Mit dem richtigen Schaum geschützt verpackt

Thermoboxen für den Organtransport müssen eine konstante Kühlkette sicherstellen und werden mit verschiedenen Sensoren ausgestattet. Die kalte Ischämiezeit (Zeit des Durchblutungsausfalls) eines Gewebes oder Organs kann sich je nach Organ über wenige Stunden bis maximal etwa 48 Stunden (bei der Niere) erstrecken. Die Forschung im Bereich Organ-Konservierung versucht, die kalte Ischämiezeit auszudehnen und dabei die Schäden am Organ zu minimieren. Ein radikal neuer Ansatz ist die so genannte normothermische Perfusion, bei der das Organ bei Körpertemperatur konserviert werden soll. (Bildquelle: Sebastian Drolshagen-Fotolia.com)

Sogar Leben hängen manchmal von Verpackungen ab. Das Organ Transportsystem aus geschäumten EPS stellt die nötige Kühlung für das lebende Organ sicher und die Hartschaum-Schale in Fahrradhelm schützt den „verpackten“ Kopf beim Sturz vor lebensgefährlichen Verletzungen.  Solchen Spezialanwendungen geht eine detaillierte Entwicklung des Designs und der Konstruktion sowie hinsichtlich der Auswahl des geeigneten Werkstoffs voraus. Die meisten Verpackungen bestehen zum größten Teil aus PE, das vorwiegend zu Folien verarbeitet wird. Auch PET zählt zu den Kunststoffen mit größeren Volumenbedarf, gefolgt von PVC.  Für geschäumte Verpackungen wird häufig expandiertes PS und PE genutzt. Nach einer Veröffentlichung des Fachverband für Schaumkunststoffe und Polyurethane, gehen nur 2 Prozent des verarbeiteten PUR in die Verpackungsindustrie. Für geschäumte Kunststoffe insgesamt entfällt jedoch der größte Teil auf PUR, gefolgt von EPS, XPS und PE. Größte Abnehmerbranchen geschäumter Kunststoffe sind  das Baugewerbe sowie die Fahrzeug- und  Möbel/Matratzenindustrie.

Vernetzte und unvernetzte PE-Schaumkunststoffe

Bei den Schaumkunststoffen unterscheidet man geschlossenzellige, offenzellige und gemischtzellige Schaumstoffe sowie Integralschäume. Bei geschlossenzelligem Schaumstoff sind die Zellen komplett geschlossen. Der Schaumstoff dämmt gut und nimmt keine Flüssigkeit auf. Hierzu zählt beispielsweise PE-Schaum. Offenzellige Schäume können Flüssigkeiten aufnehmen. Bei gemischtzelligen Schäumen liegen beide Zellarten vor. Integralschäume verfügen in der Regel über einen zelligen Kern, der von einer Außenhaut umgeben ist.

Bei PE-Schäumen unterscheidet man vernetztes und unvernetztes PE. In vernetztem PE-Schaum bilden die Polymerketten ein dreidimensionales Netzwerk. PE kann dafür chemisch und physikalisch vernetzt und in verschiedenen Farbtönen gefärbt werden. Bei unvernetztem PE-Schaum liegen die Polymere als lange Ketten vor. Sie sind granulier- und wiederverwertbar. PE-Schäume werden häufig für Verpackungen im technischen Bereich oder für medizintechnische/pharmazeutische Anwendungen eingesetzt, oft auch im Mehrweg-System. Anwendungen sind zum Beispiel auch Präsentationsverpackungen oder Verpackungen für schwere Maschinenteile sowie Steckschuhlösungen. Sie zeichnen sich durch eine mittlere Dämmwirkung für Schall und Wärme aus und haben im Vergleich der Schaumverpackungen ein mittleres Gewicht. Unvernetzte PE-Schäume kommen häufig für großvolumige Verpackungen zum Einsatz, bei denen es auf eine gute Stoßabsorption ankommt.  Für solche Verpackungen wird PE unter Druck mit Treibgas extrudiert und zu Formteilen verarbeitet.

Styropor eignet sich sehr gut als preiswerte Logistik-Verpackung, die Stöße dämpfen kann. (Bildquelle: Jet-Schaumstoff-Formteile)

