Die Barrierefunktion von organischem Nanomontmorillonit in Einmaterial-Kunststoffverpackungen

Die Barrierefunktion von organischem Nanomontmorillonit in Einmaterial-Kunststoffverpackungen

I. Einstoffbarrieren sind umweltfreundlicher und recycelbar

Die European Soft Packaging Circular Economy Organization (CEFLEX) legt in ihren Circular Economy Design Guidelines ausdrücklich fest, dass Kunststoffverpackungsmaterialien so weit wie möglich aus einzelnen Materialien hergestellt werden sollten, um die Recyclingeffizienz und Wiederverwertbarkeit zu verbessern. Sowohl Nestlé als auch Coca-Cola haben ihr Engagement für 100 % recycelbare oder wiederverwendbare Verpackungen klar zum Ausdruck gebracht. Dies impliziert einen Übergang von Multimaterialstrukturen zu Einmaterialstrukturen, was nicht nur künftigen Umweltvorschriften entspricht, sondern auch die Recyclingeffizienz erhöht.

Im Vergleich zu mehrschichtigen Verbundverpackungen weisen Einmaterialaufbauten häufig schwächere Barriereeigenschaften auf. Daher ist es zu einem entscheidenden Thema geworden, sicherzustellen, dass die Verpackung eine gute Leistung beibehält und gleichzeitig die Umweltanforderungen erfüllt. Um dieser Herausforderung zu begegnen, werden bei Kunststoffverpackungen häufig mehrere unterschiedliche Barrieremethoden eingesetzt, um die Barriereleistung zu verbessern.

II. Aktuelle Barrieremethoden in Kunststoffverpackungen

1. Beschichtungsmethoden (z. B. Aluminiumbeschichtung, SiO₂-Beschichtung usw.)

Durch die Ablagerung einer Schicht aus Metall oder anorganischem Material auf der Kunststoffoberfläche wird eine Barriereschicht gebildet. Aluminiumbeschichtete Schichten verfügen über ausgezeichnete Gas- und Feuchtigkeitsbarriereeigenschaften und werden häufig in Lebensmittelverpackungen verwendet, um die Haltbarkeit zu verlängern. Anorganische Beschichtungen wie SiO₂ sorgen für zusätzliche Sauerstoff- und Feuchtigkeitsbarriereeigenschaften. Dieses Beschichtungsverfahren kann nur auf Zwischenschichten angewendet werden, wobei für die Innenschichten heißsiegelfähige Schichten und für die Außenschichten Verbunddruckschichten erforderlich sind. In jeder Schicht werden unterschiedliche Materialien verwendet, was Recycling und Wiederverwendung erschwert.

2. Verbund-Coextrusionsverfahren (z. B. PVDC, EVOH, PA, PVA usw.)

Bei dieser Methode werden verschiedene Materialien im geschmolzenen Zustand coextrudiert, um eine mehrschichtige Struktur zu bilden. EVOH (Ethylen-Vinylacetat-Copolymer) ist ein häufig verwendetes Material mit hoher Sauerstoffbarriere, das häufig in Lebensmittelverpackungen eingesetzt wird. PA (Nylon) hat gute Ölbarriereeigenschaften und wird häufig in Verpackungen für fettreiche Lebensmittel verwendet. PVDC und PVA bieten außerdem hervorragende Gas- und Feuchtigkeitsbarriereeigenschaften. Solche Barriereverpackungen bestehen typischerweise aus 3–9 Schichten verschiedener Materialien, die coextrudiert werden, um Barriere- und Verpackungsfunktionen zu erreichen. Aufgrund der unterschiedlichen Materialien sind Recycling und Wiederverwendung jedoch eine Herausforderung.

3. Mischmethode (Zugabe anorganischer Materialien)

Diese Methode bietet eine hervorragende Alternative. Durch die Einbindung anorganischer Materialien wie Montmorillonit, Silikaten und Nanomaterialien in die Kunststoffmatrix werden sowohl die Steifigkeit und Hitzebeständigkeit des Materials erhöht als auch seine Barriereeigenschaften verbessert. Diese nanoskaligen anorganischen Materialien vermischen sich gut mit der Kunststoffmatrix und sind leicht recycelbar.

III. Barrierefunktion von organischem Nano -Montmorillonit in Verpackungen

Montmorillonit (MMT) ist ein natürliches schichtförmiges hydratisiertes Silicoaluminat-Mineral, wobei jede Platte eine Dicke von etwa 1 nm und einen Größenbereich von 1–1.000 nm aufweist. Seine Strukturformel lautet (Al,Mg)₂ SiO₁₀ ₂·nH₂O. Aufgrund der Instabilität von Aluminium im Aluminiumoxid-Oktaeder wird es leicht durch niedervalente Atome ersetzt, was zu einer gewissen negativen Ladung zwischen benachbarten Schichten führt. Um die Stabilität der Zwischenschichtstruktur aufrechtzuerhalten, zieht die negative Ladung umgebende Kationen wie Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+ und K+ an, wodurch Montmorillonit Kationenaustauschkapazität und starke Adsorptionsfähigkeit erhält.

