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Verpackungstechnologie (Fach) / Professor Simon (Lektion)

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• Eigenschaften von Glas fest und flüssig eingefrorene unterkühlte Schmelze fester Zustand amorph (nicht kristallin) homogene Flüssigkeit --> kristalline Fernordnung fehlt anorganisch nicht-metallisch
• Positive Aspekte von Glas Neutral und hygienisch:  Keine Aufnahme von Fremdstoffen Marketing Verbrauchervorteile: Klar, durchsichtig, wieder verschließen, Füllstand erkennen Universal einsetzbar Absolut dicht: (keine Permeation von Aromen oder Sauerstoff Umweltvorteile (natürlicher Rohstoff, uneingeschränktes Recycling) Formstabil
• Negative Aspekte Glas Sprödheit: stoßempfindlich, bruchempfindlich, Verletzungsgefahr Masse (Transport und Lagerung) lichtdurchlässig: ggf. durch Färben Verpacken zu umgehen wenige Produktionsstandorte: lange Transportwege, hoher Logistikaufwand
• Wie ist Glas aufgebaut? Glas hat dieselben Bindungszustände wie im Kristall und ist bei silikatischen Gläsern in Form von SiO4-Tetraedern angeordnet der Unterschied liegt in der Unregelmäßigkeit des Gefüges - die Abstände im Glas sind nicht regelmäßig und Tetraeder ist verzehrt --> es gibt nur eine NO (bei Kristall Gitter, bei Glas Netzwerk) Grundstruktur ist Netzwerkbildner (Quarzsand; auch: Boroxid und Arsensulfid) weitere Stoffe binden sich als Netzwerkgefüge ein (Netzwerkwandler, Stabilisatoren z.B. Natrium, Kaliumoxid, Calciumoxid) vereinen sich über Sauerstoffmolekül in der Mitte --> Bergkristall
• Was machen Netzwerkwandler? reißen die Netzwerkstruktur auf bzw. brechen die Bindungen des Brückensauerstoffs in den Siliciumoxid-Tetraeder auf und anstelle der Atombindung mit dem Silicium geht der Sauerstoff eine Ionenbindung mit einem Alkaliatom ein
• Wozu führt eine Mischung aus verschiedenen Substanzen? Schmelzpunkterniedrigung --> es werden Stoffe beigemischt z.B. Natrium-Ionen und es entsteht Natriumoxidglas (Natriumglas) Kalk-Natron-Glas ist Fensterglas und bestet aus SiO2 + Natron + Kalk
• Woraus besteht Glas? Glas besteht aus SiO2 (weißes Pulver, Quarz und Quarzsand) und liegt in einer amophen Form (nur NO) vor. SiO2 hat eine ähnliche Struktur wie Kohlenstoff (Tetraeder). Bei der Hauptglasart Kalknatronglas werden SiO2, Soda und Kalk in das Siliciumgerüst eingebaut. Die Substanzen werden beigemischt, um eine Schmelzpunkterniedrigung zu erzielen
• Welche Glasarten gibt es? Kalknatron Blei Borosilicat Spezial
• Was passiert bei der Läuterung? CO3 wird bei hohen Temperaturen als CO2 ausgetriben, damit nur Ionen im Glas bleiben und keine Luftblasen entstehen
• Wie wird Glas hergestellt? Zubereitung --> Aufschmelzen: alle Rohstoffe werden eingeschmolzen und bei hohen Temperaturen wird bei den Carbonaten CO2 freigesetzt (Läuterung) --> es entsteht eine homogene Schmelze --> Formgebung und Abkühlung (Moleküle erstarren in amorphen Form) --> QM und Verpackung
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• Was passiert bei dem Übergang von der Schmelze zum festen Glas? Übergang von flüssigen Schmelze zum Feststoff ist ein allmählicher Prozess --> Transformationsbereich im Laufe der Abkühlung nimmt die Viskosität des Material stark zu (äußeres Zeichen für eine zunehmende Struktur --> amorph) am kühlen Ende des Transformationsbereichs liegt ein thermodynamischer Übergang --> Glasübergang Schmelze wandelt sich in den festen, glasartigen Zustand, den das Glas auch bei weiterer Abkühlung zeigt amorphe, viskose Zustand der Schmelze wird für die Bearbeitung und Formung genutzt
• Welche drei Phasen bei der Glasherstellung gibt es? 1. Rauhschmelze: Erschmelzen des Gemenges und Homogenisierung 2. Läuterung 3. geläuterte Schmelze wird auf die gewünschte Formgebungstemperatur abgekühlt
