Gas mit mildem, aromatischem Geruch. Es ist ein ungesättigter Kohlenwasserstoff.
Styrol (auch Phenylethen) ist eine farblose, leichtflüssige, süßlich riechende Flüssigkeit. Sie dient vor allem zur Herstellung von Kunststoffen wie dem Polystyrol und ABS. Quelle: Chemie.de
Abb. 6.4.23: Tüten und Beutel aus unterschiedlichen Materialien (Quelle: Eigene Darstellung)
Bei der Herstellung von Papiersäcken werden nach wie vor Stärkeklebstoffe für die Längsnahtklebung und auch für die Bodenklebung eingesetzt. Für die Einklebung von Ventilen in den Säcken und für eine mögliche Polyethylen-Innenlagenklebung werden Dispersionsklebstoffe mit besonders breiten Adhäsionsspektren eingesetzt. Je nach geforderter Adhäsion kommen hierbei Ethylen-Vinylacetat-Copolymer-Dispersionen, Acrylatdispersionen oder Naturlatex, abgemischt mit Harzdispersionen, zum Einsatz.
Eine besondere Herausforderung im Bereich der Beutel- und Sackherstellung ist die Griffherstellung, besonders beim Einsatz von Recyclingpapier, Schrenzpapier oder bei Natronkraft-Papier.
Schrenzpapier ist ein Papier, das vollständig aus unsortiertem Recyclingpapier besteht und dadurch seine charakteris-tische graue beziehungsweise bräunliche Färbung erhält. Es ist in den Stärken 70 bis 140 g/qm das Grundmaterial für verschiedene Verpackungsmaterialien.
Natronkraftpapier ist ein vorwiegend einseitig glattes, geripptes und hochwertiges Verpackungspapier, das in der Regel aus 100% Sulfatzellstoffen (Frischfasern) hergestellt wird.
Beim Einsatz von Dispersionsklebstoffen kommt es immer wieder zu Durchschlagserscheinungen, die zwar optisch oft nicht wahrnehmbar sind, jedoch zu Störungen im Produktionsprozess führen. Grobdisperse Dispersionsklebstoffe, die wenig niedermolekulare Substanzen beinhalten, oder auch stärkehaltige Dispersionsklebstoffe, wenn deren Trocknung nicht zu langsam ist, können hier Lösungen sein. Weitere Probleme tauchen bei der Griffanklebung auf. Damit es nicht zur Verschiebung der Griffe während der Fertigung auf den immer schneller laufenden Maschinen kommt, werden sehr schnell abbindende Dispersionsklebstoffe benötigt. Eine andere Möglichkeit ist der Einsatz von Schmelzklebstoffen.
Für die Herstellung von Polyethylensäcken werden reaktive zwei-komponentige Polyurethanklebstoffe eingesetzt. Hierbei wird der Klebstoff für die Klebung der Deckblätter im Allgemeinen mithilfe von Walzen aufgetragen. Die Einklebung der Ventile erfolgt entweder ebenfalls mit reaktiven zwei-komponentigen Polyurethanklebstoffen oder mit Schmelzklebstoffen auf Basis synthetischer, thermoplastischer Kautschuke, die mit Harzen und Ölen abgemischt werden.
Aufrichten und Verschließen von Trays und Karton
Neben dem Einsatz von Klebstoffen bei der Herstellung von Packmitteln ist ein weiteres großes Anwendungsfeld für Klebstoffe im Verpackungsbereich dort zu finden, wo Verpackungen gefüllt werden. Hier ist besonders das sichere Verschließen von Verpackungen, nicht zuletzt als Originalitätssicherung, unverzichtbar. Ferner werden viele Verpackungen zur Kennzeichnung des Inhalts etikettiert.
