Kunststoff Materialien für Blisterverpackungen

Thermoplaste

Etwa 80% der verarbeiteten Kunststoffe sind Thermoplaste. PVC, PS, PE und PP machen ca. 2/3 der Kunststoffproduktion aus und zählen daher zu den sogenannten Massen- oder auch Standardkunststoffen. Thermoplaste weisen eine unvernetzte Molekülkettenstruktur auf, die sowohl linear (PE-HD) als auch verzweigt (PE-LD) sein kann. Bei verzweigten Ketten ist der Abstand zu benachbarten Ketten größer. Die dadurch geringere Wirksamkeit der Nebenvalenzen‘ bringt eine Verringerung mechanischer Eigenschaften wie Festigkeit, Gasdurchlässigkeit und Formsteifheit mit sich. Die verzweigte Struktur hat auch eine Verringerung der Kristallinität und damit der Dichte zur Folge. Während bei PE-LD der Dichtebereich bei 0,92 bis 0,94 g/ cm3 (Kristallinität 30 bis 50%) liegt, weist PE-HD einen Bereich von 0,94 bis 0,97 g/cm3 (Kristallinität 50 bis 80%)auf. Durch den chemischen Aufbau der Ketten, insbesondere der Seitenketten, können die Moleküle im Verband verschiedene Ordnungszustände annehmen. Große, sperrige Seitenketten verhindern eine Annäherung der Kettensegmente und behindern damit eine regelmäßige Ordnung im Molekülverband, die sogenannte Kristallisation. Bild 2.2 zeigt vergleichend die Unterschiede in der Molekülstruktur [5]. Eine hundertprozentige Kristallisation wie bei den Metallen kann bei Polymeren nicht erreicht werden, da sich die Kettenlänge nach besdsc_0727kopietimmten Verteilungsregeln ausbildet. Dementsprechend werden bei den Thermoplasten amorphe und teilkristalline Typen unterschieden.

Amorphe Thermoplaste

Amorphe Thermoplaste Amorphe Kunststoffe (PS, PVC, PMMA, PC, CAB, CAP, SAN) weisen ungeordnete Molekülstrukturen auf, die bildlich mit einem Wattebausch verglichen werden können. Sie sind im nicht eingefärbten Zustand im allgemeinen glasklar. Im Gebrauchstem-peraturbereich, der unterhalb ihrer Einfriertemperatur liegt, sind sie meist spröde, da die Molekülkettenbeweglichkeit eingefroren ist. Amorphe Kunststoffe haben aufgrund der fehlenden kristallinen Phase keinen definierten Schmelzpunkt. Wird ein amorpher Thermoplast erwärmt, erweicht er innerhalb eines Temperaturintervalls von mehreren Grad und verliert durch die nun einsetzende Wärmebewegung der Moleküle an Festigkeit. Während dieses Temperaturintervalls wechseln amorphe Polymere ihre Konsistenz, ausgehend von einem Feststoff über einen gummiähnlichen Zustand bis hin zu einer fließfähigen Schmelze. Die Temperatur, bei der ein Polymeres von einem spröden, glasartigen Material zu einem mit gummiähnlichen Eigenschaften wechselt, wird Glasübergangstemperatur Ts genannt. Die Glasüber-gangstemperatur ist somit die niedrigste Temperatur, bei der ein Kunststoff verformt werden kann. Die in der Literatur angegebenen Werte für die Glasübergangstemperatur sind somit, wenn keine weiteren Spezifikationen angegeben werden, über diesen Bereich gemittelt. Bei Erreichen der Fließtemperatur ist der Kunststoff dann schmelzflüssig. Bei weiterer Wärmezufuhr tritt in der Zersetzungsphase ein chemischer Abbau der Molekül-struktur ein.

