Die wichtigsten Erkenntnisse dieses Artikels:
- Wasserbasierte Beschichtungen stellen andere Anforderungen an die Trocknung als herkömmliche Beschichtungssysteme.
- Die Trocknungsbedingungen beeinflussen die Filmbildung und die späteren Eigenschaften des beschichteten Materials.
- Barrierebeschichtungen schützen Papier und Karton vor Feuchtigkeit, Fett, Öl und anderen äußeren Einflüssen.
- Ein fundiertes Verständnis des Trocknungsprozesses ist entscheidend, um neue Beschichtungsanwendungen in die industrielle Produktion zu überführen.
In unserem vorherigen Blogbeitrag haben wir beleuchtet, wie der zunehmende Einsatz wasserbasierter Barrierebeschichtungen neue Möglichkeiten für Verpackungshersteller eröffnet, gleichzeitig aber auch neue Herausforderungen für die industrielle Produktion mit sich bringt. Doch was geschieht, nachdem eine Beschichtung auf eine laufende Papier- oder Kartonbahn aufgetragen wurde?
Im nächsten Schritt muss die Beschichtung getrocknet werden. Was zunächst einfach klingt, erfordert in der Praxis eine präzise Prozesssteuerung: Die Flüssigkeit muss aus der Beschichtung entfernt werden, ohne deren funktionelle Eigenschaften zu beeinträchtigen.
Was sind Barrierebeschichtungen und warum sind sie wichtig?
Barrierebeschichtungen sind funktionelle Schichten, die einem Produkt bestimmte mechanische Eigenschaften verleihen oder ein Material vor Einflüssen wie Wasser, Feuchtigkeit, Öl, Fett oder Sauerstoff schützen. Sie sorgen dafür, dass Papier und Karton die Eigenschaften erhalten, die für bestimmte Anwendungen, insbesondere im Verpackungsbereich, erforderlich sind.
So müssen Lebensmittelverpackungen aus Papier beispielsweise häufig fettbeständig sein, während Verpackungen für trockene Produkte einen Schutz vor Feuchtigkeit benötigen. Je nach Anwendung können Barrierebeschichtungen auch die Heißsiegelfähigkeit verbessern, sodass sich Verpackungen ohne eine herkömmliche Kunststoffschicht verschließen lassen.
Traditionell werden einige dieser Funktionen durch Kunststofffolien oder laminierte Materialverbunde erreicht. Da Hersteller zunehmend nach Möglichkeiten suchen, den Einsatz von Kunststoffen, insbesondere Einwegkunststoffen, zu reduzieren und die Recyclingfähigkeit faserbasierter Verpackungen zu verbessern, gewinnen wasserbasierte Barrierebeschichtungen als Alternative an Bedeutung.
Diese Beschichtungen werden in flüssiger Form aufgetragen. Anschließend muss das enthaltene Wasser entfernt werden, damit sich die gewünschte funktionelle Schicht ausbilden kann. Ihre Leistungsfähigkeit hängt dabei nicht nur von der Zusammensetzung der Beschichtung ab, sondern auch davon, wie sie aufgetragen und getrocknet wird.
Die Trocknung ist somit ein wesentlicher Bestandteil des gesamten Beschichtungsprozesses. Dabei geht es nicht allein darum, Wasser zu entfernen, sondern vor allem darum, die für das fertige Verpackungsprodukt erforderlichen Barriereeigenschaften zu erzielen.
Wie funktioniert die industrielle Trocknung wasserbasierter Beschichtungen?
Wird eine flüssige Beschichtung auf eine laufende Materialbahn aufgetragen, muss die enthaltene Flüssigkeit entfernt werden, damit eine funktionelle Schicht zurückbleibt. Bei wasserbasierten Barrierebeschichtungen geschieht dies durch Verdampfen des Wassers. Gleichzeitig spielt die Temperatur eine wichtige Rolle bei der Filmbildung und, abhängig von der chemischen Zusammensetzung der Beschichtung, auch bei der Aushärtung oder Vernetzung.
Der Trockner erfüllt daher zwei wesentliche Aufgaben: Er entfernt das flüssige Trägermedium und schafft die Voraussetzungen dafür, dass die Beschichtung ihre vorgesehenen Eigenschaften entwickeln kann.