Aufrichten von Trays
Für das Aufrichten von Trays (siehe Abb. 6.4.24a) werden im Allgemeinen Schmelzklebstoffe mit einer extrem kurzen Abbindezeit eingesetzt. Es dominieren eindeutig Produkte mit Ethylen-Vinyl-Acetat- Copolymeren (EVA) oder Polyolefin-Polymeren als Basispolymer aufgrund ihrer interessanten anwendungstechnischen Eigenschaften, die mit Harzen und Wachsen abgemischt werden.
Abb. 6.4.24a: Auftrag von Schmelzklebstoff (Quelle: Eigene Darstellung)
Abb. 6.4.24b: Von links kommen vier „Strahlen“ Schmelzklebstoff ausden Düsen. Damit gelangt der Schmelzklebstoff auf die rechte Kartonlasche – und dann wird geklebt. (Quelle: Firma Nordson)
Verschließen von Verpackungen aus Papier, Pappe, Wellpappe
Das Kleben ist das wichtigste Verfahren zum Verschließen von Verpackungen aus Papier, Karton und Pappe. Dabei kommen überwiegend folgende Systeme in Betracht:
- Dispersionsklebstoffe
- Schmelzklebstoffe
- selbstklebende Verpackungsklebebänder und
- wasseraktivierbare Klebestreifen.
Dispersionsklebstoffe werden in vielen Fällen zum Verschließen von Faltschachteln direkt nach der Befüllung eingesetzt. Das Aufbringen der Dispersionsklebstoffe erfolgt über Scheiben, bei neuen Maschinen immer öfter mit Düsen, die über elektromagnetisch gesteuerte Ventile verfügen (siehe Abb. 6.4.20).
Beim Verschließen von Um- oder Transportverpackungen werden Schmelzklebstoffe, selbstklebende Verpackungsklebebänder oder wasseraktivierbare Klebestreifen eingesetzt.
Welche der drei erwähnten Möglichkeiten eingesetzt wird, hängt sowohl vom Automatisierungsgrad der Verpackungslinie als auch von der Maschinenkonzeption ab. Auch die Belastungen, denen die Verpackungen bei Transport und Lagerung ausgesetzt sind, spielen eine Rolle bei der Auswahl des Verschlusssystems. In bestimmten Fällen werden auch Dispersionsklebstoffe eingesetzt, besonders im Two-Shot-Verfahren – das heißt in Kombination mit Schmelzklebstoffen. Das Two-Shot-Verfahren arbeitet mit zwei unterschiedlichen Klebstoffen gleichzeitig. Diese Kombination wird zum Beispiel dort eingesetzt, wo zum einen die Schnelligkeit der Schmelzklebstoffe benötigt wird, um die Verpackungen sicher auf schnelllaufenden Verpackungslinien zu verschließen, und zum anderen die gute Wärme- und Chemikalienbeständigkeit, beispielsweise gegen ätherische Öle, der Dispersionsklebstoffe benötigt wird, um eine sichere dauerhafte Klebung zu gewährleisten.
Schmelzklebstoffe für das Verschließen von Verpackungen
Schmelzklebstoffe, so wie sie in der Verpackungsindustrie eingesetzt werden, sind thermoplastische, wasserunlösliche Polymermischungen. Auch im Bereich des Verschließens von Verpackungen dominieren Produkte aus Ethylen-Vinyl-Acetat-Copolymeren oder Polyolefin-Polymeren als Basispolymer. Für spezielle Anwendungen (Heißabfüllung) können auch Schmelzklebstoffe auf Basis von Copolyamiden oder Copolyestern eingesetzt werden, die sich durch deutlich höhere Schmelzbereiche und damit verbunden eine deutlich höhere Wärmestandfestigkeit auszeichnen. Durch entsprechende Abmischungen mit Harzen (Kohlenwasserstoffharze oder Naturharzderivate) und Wachsen sowie anderen Polymeren lassen sich für die jeweiligen Anwendungsfelder maßgeschneiderte Produkte entwickeln. Die bei Raumtemperatur festen Schmelzklebstoffe werden zur Applikation aufgeschmolzen und binden in Bruchteilen von Sekunden ab. Die sich beim Zusammenführen der Kartonlaschen bildenden Klebstofffilme haben dabei eine Dicke von ca. 0,2 bis 0,8 mm. Beim Einsatz von Schmelzklebstoffen lassen sich hohe Maschinengeschwindigkeiten erreichen. Das Aufschmelzen bedingt jedoch einen gewissen apparativen Aufwand, der jedoch durch die hohen Maschinenlaufleistungen und damit rationellen Produktionen wieder ausgeglichen wird.