• Was sind Zug- und Druckspannung? Zugspannung: Ziehen am Riss: Material geht kaptt und es ensteht ein Spannungsriss --> Bruch da Öffung bestehender Risse Druckspannung: kaum Bruch da Schließung bestehner Risse: zusammendrücken, da unterkühlte Flüssigkeit schließen sich die Risse wieder und fließen zusammen
• Was sind die thermischen Eigenschaften von Glas stabil Temperaturschwankungen sind problematisch: Pasteurisieren, sterilisieren, heiß abfüllen, Reinigung
• Was ist die Lösung zum umgehen der Temperaturschwankungen? Tempern: langsames Abkühöen zum Entspannen Konstruktion: Verteilung des Glas in Gefäßwindung
• Was sind die chemischen Eigenschaften von Glas? luftbeständig (keine Oxidation) chemisch stabil, aber Auslaugung durch: Laugen (basischer Bereich), destilliertes Wasser, Wasserdampf --> Reinigungsmittel (basisch) basisch: Angriff des Si-O Netzwerkes Sauer: Austausch der Alkaliionen an der Glasoberfläche
• Wie nimmt der Verbraucher Glas wahr? Natürlichkeit Reinheit Hochwertigkeit Produktsicherheit durchsichtig, klar Form Farbe Verschlussmöglichkeit --> sympathischer Werkstoff
• Welche WW können LM und Verpackung haben? Aufnahme von Fremdaromen: Fehlaromen, Fehlgerüche unpolare Lebensmittel, unpolare Polymere: gleiches löst sich im Gleichem Adsorption: Oberfläche, Lösung, Quellung
• Was kann einwandern und was kann auswandern? Auswandern: Aromastoffe Einwandern: Lösungsmittel, Restmonomere, Weichmacher, Klebstoff
• Was sind die Funktionen einer Verpackung? Schutz des LM vor äußeren Einflüssen: Temperatur, mechanischen Einwirkungen, Licht, Druck, Feuchtigkeit, Sauerstoff Information für den Verbraucher: Aufbewahrungshinweis, Inhaltsstoffe, Herstellerangaben, Allergene etc. Schutz der Umwelt: Geruch Motivation: Handhabung: stapelbar, Lagerung, öffnen und schließen Transport: Strecke, Zeit, Größe und Gewicht
• Worin besteht der Zwiespalt bei einer Verpackung? Zwiespalt zwischen so wenig wie möglich und so viel wie nötig
• Wie ist der Warendurchlauf von Verpackungen? Herstellung der Verpackung Abpacken der Ware Transport- und Lagerwesen Groß- und Einzelhandel Konsument Entsorgung/Verwertung
• Was ist der Verpackungskompromiss? Um allen Anforderungen entlang der KEtte des Warendurchlaufs gerecht zu werden werden Kosten, Umwelt, Verpackungsleistung gleich gewichtet und soziale Verträglichkeit ist ein zunehmendes Kristerium zur Optimierung
• Was gehört zur Schutzfunktion? Schutz des Packgutes (mechanisch, klimatisch, Lebewesen) Schutz der Packung (WW, Diebstahl) Schutz der Umwelt (gefährliches Gut, ungefährliches Gut)
• Was ist die Informationsfunktion? Informationen für den Verbraucher über: Inhalt, Anwendung, Qualität, Herkunft, PReis Farbrikation, Lager und Handel
• Was sind anwendungstechnische Funktionen? Hersteller abpackender Betrieb Lager- und  Transportwesen Handel Verbraucher Entsorger und Verwerter
• Was sind Packhilfsmittel, Packmittel, Werkstoffe, Packmittel: Klebstoffe, Schutzgas, Polsterung --> Styropor Packmittel: Folie, Plastikschachtel Werkstoff: Granulat
• Welche Verpackungsmaterialien gibt es? anorganisch: Glas, Eisenmetall (Feinstblech, Weißblech, ECCS-Blech), Aluminium, sonstiges organisch: Papier (Papier, Karton, Pappe (Vollpappe und Wellpappe), Kunststoff (Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere), Sonstige (Holz) Verbundswerkstoffe biologisch abbaubare
• Welche Werkstoffanteile werden am meisten verwendet? 45 % Kunststoffe 31,3 % Papier und Pappe 18,6 % Metall, Weißblech, Alu und Zinn 6,1 % Glas
• Was sind Kunststoffe? organische Verbindungen Aufbau aus gleichartigen Einheiten --> Wiederholungseinheiten (unterschiedliche Anzahl einzelner Moleküle von Wiederholungseinheiten) -- viele WE bilden ein Makromolekül und viele Makromoleküle bilden Polymer; Additive in den Zwischenräumen liegen als Knäul vor Struktur (Architektur) Molare Masse 10^6 g/mol oder mehr --> Makromolekül Chemie (Abfolge)
