Für eine Beschleunigung der Gasdurchlässigkeitsprüfung gibt es generell zwei Ansatzpunkte. Eine Möglichkeit ist die Anhebung der Prüftemperatur, weil die Permeationsprozesse mit zunehmender Temperatur schneller ablaufen. Eine Weitere ist die Verwendung von Gasen aus kleinen Molekülen oder noch besser atomare Gase; so zeigen die kleinen Heliumatome in Kunststoffen einen sehr hohen Diffusionskoeffizienten und diffundieren daher deutlich schneller durch Barriereschichten als beispielsweise Kohlendioxid oder Sauerstoff. In Kunststoffen sind die Diffusionskoeffizienten von Helium im Vergleich zu Sauerstoff im Schnitt um den Faktor 15 bis 500 höher. Dadurch wird die Messzeit auf wenige Minuten reduziert.

Neuer Gasdurchlässigkeitstest nutzt zwei Beschleunigungsprinzipien

Der neue Gasdurchlässigkeitsschnelltest bedient sich beider der hier vorgestellten Prinzipien und wurde am Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung (Fraunhofer IVV) in Freising konzipiert und in Kooperation mit dem Kunststoff-Zentrum SKZ in Würzburg erprobt. Zum einen erfolgt die Messung nicht bei Raumtemperatur, sondern auf einem erhöhten Temperaturniveau von typischerweise 40?°C. Dies führt bereits etwa zu einer Halbierung der Messzeit. Der Hauptanteil der Zeitersparnis wird jedoch durch den Einsatz von Helium als Testgas erzielt, dessen kleine Atome sehr schnell durch die Folienproben diffundieren. Dieses Messprinzip wird in einem neuen Gerätekonzept umgesetzt. Hierbei wird ein manometrisches Messsystem für Prüfungen nach DIN?53380-2 mit einem Helium-Lecksuchgerät gekoppelt. Die Bedienung und Probenvorbereitung unterscheiden sich nur unwesentlich von denen mit konventionellen Gasdurchlässigkeitsprüfgeräten.Die runde Messfläche für die Folienproben hat üblicherweise einen Durchmesser von 110?mm, was den konventionellen Probengeometrien für vergleichbare Prüfungen entspricht. Nachdem die Probe in das Messgerät als Trennschicht zwischen beiden Messzellen eingelegt ist, wird zu Beginn jeder Prüfung die obere Messzelle für wenige Minuten mit reinem Stickstoff gespült (siehe Bild). Die Spülzeit ist für eine hohe Messgenauigkeit erforderlich, um das im Polymer gelöste oder im Messvolumen vorhandene Helium zu verdrängen. Die Dauer ist vom Material, der Probendicke und Beschaffenheit des Probekörpers abhängig.
Im Anschluss wird der Gasfluss auf Helium umgestellt. Sobald sich ein konstanter Heliumgasfluss durch die Probe einstellt, also ein stationärer Endzustand erreicht ist, wird die Helium-Leckrate bestimmt. Dies erfolgt auf Basis der Mengen- beziehungsweise Konzentrationsänderung des Heliums in der unteren Messzelle mit einem Lecksuchgerät. Die ermittelte Helium-Leckrate dient als Referenzwert zur Bestimmung des Permeationskoeffizienten. Die gesamte Messdauer einer Gasdurchlässigkeitsprüfung setzt sich somit aus der notwendigen Spüldauer mit Stickstoff und der anschließenden Messung der Heliumdurchlässigkeit zusammen.
Somit ergibt sich etwa für eine 100?µm dicke Polypropylenfolie mit dem Schnelltest eine Messdauer von nunmehr nur vier bis sieben Minuten. So reduzueren sich die Messzeiten von Stunden oder Tagen bei Normprüfungen auf wenige Minuten. Im Rahmen von Reproduzierbarkeitsmessungen wurde festgestellt, dass der Messfehler meist bei ±5?% liegt und somit vergleichbar zu konventionellen Gasdurchlässigkeitsprüfungen ist.

Vergleich Schnelltest und Normprüfung bei verschiedenen Folienarten

In der Folienindustrie ist die Sauerstoff-, Kohlendioxid- und Wasserdampfdurchlässigkeit von besonderer Bedeutung. Daher ist es von Interesse, inwieweit die Resultate aus dem Schnelltestverfahren mit den Ergebnissen aus konventionellen Normprüfungen mit den spezifischen Prüfgasen korrelieren. Durchgeführte vergleichende Referenzmessungen zur Sauerstoff- und Kohlenstoffdioxid-Durchlässigkeit mit dem manometrischen Messprinzip in Anlehnung an die DIN 53380-2 zeigen eine gute Übertragbarkeit der Ergebnisse.
Bei der Übertragung der Schnelltestergebnisse auf die konventionellen Permeationsmessungen müssen einige Randbedingungen berücksichtigt werden. Die Voraussetzung für eine gute Übereinstimmung zwischen dem Schnelltest und der Normprüfung ist, dass die Materialkombinationen der verschiedenen Proben in der Folie vergleichbare Permselektivitäten aufweisen. Die Permselektivität ist beispielsweise das Verhältnis von Helium- zu Sauerstoffdurchlässigkeit und bedeutet, dass die Folie für verschiedene Gase unterschiedliche Barriereeigenschaften aufweist.
Bei Monofolien liegt beispielsweise zwischen der Sauerstoff- sowie Kohlenstoffdioxid- und Helium-Permeation eine sehr gute Korrelation vor. Die Helium-Permeationsmessung kann bei Monofolien innerhalb einer Kunststoffgruppe sehr gut als Vorhersagemethode eingesetzt werden. Eine pauschale Übertragung für alle Kunststoffe ist aufgrund der unterschiedlichen Permselektivitäten nicht möglich.
Auch bei den Verbundfolien zeigt sich zwischen der Helium- und Sauerstoffdurchlässigkeit eine sehr gute Korrelation. Eine direkte Gegenüberstellung von Verbundfolien mit EVOH-Barriere oder Metallisierung ist auch hier aufgrund der unterschiedlichen Permselektivitäten nicht sinnvoll.