Ein Trend, der bei den Schmelzklebstoffen für die Verpackungsindustrie in den letzten Jahren zu beobachten ist, ist die Entwicklung von Niedrigtemperatur-Schmelzklebstoffen. Hierbei handelt es sich um Schmelzklebstoffe, die im Vergleich zu den traditionellen Produkten bei deutlich niedrigeren Temperaturen verarbeitet werden. Waren in der Vergangenheit Arbeitstemperaturen zwischen 160 und 180°C erfor-derlich, so werden Niedrigtemperatur-Schmelzklebstoffe zwischen 120 und 140°C (selten auch so genannte „Coldmelts“ oder „Warmmelts“ mit Verarbeitungstemperaturen von 80 bis 130°C ) verarbeitet. Wegen der niedrigen Temperaturen, denen der Schmelzklebstoff ausgesetzt ist, wird er thermisch wesentlich weniger beansprucht. Dies führt zu einer verbesserten Viskositätsstabilität und auch die Farbe bleibt über Tage unverändert. Durch die niedrige Auftragstemperatur werden die Auftragsgeräte weniger beansprucht, was zu einer längeren Lebensdauer, weniger Wartung und zu einem geringeren Energieverbrauch führt.
Selbstklebende Verpackungsklebebänder für das Verschließen von Verpackungen
Bei selbstklebenden Verpackungsklebebändern für das Verschließen von Um- oder Transportverpackungen (siehe Abb. 6.4.25) handelt es sich um einige Zentimeter breite Streifen (vorzugsweise 30 bis 100 mm), die mit so genannten Haftklebstoffen beschichtet sind. Unter Haftklebstoffen versteht man Klebstoffe, die bei Raumtemperatur unter Druckeinfluss (Pressure Sensitive Adhesives) kleben können. Im Verpackungsbereich am häufigsten eingesetzt werden Klebebänder, deren Basismaterial aus biaxial gereckter Polypropylenfolie besteht (BOPP, ca. 80 Prozent). Biaxial gereckte Folie wird in beiden Richtungen (biaxial) gereckt. Sie wird beispielsweise für aromadichte Lebensmittel-verpackungen verwendet. Seltener werden Klebebänder eingesetzt, deren Trägermaterial PVC ist. Papier als Trägermaterial wird nur in Ausnahme-fällen eingesetzt. Was die verwendeten Haftklebstoffe angeht, so gibt es prinzipiell drei Systeme, die für die Herstellung von selbstklebenden Verpackungsklebebänder verwendet werden: lösemittelbasierende Haftklebstoffe, wasserbasierende Dispersionssysteme und heute immer mehr Schmelzklebstoffe. Die Schichtstärken der Klebstofffilme auf den Trägermaterialien liegen dabei in der Größenordnung zwischen 16 und 100 μm.
Abb. 6.4.25: Klebebänder (Quelle: Wikipedia)
Wasser-reaktivierbare Klebstreifen für das Verschließen von Verpackungen
Bei Wasser-reaktivierbaren Klebstreifen handelt es sich in der Mehrzahl um Klebstreifen aus Kraftpapier. Das Kraftpapier hoher Festigkeit (50 bis 150 g/m²) ist mit einem durch Wasser aktivierbarem (in der Regel nicht thermoplastischem) Klebstoff, zum Beispiel Tier- und Pflanzenleim, beschichtet. Zur Erhöhung der Zugfestigkeiten werden Klebstreifen zum Teil mit Verstärkungseinlagen aus Filamentgarnen versehen (Filament = Textilfaser). Die so genannte Gummierung wird vor der Klebung mit Wasser reaktiviert und anschließend wird das Klebeband aufgetragen. Durch Wegschlagen des Wassers in das Kartonmaterial bindet der Klebstoff ab.