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• Thermoplast wärmeverformbar bei bestimmten Temperaturen Vernetzungspunkte sind temporär makroskopisches Fließen Flexibilität zwischen den Ketten einzelne lange Ketten, die nicht miteinander verknüpft sind z.B. Joghurtbecher, Puppe
• Elastomer Kombination aus beiden formfest aber elastisch geht bei RT zurück in die ursprüngliche Form fließen nicht auseinander Verbindung zwischen den Makromolekülen kovalent und niedrige Konzentration dieser Vernetzungspunkte weitmaschig, 3D-verknüpft
• Duroplast formfest kleine Monomere, die engmaschig kovalent miteinander verknüpft sind starke Verknüpfung und nach der Verhärtung nicht wieder verformbar bei RT spröde hohe Anzahl an Vernetzungspunkten können sich nicht gegeneinander bewegen verhält sich wie Holz z.B. Auto
• Was ist ein Kristall ein hochgeordnetes System regelmäßige, wiederkehrende Anordnung Makromoleküle kann kein Kristall bilden, da es ungeordnet, amorph und nicht kristallin ist
• Welche Abfolge von Wiederholungseinheiten gibt es? Homopolymer Block statistisches oder alternierendes Copolymer
• Was ist die Herausforderung bei der Verteilung? Jedes Makromolekül hat eine individuelle Masse!
• Was ist amorph? im amorphen Zustand befinden sich homogene Feststoffe, deren molekularen Bestandteile nicht in Kristallgittern angeordnet sind. Es liegt nur eine NO vor, FO fehlt. Die physikalischen Eigenschaften amorpher Substanzen sind in alle Raumrichtungen gleich, amorphe Substanzen sind isotrop. Keinen definierten Gefrier- oder Schmelzpunkt, erweichen sich beim erwärmen
• Nahordnung ist eine nur bis zur Nähe regelmäßige Gruppierung von Teilchen um ein Bezugsteilchen mit der Entfernung nimmt die Ordnung ab --> z.B. Molekül in einer Flüssigkeit zum übernächsten Nachbarn keine Korrelation der Bindungswinkel
• Fernordnung regelmäßige und kontinuierliche (bis in die Ferne) Anordnung von Molekülen oder Atomen in einem kristallinen Festkörper ohne FO: amorphe Festkörper oder Glas, diese haben nur NO
• Was passiert bei starken intermolekularen Wechselwirkungen? es gibt amorphe Bereiche ohne Fernordnung und kristalline Bereiche mit Fernordnung teilkristallin: teilweise WW zwischen benachbarten Ketten --> Wasserstoffbrückenbindungen
• Polyamide Nylon Stabilität durch kristalline Bereiche fangen an zu fließen bei hohen Temperaturen kurzfristige Erhöhung führt zur Glättung, intermolekulare WW wird aktiviert und wieder beendet hergetellt durch Polykondensation
• Was bewirkt schwache intermolekulare WW? amoprhe Bereiche ohne Fernordnung
• Welche optischen Eigenschaften haben amorphe und kristalline Bereiche? Amorphe Bereiche sind ungeordnet, die Wellenlänge gelangt ungebrochen durch den amorphen Bereich --> daher Transparent Kristalline Bereiche sind geordnet und das Licht gelangt nur partiell durch die Struktur --> daher  transluzent
• Was ist die Glasübergangstemperatur? Temperatur, bei der Polymere (nur ganz oder teilweise amorphe Polymere) vom flüssigen oder gummielastischen, flexiblen Zustand in den glasigen oder hartelastischen, spröden Zustand übergehen, sie wird auch „Erweichungstemperatur“ genannt. Für jeden Kunststoff spezifisch, man kann Kunststoffe anhand ihrer Glasübergangstemperatur unterscheiden Bei Stoffen, deren Moleküle im festen Zustand schon ungeordnet vorliegen (amorph), muss nicht erst unter Energiezufuhr das Kristallgitter aufgelöst werden, der Stoff wird „nur“ flüssig Beginnt ein Kristall zu schmelzen, bleibt seine Temperatur konstant, bis er ganz geschmolzen ist d.h. die zugeführte Wärme wird ausschließlich dafür verwendet, das Kristallgitter zu zerstören, nicht, um die Temperatur des schmelzenden Stoffes zu erhöhen Bei amorphen Festkörpern hingegen wird sämtliche zugeführte Wärme verwendet, die Temperatur des Stoffes zu erhöhen, es gibt kein Kristallgitter, das zerstört werden muss