Dafür ist ein ausgewogenes Verhältnis zwischen ausreichender Energiezufuhr zur Verdampfung und den richtigen Temperaturbedingungen für Filmbildung und Aushärtung erforderlich. Die Flüssigkeit muss aus dem Inneren der Beschichtung an die Oberfläche gelangen und dort verdampfen können. Trocknet die Oberfläche zu schnell, kann Feuchtigkeit in tieferen Schichten zurückbleiben. Ein zu starker Luftstrom kann zudem die noch feuchte Beschichtung beeinträchtigen, während ungleichmäßige Temperaturen zu einer inhomogenen Beschichtung oder Fehlstellen wie Löchern führen können.
Eine präzise Steuerung von Luftströmung und Temperatur ist deshalb entscheidend. Der Luftstrom muss stark genug sein, um die verdampfte Feuchtigkeit zuverlässig abzuführen, darf dabei aber die Beschichtung nicht beeinträchtigen. Eine gleichmäßige Temperaturverteilung wiederum trägt dazu bei, einen homogenen, geschlossenen Film auszubilden.
Aus diesem Grund ist die Infrarottrocknung nicht immer die beste Lösung. Eine ungleichmäßige Strahlungsverteilung und lokale Überhitzungen können es erschweren, eine gleichmäßige Trocknung und eine konstant hohe Beschichtungsqualität zu erreichen.
Die Herausforderung besteht darin, die erforderliche Feuchtigkeitsmenge möglichst energieeffizient zu entfernen und gleichzeitig sicherzustellen, dass sowohl die Beschichtung als auch das Trägermaterial innerhalb der für eine einwandfreie Filmbildung erforderlichen Temperaturgrenzen bleiben.
Bei unzureichender Trocknung kann Restfeuchtigkeit zurückbleiben, die sich negativ auf die endgültigen Eigenschaften der Beschichtung oder nachfolgende Produktionsschritte auswirkt. Zu hohe Temperaturen oder eine zu intensive Trocknung können dagegen das Trägermaterial schädigen oder die Filmbildung beeinträchtigen.
Das optimale Verhältnis hängt von der Rezeptur, dem Auftragsgewicht, den Eigenschaften des Trägermaterials und der Produktionsgeschwindigkeit ab. Eine wirksame Trocknung bedeutet daher nicht einfach, möglichst viel Wärme zuzuführen. Entscheidend ist vielmehr, die richtige Energiemenge unter geeigneten Prozessbedingungen bereitzustellen.
Ein Trocknungskonzept für unterschiedliche Anwendungen
Die Anforderungen an die Trocknung können sich bei einer herkömmlichen Beschichtung, einer wasserbasierten Barrierebeschichtung und einer neu entwickelten biobasierten Rezeptur erheblich unterscheiden. Unterschiede im Wassergehalt, im Auftragsgewicht, beim Trägermaterial und bei der Produktionsgeschwindigkeit beeinflussen sowohl den erforderlichen Energieeinsatz als auch die optimale Steuerung des Trocknungsprozesses.
Hier zeigt sich der Vorteil eines flexiblen Trocknerkonzepts. Der Contiweb Modular Dryer wurde nach dem Grundprinzip entwickelt, dass sich die Anforderungen an die Trocknung je nach Anwendung unterscheiden. Dank seines modularen Aufbaus lässt sich die Trocknungslösung gezielt an die jeweiligen Prozessanforderungen anpassen, anstatt auf ein einheitliches Konzept für sämtliche Anwendungen zurückzugreifen.
Für Hersteller, die neue Beschichtungen einführen oder bestehende Anwendungen auf größere Produktionsvolumina ausweiten möchten, stellt sich vor allem eine Frage: Wie lassen sich die geforderten Produkteigenschaften erreichen, ohne Kompromisse bei Produktionsgeschwindigkeit, Prozessstabilität oder Energieeffizienz eingehen zu müssen?
Die spezifischen Trocknungsanforderungen zu verstehen, ist der erste Schritt. Der eigentliche praktische Nutzen zeigt sich jedoch erst, wenn dieses Wissen unter realen Produktionsbedingungen umgesetzt wird.
In unserem nächsten Blogbeitrag sprechen wir mit einem Unternehmen, das bereits einen Contiweb Modular Dryer in der Produktion einsetzt. Dabei erfahren wir aus erster Hand, welche Erfahrungen das Unternehmen gemacht hat und welche Rolle die Trocknung in seinem Produktionsprozess spielt.
