Plasmaverfahren in der Folienproduktion / 29.05.2013

Aluminiumfolie entfetten mit Koronabehandlung

Aluminiumfolien werden zweilagig gewalzt, damit sie extrem dünn werden. Die Maschine zum Separieren der beiden Lagen nutzt zur Entfernung des fetthaltigen Trennmittels ein neuartiges Plasmaverfahren. © Kampf Schneid- und Wickeltechnik GmbH & Co.
Dr. Wilfried Lehmann, Technischer Leiter bei Kampf, zeigt die Konstruktionsskizzen der Pilotanlage. © Christina Geimer, BINE Informationsdienst

Bis zu hundert Stunden waren haushaltsübliche Rollen Aluminiumfolie schon im Ofen, bevor sie mit Lebensmitteln in Berührung kommen. Die Hitze lässt das Trennmittel verdampfen, das bei der Produktion benötigt wird. Ohne das Öl ließe sich die Folie nicht so dünn walzen und der Verbrauch an energieaufwendigem Aluminium wäre höher. Eine Koronabehandlung soll die aufwendige Entfettung ersetzen. Dabei treffen hochenergetische Elektronen auf die Folie. Das Verfahren kann inline, also direkt in den Produktionsfluss, integriert werden.

Um Essen frisch und warm zu halten, nutzen Haushalte nahezu luftdichte Aluminiumfolien. Auch in der Industrie ist das Material beliebt. Es steckt zum Beispiel in Getränke-Karton Verpackungen. Ausreichende Barriereeigenschaften bietet schon eine Folienstärke von weniger als 0,007 Millimetern – das ist noch dünner als ein menschliches Haar.

Um diese geringe Dicke zu erreichen, wird die Aluminiumfolie zweilagig gewalzt. Dabei entsteht innen eine matte und außen eine glänzende Seite. Damit die Seiten nicht aufeinander kleben, werden sie mit einem lebensmittelkritischen Trennmittel benetzt. In der herkömmlichen Produktion wird die Aluminiumfolie danach bis zu 100 Stunden in einem Kammerofen erhitzt, damit das Trennmittel ausdiffundiert.

Als Alternative zum zeit- und energieaufwendigen Glühprozess gibt es seit den 1970er Jahren die Idee einer Koronabehandlung. Der Maschinenbauer Kampf aus dem oberbergischen Wiehl hat nun erfolgreich einen Prototyp entwickelt. Damit ist eine inline Entfettung der Aluminiumfolie im Anschluss an den Walzprozess möglich.

Was ist eine Koronabehandlung?

Die Koronabehandlung ist ein Plasmaverfahren bei Atmosphärendruck. Das physikalische Plasma bezeichnet im Wesentlichen ein ionisiertes Gasgemisch. In der Natur kommt es zum Beispiel in Gewitterblitzen vor. In der Industrie werden kontrolliert erzeugte Plasmen als schadstofffreie Alternativen zu chemischen Verfahren genutzt. Sie eignen sich, um Oberflächen zu modifizieren, zu reinigen und zu desinfizieren.

Zu den verwendeten Arten von Plasmen gehört zum Beispiel die Glimmentladung, wie sie in Leuchtstoffröhren verwendet wird. Das Verfahren benötigt eine Niederdruckumgebung. Eine andere Variante, die unter den Namen Barriereentladung, oder auch dielektrisch behinderte Entladung oder stille Entladung bekannt ist, ähnelt der Glimmentladung. Ihr Vorteil ist, dass sie sich auch bei Atmosphärendruck zünden lässt. In der Oberflächenbearbeitung von Folien ist für eine direkt angewandte Entladung der Begriff Koronaentladung gebräuchlich.

Die Koronabehandlung wird bisher vor allem zur Bearbeitung von Kunststoffen verwendet. Joghurtbecher und andere Produkte aus Kunststoff haben eine wasserabweisende, elektrisch isolierte und unpolare Oberfläche. Damit sie dennoch beklebt oder bedruckt werden können, hilft eine Koronabehandlung. Sie wird zum Beispiel in Offsetdruckmaschinen vorgeschaltet. Das Verfahren erhöht die Oberflächenspannung und verbessert dadurch die Benetzung.

Die Koronabehandlung wird auch bei anderen Kunststoff-, Metall- und Papieroberflächen eingesetzt, damit die Produkte sich besser mit Farbe, Klebstoff und Beschichtungen verbinden.

Prototyp zur inline Entfettung getestet

Durch die kontinuierliche Entfettung in der laufenden Produktion wird der langwierige Glühprozess überflüssig. Auch auf Energieeinsparungen hoffen die Entwickler. Die Kammeröfen verbrauchen bei der Entfettung rund 1,3 kWh pro kg Aluminiumfolie. Damit macht dieser Prozess bis zu zehn Prozent des gesamten Energieaufwandes der Produktion aus. Dieser liegt zwischen 12,9 und 17,7 kWh pro kg Aluminiumfolie.

In den Kammeröfen wird die aufgerollte Aluminiumfolie Temperaturen von 250 °C bis 400 °C ausgesetzt. Die Temperatur kann nur langsam gesteigert werden, da die bis zu einem Meter dicken Rollen sonst platzen. Es dauert bis zu fünf Tage, bis das Trennmittel ausdiffundiert ist. Das Koronaverfahren dagegen kann inline in die Produktionsstraße eingefügt werden. Nach dem Trennen der gedoppelten Folie im Sepamat (Titelbild) läuft sie durch die Koronastation.

Plasmaverfahren funktioniert bei Atmosphärendruck

Die Aluminiumfolie wird durch ein atmosphärisches Luftplasma entfettet. Dazu läuft sie über eine geerdete Walze, über der sich Hochspannungselektroden befinden. Eine Spannung im Bereich von bis zu circa 20 kV erzeugt das Plasma.

Ionen des Plasmas treffen mit hoher Energie auf die Folie. Dadurch oxidiert das Öl. Dabei entstehen unter anderem Ozon, Stickoxide und Kohlendioxid. Die Gase werden abgesaugt. Das kalte Plasmaverfahren funktioniert bei Atmosphärendruck.

Die Entfettung hängt von mehreren Parametern der Korona ab. Mitarbeiter der Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst (HAWK) in Göttingen untersuchten die optimalen Einstellungen. So lässt sich die Leistungsdichte, und damit die flächenbezogene auf der Folie wirkende Energie, steuern.

Dabei gilt es, eine möglichst hohe Entfettungsleistung zu erreichen, ohne die Folie zu schädigen. Die Folie liegt in der Praxis nicht immer völlig glatt auf der Walze auf. Sie könnte hängen bleiben und reißen. Bei höheren Geschwindigkeiten muss die geringere Verweildauer der Folie unter den Elektroden ausgeglichen werden. Dazu können zum Beispiel mehr Elektrodenstäbe eingesetzt werden.

Mehr zum Projekt

Verbundprojekt:
Aluminiumfolie entfetten

Abschlussbericht ist erhältlich als externer Download von der TIB Hannover.

Projektbeteiligte:

Kampf Schneid- und Wickeltechnik GmbH & Co. KG (Koordination)

Tigres Dr. Gerstenberg GmbH

Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst (HAWK), Fakultät Naturwissenschaften und Technik

Laufzeit:

2008 - 2010

Förderkennzeichen:

0327449A-C

Links

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Forschungsförderung

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