• Was ist die Dynamische Differenzkalorimetrie? Technik zur Charakterisierung des Härtungsvorgangs und zur Bestimmung der Endeigenschaften des Produkts Thermische Analyse von Polymeren ermittelt die beim Schmelzen, kristallisieren, vernetzen und zersetzen auftretende Enthalpieänderungen und die Glastemperatur Probentiegel und Referentiegel werden während Aufheizens und Abkühlens auf gleiche Temperatur gebracht --> Materialunterschiede zeigen sich in Heizströmen, die nach entsprechender Kalibrierung den Wärmestrom als Messparameter liefern ---> beide Proben werden mit der gleichen Wärmeenergie beheizt und es wird geschaut wie die Probe auf die Temperatur reagiert --> kein Übergang: gleiche Temperatur; Phasenüberhamg: gesamte Energie für Phasenübergang verwendet
• Polyamid Wird im Handel oft als Nylon bezeichnet und gewinnt seine Stabilität durch kristalline Bereiche (NO und FO à Stabilität). Es liegen starke intermolekulare WW vor und regelmäßige wiederholende Amidbindungen entlang der Hauptkette. Polyamide sind thermoplastische Kunststoffe und zeichnen sich durch eine hervorragende Festigkeit und Zähigkeit aus. Sie fangen an zu fließen bei hohen Temperaturen. Eine kurzfristige Temperaturerhöhung führt zur Glättung, da intermolekulare Wechselwirkungen aktiviert und wieder beendet werden.
• Polyethylen Ist der wichtigste Thermoplast (Plastiktüten, Gefrierbeutel, Eimer, Mülltonnen) und leicht zu verarbeiten, hat eine gute Chemikalienbeständigkeit und eine geringe Wasseraufnahme. Bei RT ein ziemlich weicher Thermoplast. Allerdings neigt es zu Spannungsrisskorrosionen und weist eine mäßige Transparenz auf. Polyethylen ist teilkristallin und ein durch Kettenpolymerisation von Ethen hergestellter unpolarer Kunststoff. Es wird unterschieden in PE-HD, PE-LLD und PE-LD. Entsteht durch Polymerisation von Ethen
• Polypropylen Ist der leichteste und ergiebigste Massenkunststoff und hat eine bessere Glanz- und Abriebfestigkeit als PE. PP ist teilkristallin und schwach transparent-opak. Es wird unterschieden in isotaktischen (Verschlüsse, Mikrowellenverpackung), syndiotaktischen und aktaktischen (Schmelzkleber) Typen. Je gleichmäßiger der Aufbau ist, desto leichter ist die Ausbildung einer Kristallstruktur. Der Grad beeinflusst die Eigenschaften: Härte, Sprödigkeit, Formbeständigkeit oder Schmelzpunkt
• PET Ist ein linear gesättigter Polyester und bei niedrigen Temperaturen schlagzähe teilkristalline Thermoplasten mit einem guten Gleit- und Abriebverhalten. Die Amorphen Bereiche haben eine Glasübergangstemperatur von 50-70°C. PET zeigt eine Dichtheit bei Gasen, Aromen und Fett. Die Kristallisation kann bei der Verarbeitung unterdrückt werden (transparent) oder durch rasche Kristallisation entsteht PBT (transluzent). Demnach gibt es amorphe orientierte (Flaschen, Folien) und nicht orientierte (Blisterfolien) Typen oder auch teilkristallin orientierte (Gefäße zur Heißbefüllung) oder nicht orientierte (Schalen) Typen.
• Polycarbonat Sind amorphe und glasklare Kunststoffe mit einer hohen Festigkeit, Härte und Zähigkeit und in einem Temperaturbereich von -150- +135°C stabile Kunststoffe. PC haben außerdem eine sehr gute biologische Verträglichkeit und ein geringes Wasseraufnahmevermögen. Hergestellt werden sie durch Polykondensation von Phosgen mit Diolen aus Bisphenol A oder Umesterung von Kohlensäurediester. Sie werden verwendet für Produkte mit hohen Ansprüchen wie Milch, Fett oder ölhaltigen LM, beispielsweise Colaflaschen. Allerdings sind Polycarbonate sehr teuer in der Herstellung.

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