Nach dem Mischen mit Polymeren löst sich seine Kristallstruktur leicht ab, was zu einer dichten Schichtstruktur mit einem hohen Aspektverhältnis führt. Dies erhöht die Weglänge für die Gaspenetration durch hochmolekulare Polymere und verlängert die Gaspenetrationszeit. Eine 1 nm dicke Schichtstruktur zwingt Gas und Feuchtigkeit dazu, „300 Umwege zu nehmen“. Gleichzeitig schränken ihre Nanoeffekte die Bewegung von Polymerketten ein, verstärken intermolekulare Wechselwirkungen, stärken die Kohäsionskraft des Polymers, erhöhen die Packungsdichte der Molekülketten und verbessern die Barriereeigenschaften des Materials erheblich.

IV. Verarbeitungs- und Anwendungsmethoden für organischen Nano-Montmorillonit

Montmorillonit muss zwei Prozesse durchlaufen, um eine nanoskalige Dispersion in Polymeren zu erreichen. Nur gründlich dispergierte und gleichmäßig verteilte Nanosilikatschichten können eine optimale Leistung erzielen.

1. Gereinigter Montmorillonit durchläuft Interkalationsreaktionen, um organischen Nano-Montmorillonit zu bilden

Anorganischer Montmorilonit hat Zwischenschichtabstände von etwa 1–1,5 nm und seine Schichten sind aufgrund elektrostatischer Kräfte zu Dutzenden gestapelt, sodass es unmöglich ist, jede Nanoschicht einzeln zu verteilen. Nur durch Interkalationsreaktionen (die typischerweise 30–40 % Interkalationsmittel erfordern) kann der Zwischenschichtabstand von Montmorillonit auf 2–4 nm erhöht werden, wodurch es in organischen Nano-Montmorillonit umgewandelt wird. Dadurch wird die freie Oberflächenenergie des Materials verringert und seine Hydrophilie in Lipophilie umgewandelt, was eine bessere Dispersion innerhalb der Polymere ermöglicht.

2. Eingelagerter Montmorillonit muss einer Scherverarbeitung mit einem Doppelschneckenextruder unterzogen werden, um eine vollständige Nanodispersion zu erreichen

Um eine optimale Dispersion und Exfoliation von organischem Montmorillonit zu erreichen, wird empfohlen, beim Mischen thermoplastischer Verbundwerkstoffe einen gleichläufigen Doppelschneckenextruder oder einen BUSS-Kneter zu verwenden. Beim Extrusionsmischen empfiehlt es sich, Schneckenkombinationen mit einem möglichst großen Längen-Durchmesser-Verhältnis (>40L/D) und Gewindemodulen zu wählen, die eine hohe Dispersion ermöglichen. Um eine Verdichtung zu vermeiden, erfolgt die Zugabe am besten über eine seitliche Zuführvorrichtung zum geschmolzenen Polymer.

Bei der Dispergierung in einem Doppelschneckenextruder sollte darauf geachtet werden, dass der organische Montmorillonit nicht „zu stark geschert“ wird, um eine Agglomeration zu verhindern. Am besten verwenden Sie Dispersions-Mischschneckenelemente. Überhitzung kann zu einer verminderten Produktleistung und Geruchsbildung führen. Übermäßiges Erhitzen kann zu Rauchbildung an der Düse führen, und extrem hohe Schergeschwindigkeiten im Extruder können auch zu Reagglomeration und Leistungseinbußen führen.

Es wird empfohlen, den Montmorillonit zunächst zu einem Masterbatch zu verarbeiten, bevor er für Gussfolien- oder Blasfolienanwendungen verwendet wird: 30–50 % Montmorillonit-Masterbatch-Vormischung (zuerst diskontinuierlich verarbeitet und dann in einem Doppelschneckenextruder dispergiert oder über eine Seiteneinzugsdispergierung hergestellt, mit entsprechender Zugabe von Pfropfverträglichkeitsvermittlern und Dispergierhilfsmitteln).

V. Anwendungen von organischem Nano-Montmorillonit in der Verpackungsindustrie

1. Elektronische Verpackung

2. Industrie-Schlauchboot

Verpackungsindustrie Als neuartiges funktionelles Material hat organischer Nano-Montmorillonit ein starkes Barrierepotenzial in der Kunststoffverpackungsindustrie gezeigt. Durch die kontinuierlichen technologischen Fortschritte ist Montmorillonit auf dem besten Weg, ein wichtiger Bestandteil von Hochleistungsverpackungsmaterialien zu werden und der wachsenden Marktnachfrage gerecht zu werden.

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