Einsatz in der Qualitätssicherung oder Verfahrensentwicklung möglich

Die Schnelltest-Methode kann daher effizient für die beschleunigte Qualitätsüberwachung oder auch der Materialentwicklung eingesetzt werden und steht im Kunststoff-Zentrum SKZ und im Fraunhofer IVV zur Verfügung. Mögliche Qualitätsmängel durch eine unzulässige Gasdurchlässigkeit können damit frühzeitig erkannt und die Ausschussmengen signifikant reduziert werden. Das Verfahren eignet sich für eine produktionsbegleitende Überwachung, da bereits zeitnah die Resultate des Schnelltests vorliegen.
Die Investitionskosten für ein solches Schnelltest-System belaufen sich in Summe auf etwa 45.000 Euro. Je nach Anlagenkonfiguration kann sich damit die Prüfvorrichtung durch die Vermeidung einer potenziellen Fehlproduktionen außerordentlich schnell amortisieren. Wenn die Ergebnisse zur Gasdurchlässigkeitsprüfung bereits mehrere Stunden bis wenige Tage vor der eigentlichen Normprüfung verfügbar sind, kann eine potenzielle Ausschussproduktion frühzeitig erkannt und vermieden werden. Eine weitere Anwendung ist der Einsatz bei der Verfahrens- und Rezepturoptimierung. Anstelle von zeitlich sehr langen Iterationsschleifen – bedingt durch die lange Wartezeit auf die Resultate der konventionellen Gasdurchlässigkeitsprüfung – kann mit diesem atline-tauglichen Schnelltest direkt an der Produktionslinie eine Anpassung der Einflussparameter auf die Gasdurchlässigkeit erfolgen. Die vielversprechendsten Proben und Einstellungen können schnell binnen weniger Minuten identifiziert werden. Dies konnte bereits erfolgreich an einer Foliendirektextusionslinie mit einer Probenentnahmevorrichtung demonstriert werden. Innerhalb kürzester Zeit kann die Produktion rein auf Basis der Prozess- und Rezepturoptimierung so eingestellt werden, dass beispielsweise bei Folienproben aus mit 10 % Talkum gefülltem HDPE eine um 16?% bessere Barrierewirkung der Folie erzielt werden kann.

Weitere Anendungsmöglickeiten bei Formkörpern wie Flaschen

Die Helium-Schnelltestmethode könnte nicht nur bei Folien zum Einsatz kommen, sondern sich auch auf die Qualitätsüberwachung von Formkörpern wie Flaschen, Bechern, Rohren oder aufwändigeren Geometrien übertragen lassen. Hierfür wäre eine Weiterentwicklung des bisherigen Verfahrens für Folien notwendig, woran zur Zeit gearbeitet wird.

Das IGF-Vorhaben 15968N der Forschungsvereinigung IVLV wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Autoren bedanken sich für die finanzielle Unterstützung.

Fakten zum Schnelltest

 

  • Innerhalb einer Folienproduktgruppe korrelieren die Ergebnisse sehr gut mit den Ergebnissen konventioneller Normprüfungen.
  • Bei ähnlichen Permselektivitäten können Umrechnungswerte für Normprüfungen generiert werden.
  • Die Festlegung von Toleranzgrenzen ermöglicht eine Gut/Schlecht-Unterscheidung. 

Kosteneffizienz
Fehlproduktionen in wenigen Minuten erkennen und gegensteuern

Der Schnelltest auf die Gasdurchlässigkeit von Folien verkürzt die Dauer einer Permeationsmessung auf wenige Minuten. Die erste Anwendungsmöglichkeit dafür ist die laufende Produktion: Ausschussproduktionen können wesentlich schneller als bisher erkannt werden und so in die laufende
Folienproduktion eingegriffen werden. Durch häufigere     beziehungsweise regelmäßige Prüfungen der extrudierten Folien kann eine höhere oder auch konstantere Produktqualität erzielt werden.
Eine zweite Einsatzmöglichkeit liegt in der beschleunigten Entwicklung von Folien, weil die Messergebnisse schneller vorliegen. Dadurch kann aber nicht nur eine schnellere Verfahrens- und Produktentwicklung erreicht werden. Auch die optimalen Verfahrensparameter können durch iterative und gezieltere Versuche besser und schneller ermittelt werden.

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Thomas Hochrein