Etikettierung
Im täglichen Gebrauch müssen alle Packmittel gekennzeichnet werden. Neben der Angabe des Inhalts sind auch technische und durch den Gesetzgeber vorgeschriebene Informationen auf der Verpackung anzugeben. Neben dem Bedrucken erfolgt das in der Regel durch das Etikettieren. Da Etiketten nicht nur „technische“ Aufgaben, sondern in erste Linie auch werbetechnische Funktionen haben, sind sie zum Teil sehr aufwändig gestaltet. Hierbei werden Etiketten aus Papier oder Kunststoff hergestellt, die in den meisten Fällen auf die Verpackung geklebt werden. Das kann entweder mit der Hilfe von vorbeschichteten Etiketten erfolgen, oder der Klebstoffwird beim Etikettierprozess direkt aufgetragen.
Die Herstellung von vorbeschichteten Etiketten (Haftetiketten) erfolgt durch das Beschichten bahnförmiger Trägermaterialien aus Papier sowie Kunststoff- und Metallfolien mit Haftklebstoffen (ähnlich wie bei Verpackungsklebebändern); die Schichtdicken betragen dabei in der Regel zwischen 18 und 50 μm. Die für solche Applikationen eingesetzten Klebstoffe basieren aufunterschiedlichen Technologien. Neben Haftklebstoffen auf Basis von Naturkautschuk, die gewöhnlich als Lösemittelsysteme eingesetzt werden, und Haftschmelzklebstoffen auf Basis thermoplastischer Kautschuke oder Acrylaten werden heute vermehrt Dispersionsklebstoffe für diese Anwendung eingesetzt. Besonders Acrylatdispersionen zeigen hier außergewöhnlich gute technische Eigenschaften: Hier ist insbesondere die Transparenz zu erwähnen. Neben den klassischen wasserbeständigen Haftklebstoff-Etiketten gibt es auch Haftklebstoff-Etikettensysteme, gewöhnlich mit Kunststofffolien als Etikettenmaterial, die für den Mehrweg geeignet sind. Hier kommen laugenlösliche Haftklebstoffbeschichtungen zum Einsatz, die unter den Bedingungen der Flaschenwaschanlagen ihre Adhäsion verlieren und gemeinsam mit den Kunststoffetikettenmaterialien sicher entfernt werden können.
In der Etikettiertechnik, bei der der Klebstoff während der Etikettierung aufgetragen wird, haben sich unterschiedliche Technologien entwickelt. Bei den so genannten Schildetiketten erfolgt die Etikettierung in der Regel mit wasserbasierenden Klebstoffen. Bei der Rundumetikettierung werden heute in den meisten Fällen Schmelzklebstoffe verwendet.
Das Etikettieren mit Klebstoffen auf wässriger Basis hat eine lange Tradition. Die ersten Klebstoffe, die für die Etikettierung eingesetzt wurden, waren wässrige Produkte auf Basis natürlicher Polymere wie Dextrin, Stärke oder Casein. Auch heute noch nehmen Klebstoffe auf Basis von Casein eine besondere Stellung bei der Glasetikettierung ein. Sie können sowohl auf nassen als auch auf trockenen, kalten oder auf warmen Glasoberflächen aufgebracht werden und ergeben ausgezeichnete Klebungen. Sie zeichnen sich durch hervorragende Laufeigenschaften auch bei höchsten Maschinengeschwindigkeiten aus (bis zu 80.000 Flaschen in der Stunde und mehr). Etikettierklebstoffe auf Basis von synthetischen Polymeren zeichnen sich durch hohe Ergiebigkeit und durch eine hohe Anfangsklebkraft sowie durch einen geringeren Eigengeruch aus und führen aufgrund ihres sehr sauberen Laufverhaltens zu weniger Verschmutzung an den Etikettiermaschinen. Bei wässrigen Systemen wird der Klebstoff gewöhnlich über Walzen und Segmente aufgetragen (siehe Abb. 6.4.26).