PP- und PS-Schaumkunststoffe

Polypropylen wird vorwiegend zu geschlossenzelligen Schaumstoffpartikeln expandiert (EPP). Das EPP wird meist als loses Schüttgut angeliefert und auf den Schäum-Automaten zu Formteilen unterschiedlichster Geometrie verarbeitet. Formteile aus EPP bestehen zu 95 Prozent aus Luft und nur zu fünf Prozent aus Rohstoff, weshalb sie sehr leicht sind und überall dort Vorteile mit sich bringen, wo es auf Gewicht ankommt. Produkte aus expandierbarem Polypropylen sind langlebig, widerstandsfähig und extrem strapazierfähig. Eine bekannte Marke dieses Werkstoffs ist Neopolen von BASF. Die hochwertig eingefärbten Neopolen P-Typen, zum Beispiel in Signal- und Brombeer-Rot, in Azur- und Metallic-Blau, werden beispielsweise zur Herstellung wärmedämmender Transportboxen für heißes und kaltes Essen eingesetzt. Typische andere Anwendungen für EPP sind Automobileinbauteile, (Mehrweg-)Verpackungen und Ladungsträger.
Ebenfalls von BASF entwickelt wurde expandierbares Polystyrol. Das EPS ist in Deutschland und Europa gemeinhin bekannt unter dem Namen Styropor. Im Mai 2014 gab der Verband der EPS-Verarbeiter, EUMEPS-European Association of EPS mit Sitz in Belgien, dafür den neuen Namen Airpop bekannt.
Der Ausgangsstoff für Polystyrol ist Styrol, das chemisch polymerisiert und mit Pentan zu kugelförmigen Partikeln expandiert wird. Diese Perlen werden mit Wasserdampf erwärmt und vergrößern sich dann auf etwa das Vierzigfache ihrer ursprünglichen Größe. Die aufgeschäumten Perlen können dann mit Wasserdampf nochmals aufgeschäumt und in Werkzeugen zu individuellen Formteilen weiterverarbeitet werden. So entstehen Verpackungen aus EPS expandierbarem Polystyrol.

Den Air-Koffer zeichnet ein geringes Eigengewicht bei hoher Stabilität aus. Der Clou ist, dass er sogar schwimmt und seinen Inhalt beispielsweise für Bootsbesitzer oder Angler schwimmend auf dem Wasser parat hält. (Bildquelle: ISL)

Auch Polyurethane lassen sich schäumen. Je nach Ausgangsstoff können harte bis weiche Schäume hergestellt werden. Die Festigkeit hängt von der Kettenlänge und dem Grad der molekularen Verzweigung ab. Bei PUR-Weichschaum platzen die Zellwände in der Verarbeitung des Rohstoffs auf, es entstehen offenzellige Schäume von hoher Elastizität. Diese Schaumstoffe dienen in erster Linie als Polstermaterialien und kostengünstiger Verpackungsschaum zum Beispiel für elektronische Bauteile oder andere empfindliche Produkte.

Entwicklung einer Verpackung

Die Entwicklung einer speziellen Schaumverpackung geht in der Regel von dem zu verpackenden Produkt aus. Das Verpackungsgut stellt Anforderungen wie das gewünschte Schockabsorptionsverhalten, Gewicht, Preis, Farbe, Mehr- oder Einweg, Optik und nicht zuletzt der Preis. Es gilt: so viel Materialeinsatz wie nötig, so wenig wie möglich. Außerdem werden Verpackungsprozesse und -kosten analysiert. Um beispielsweise das Handling an der Verpackungslinie für  Elektronikprodukte effizient zu gestalten, können  oberes und unteres Verpackungsformteil durch Sollbruchkanten miteinander verbunden werden – so genügt eine Hand, um beide Seiten zu greifen. Für Zubehör wie Kabel oder Ladegeräte können Aussparungen direkt im Formteil vorgenommen werden. Aus der Formvorgabe des Packguts und den gestellten geomerischen Anforderungen wird per CAD ein Modell entwickelt, das im letzten Schritt als Prototyp gefertigt wird. Mithilfe von Falltests wird nach der Prototypenentwicklung dokumentiert, dass die gesamte Umverpackung einem möglichen Aufschlag während des Transports Stand hält und das Produkt unversehrt und voll funktionsfähig bleibt. Denn je geringer die Fertigungstiefe, umso stärker werden die Zulieferer in die Pflicht genommen. Eng gestrickte Lieferketten verlangen nach Null-Fehler-Toleranz. Die Schutzverpackung muss garantieren, dass die Produkte in der Qualität ankommen, in der sie das Werk verlassen haben.

Im Fahrradhelm sorgt meist EPS für den Schutz, weil es leicht und sehr langlebig sowie stabil ist. (Bildquelle: bpstocks - fotolia.de)

Gute Beispiele für solche Zulieferketten finden sich in der Automobilindustrie. Hier werden Ladungsträgern, zum Beispiel für Tankdeckel, Lüftungselemente, Elektronikbauteile oder Karosserieteile wie Zierleisten und Leuchteinheiten, meist mehrfach verwendet. Die Transportbehälter aus EPP sind leicht, sehr robust, schockabsorbierend. Sie nehmen beispielsweise lackierte Zierleisten, Leuchteinheiten oder Elektronikbauteile passgenau auf und sorgen so für einen sicheren und reibungslosen Transportfluss. Ladungsträger können in der Intralogistik und im externen Warentransport eingesetzt werden. Die Behälter werden mit Bauteilen bestückt, zum Kunden transportiert und von dort nach der Entleerung wieder zurückgebracht. Dieser Prozess wiederholt sich immer wieder – in der Automobilindustrie beispielsweise für die Dauer einer ganzen Modellreihe. Die Bestückung und Entnahme kann entweder manuell oder per Roboter erfolgen. Durch diese Art der Mehrweglösung wird die Umwelt geschont. Sind die Behälter eines Tages aufgebraucht, können Sie wieder recycelt werden.