Teilkristalline Thermoplaste

Bei teilkristallinen Kunststoffen liegt neben der amorphen Phase noch eine kristalline Phase vor. Diese gleichmäßig angeordneten atomaren Strukturen, deren Aufbau mit Hilfe der Röntgenspektroskopie anhand genau bekannter, reproduzierbarer Beugungsmuster ermittelt werden kann, hängen ab von:

  • Molmasse
  • Regelmäßigkeit im Kettenaufbau
  • Steifigkeit der Polymerketten, verursacht durch Seitenkettenverzweigungen
  • Anordnung, Form und Größe von Seitengruppen
  • Sterischen Behinderung(en)
  • Abkühlungsgeschwindigkeit.

Die Anordnung und Größe der Kristallite hängt auch wesentlich von den Bewegungs- und Geschwindigkeitsverhältnissen während der Verarbeitung ab. Da die Kristallisation ein exothermer Vorgang ist, läßt sie sich sehr gut mit kalorimetrischen Meßverfahren (z.B. DSC-Analyse bei konstanter Abkühlgeschwindigkeit) verfolgen [6]. Bei industriell genutzten, teilkristallinen Polymeren setzen sich die kristallinen Bereiche in der Regel aus sphärolitischen oder sphärolitähnlichen und dendritischen (baumähnlichen) Kristallformationen zusammen, die ihrerseits in amorphe, also ungeordnete Zonen eingebettet sind. Der Grad der Kristallinität (bzw. die Kristallitart und -größe) eines Polymeren beeinflußt sowohl seinen Schmelzpunkt als auch fast alle meßbaren physikalischen Eigenschaften wie Zug-, Dehn- und Schlagfestigkeit und chemische Beständigkeit. Materialien mit einer linearen Kettenstruktur weisen besonders hohe Kristallinitätsgrade auf. Kleine Mengen an Zusatzstoffen wie Pigmente, organische Stabilisatoren, Kataly-satorreste oder Füllstoffe steigern aufgrund ihrer Wirkung als Kristallkeimbildner die Kristallisationsrate. Ebenfalls kristallisationsgradsteigernd wirken Tempervorgänge und Orientierungen im PolymergeflIge. Hohe Scherbelastungen und ein schnelles Abkühlen hemmen dagegen die Kristallisation. dsc_0802

Die Kristallisation ist ein geschwindigkeitsabhängiger, isothermer Prozeß, da aufgrund der freiwerdenden Kristallisationsenergie die Temperatur während des Kristallisations-vorgangs meist näherungsweise konstant bleibt. Der Zeitraum, der während dieser isothermen Zeitspanne vergeht bis 50 % der durch die Kristallisation verursachten Volumenänderung eingetreten ist, wird Kristallisationshalbwertszeit genannt [7]. Kristallisation kann durch langsames Abkühlen begünstigt und durch eine abrupte Abschreckung behindert oder auch unterbunden werden. Einige derartig abgeschreckte, eigentlich teilkristalline Kunststoffe wie zum Beispiel PET weisen dann eine amorphe Struktur auf. Werden sie erneut bis in ihren Kristallisationstemperaturbereich erwärmt, setzt eine Rekristallisation ein, die dann unter anderem auch zu ungewollten Eintrübungen führen kann. Auf der anderen Seite können so gezielt kristalline Strukturen in einem sonst amorphen Formteil erzeugt und damit die mechanischen Materialeigenschaften beeinflußt werden [8]. Bei teilkristallinen Thermoplasten ist die Beweglichkeit der Makromoleküle durch deren enge, regelmäßige Anordnung in der kristallinen Phase bis zum Erreichen der Kristallitschmelztemperatur TK, häufig auch mit T. bezeichnet, eingeschränkt. In der Regel liegt das Verhältnis zwischen der Kristallitschmelz- und der Glasübergangstemperatur bei teilkristallinen Thermoplasten im Bereich von TK / Ts = 1,4 bis 2 (Temperaturen in K). Eine Erhöhung des Molekulargewichts führt bei Homopolymeren zu einer Steigerung des Kristallinitätsgrads und vielfach auch zu einer Steigerung der Schmelztemperatur [9]. Ein extrem hohes Molekulargewicht schränkt dagegen das Kristallisieren wieder ein. Ein Beispiel dafür ist PE-UHMW.