Abb. 6.4.26: Etikettierung von Flaschen. Der Klebstoffauftrag erfolgt über eine Walze. (Quelle: Eigene Darstellung)
Bei Schmelzklebstoffen handelt es sich um Systeme, die zu 100 Prozent aus Feststoffen bestehen. Zur Applikation werden sie aufgeschmolzen und flüssig entweder auf das Etikett oder auf den Behälter aufgetragen. Dort kühlen sie in Bruchteilen von Sekunden ab und führen zu einer schnellen und dauerhaften Klebung. Die zur Etikettierung eingesetzten Schmelzklebstoffe werden auf Basis synthetischer, thermoplastischer Kautschuke oder Ethylen-Vinylacetat-Copolymeren sowie Harzen, Wachsen und Ölen hergestellt. Das Mischungsverhältnis wird dabei den jeweiligen Anforderungen angepasst. Je nach Bedarf können diese Schmelzklebstoffe eine kurze oder eine sehr lange „offene Zeit“ aufweisen. Ihre Verarbeitung erfolgt bei Temperaturen zwischen 120 und 170°C, wobei besonders bei Folienetiketten ein deutlicher Trend zu niedrigen Verarbeitungstemperaturen zu erkennen ist.
Schmelzklebstoffe haben sich besonders bei der Rundum-Etikettierung von Flaschen und Dosen bewährt. Je nach Behältermaterial werden Schmelzklebstoffe mit unterschiedlichen Adhäsionseigenschaften eingesetzt. Sie eignen sich zum Etikettieren von Behältern aus Glas, aber auch für Behälter aus Metall oder Kunststoff. Die besondere Stärke der Schmelzklebstoffe ist ihre sehr gute „Mitnehmerfunktion“ aufgrund ihrer hohen Anfangsklebkraft und ihrer aufgrund der kurzen Abbindezeiten schnellen Klebung. Bei den zu etikettierenden Behältern ist darauf zu achten, dass diese nicht zu kalt sind, damit der Schmelz-klebstoff nicht zu schnell abkühlt und es daher nicht zur Ausbildung einer ausreichenden Adhäsion kommt. Empfehlenswert ist ferner eine Trocknung der Gebindeoberflächen mit einem Gebläse.
Bei der Rundumetikettierung mit Schmelzklebstoffen liegen die Etikettierleistungen bei bis zu 60 000 Behältern pro Stunde. Als Etikettenmaterial werden sowohl Papier als auch die unterschiedlichsten Kunststofffolienarten eingesetzt. Im Konterdruck produzierte transparente Folienetiketten lassen sich genauso präzise verarbeiten wie Etiketten aus geschäumten Kunststoffen mit isolierender Wirkung. Bei der Schmelzklebstoff-Etikettierung mit zugeschnittenen Etiketten liegen die fertigen Etiketten in einem Magazin vor. Im Gegensatz zur Etikettierung mit wässrigen Systemen werden die Etiketten nicht von einer mit dem Klebstoff beschichteten Palette entnommen, sondern die mit Schmelzklebstoff beschichtete Flasche zieht das Etikett aus dem Magazin. Der Auftrag der Schmelzklebstoffe erfolgt dabei entweder mithilfe von Walzen oder mit Düsen (siehe Abb. 6.4.27).
Abb. 6.4.27: Vorbereitung der Etikettierung mit Schmelzklebstoff: Zunächst wird der Behälter mit Klebstoff beaufschlagt (Quelle: Firma Langguth).