Für die Unterscheidung verschiedener Teile können die Transportbehälter mit Aufklebern gekennzeichnet werden. So ist bei mehreren übereinander gestapelten Trays von außen ersichtlich, welche Produkte transportiert werden. Bei besonders sensiblen Bauteilen können Ladungsträger mit „zwei Dichten“ verwendet werden. Dies bedeutet, dass der Außenbehälter in einem höheren Raumgewicht geschäumt ist, als der Innenteil. Auf diese Weise kommen auch empfindliche Bauteile sicher ans Ziel.

Ladungsträger werden in aller Regel als Pendelverpackung, also im Mehrwegsystem, genutzt. Größte Einsatzbranche ist die Automobilindustrie. (Bildquelle: Storopack)

Schaumverpackungen für wertvolles Gut

Sicher ans Ziel kommen müssen auch Organe zu Ziel einer Transplantation. Hier kommen besonders viele Anforderungen zusammen: Stabilität, Sicherheit, Wärmedämmung, Hygiene, Nachverfolgbarkeit etc. Beim Organtransport zählt jede Sekunde: Ein Organ muss möglichst schnell dem verstorbenen Spender entnommen und dem Empfänger transplantiert werden. Beim Organstransport kommt es auf die Zeitspanne  an, während der das  zu transplantierende Organe oder Gewebe nicht mit Blut und damit mit Sauerstoff versorgt werden. Nicht alle Organe oder Gewebe haben dieselbe Ischämietoleranz, das heißt die Zeit, die ein Organ oder ein Gewebe ohne Sauerstoffzufuhr schadlos überstehen kann. Man unterscheidet zwischen warmer Ischämiezeit (Zeit ohne Blutversorgung bei Körpertemperatur) und kalter Ischämiezeit (Zeit ohne Blutversorgung, nachdem das Transplantat gekühlt wurde).

Ein Herz zum Beispiel kann in gekühltem Zustand maximal sechs Stunden überleben. Ein Hauptproblem der Transplantationsmedizin besteht nun darin, dass Spender und Empfänger eines Organs in der Regel über große Entfernungen hin voneinander getrennt sind. Es besteht also die Notwendigkeit, das Organ zu befördern ohne es zu schädigen. Für die verschiedenen Organe sind spezifische, oft unterschiedliche Transporttemperaturen notwendig. Gewebe zum Beispiel muss bei minus 20 Grad Celsius eingefroren werden, während Nieren eine Transporttemperatur von plus vier Grad Celsius benötigen. Moderne Behälter werden mit Überwachungs– und Dokumentationsoption ausgestatte, um beispielsweise eine ununterbrochene Kühlkette nachzuweisen. Als Kühlmittel kommen optional Kühlakkus, Gelkissen oder Trockeneis zum Einsatz. Die dafür eingesetzten Thermoboxen aus EPP oder EPS unterliegen strengen Richtlinien und werden vom TGV geprüft und zertifiziert. Weniger streng sind die Regularien für den Endverbrauchermarkt. Hier besteht für Thermoboxen noch Marktpotenzial für Verpackungsanbieter. Gernerell bestehen für Schaumkunststoffe, für Einweggeschirr oder Lebensmittelverpackungen noch größere Entwicklungschancen.
Ein anderes spannender Markt für Schaumkunststoffe sind Präsentations- oder Werkzeugkoffer. Hier ist neben einem attraktiven Äußeren auch ein optisch ansprechendes Innenleben gefragt, das den Inhalt schützt und geordnet hält. Bei Werkzeugkoffern kommt hinzu, dass sie auch besonders tragfähig und gleichzeitig leicht sein sollten.

Technik im Detail
Schaumkunststoffe im Überblick

• Polyurethan (PUR): Kunststoffe der PUR-Gruppe lassen sich durch Polyaddition von Isocyanaten, Polyol und Additiven herstellen. Die aus einer oder mehreren Komponenten bestehenden verarbeitungsfertigen, handelsüblichen Mischungen werden als Polyurethan-Systeme bezeichnet. PUR wird als Gieß- und Sprühsystem ebenso hergestellt wie als Weich-, Hart- und Integralschaum.
• Melaminharzschaum: Melaminharzschaum ist ein flexibler, offenzelliger Schaumstoff. Es handelt sich um einem duroplastischen Kunststoff mit filigrane räumliche Netzstruktur.
• Polyethylen (PE):Polyethylene gehören zur Gruppe der Polyolefine. Polyethylen lässt sich nach Hochdruckverfahren und nach Niederdruckverfahren herstellen. Möglich sind dabei die Anwendung der Gasphasen-, Lösungs-, Emulsions-, Suspensions- oder Blockpolymerisation.
• Polystyrol (EPS/XPS): Polystyrol lässt sich aus monomerem Sytrol polymerisieren. Als EPS wird expandiertes Polystyrol und als XPS wird extrudiertes Polystyrol bezeichnet.
• Polypropylen (PP): PP wird durch Lösungspolymerisation im Niederdruckverfahren mit Katalysatoren, die eine isotaktische bzw. syndiotaktische Anordnung von CH3-Gruppen gewährleisten, gewonnen.