Leichtbauweise, Recyclingfähigkeit und PCR-Verfahren treiben die Entwicklung neuer Kunststoffverschlüsse voran – Maypak

Die Kombination aus geringem Gewicht, Recyclingfähigkeit und Post-Consumer-Rezyklat (PCR) wird ein Schwerpunkt der Bemühungen der Branchenakteure sein, Verschlüsse und Verschlusskunststoffe nachhaltiger zu gestalten.

01. Siehe Leichtgewicht

In den letzten zwei Jahrzehnten ist das Gewicht von Getränkeverpackungen gesunken. Fortschritte bei der Teilekonstruktion, der Verarbeitung und den Materialien haben es der Industrie ermöglicht, Flaschen- und Verschlusslösungen mit geringerer Umweltbelastung zu entwickeln, da weniger Rohstoffe produziert, verarbeitet und transportiert werden müssen.

Eine Aktualisierung der Designnorm für Flaschenhalsabschlüsse, insbesondere der Auflagefläche des Verschlusses, unterstützt den Trend zu leichteren Flaschen. So führte beispielsweise die Umstellung von der PCO-1810-Abdichtung für kohlensäurehaltige Erfrischungsgetränke auf die aktuelle Norm PCO 1881 zu einer Gewichtsreduzierung des Verschlusses um 25–35 %, bei gleichzeitig ähnlicher Gewichtsreduzierung der Abdichtung selbst. Die Einführung der neuesten Norm für Flaschenhalsabschlüsse (26/22) dürfte in den nächsten Jahren einen weiteren wichtigen Wandel mit sich bringen.

Bei Anwendungen wie leichten Wasserflaschen gehen einige davon aus, dass das Potenzial zur Gewichtsreduzierung ausgeschöpft ist. Daher gewinnt die Steigerung der Produktionskapazität zunehmend an Bedeutung. Da die Anforderungen an Leistung und Maßtoleranzen dieser leichten Verschlüsse immer enger werden, genügen die vor nur zehn Jahren gängigen Polyethylen-(PE-)Typen oft nicht mehr den Verarbeitungs- und Funktionsanforderungen neuer Designs.

Um diesen Einschränkungen von Standardkunststoffen zu begegnen, haben Materiallieferanten Hochleistungs-PE-Kunststoffe mit verbesserten mechanischen Eigenschaften entwickelt, die das Gewicht von Kappen und Verschlüssen weiter reduzieren können.

Diese Eigenschaften beruhen auf Fortschritten im Harzdesign, wie etwa der bimodalen Molekulargewichtsverteilung und der Verwendung von Octen-Comonomeren, die gegenüber herkömmlichen PE-Harzen einzigartige Vorteile bieten.

Hochleistungskunststoffe erhöhen die Spannungsrissbeständigkeit dünnwandiger Bauteile, verbessern die Kriechfestigkeit und Barriereeigenschaften kohlensäurehaltiger oder dosierter Getränke und ermöglichen einen höheren Materialfluss für größere, mehrkavitätenreiche Formen, mit denen sich mehr Teile gleichzeitig herstellen lassen. Die Industrie wird die Entwicklung dünnerer und leichterer Verschlüsse mit modernen Hochleistungs-PE-Kunststoffen weiter vorantreiben, um die gewünschte Leistung zu gewährleisten.

02. Design für Recyclingfähigkeit

Da die Kreislaufwirtschaft immer mehr an Bedeutung gewinnt, rückt die Recyclingfähigkeit von Produkten entlang der gesamten Wertschöpfungskette stärker in den Fokus als je zuvor. Verschlüsse, die früher aus zwei oder mehr Materialien bestanden, um Anforderungen wie Manipulationssicherheit oder Dichtigkeit zu erfüllen, sind heute aus vollständig recycelbaren Einzelmaterialien erhältlich.

Während Kosten und Produktionseffizienz weiterhin wichtige Faktoren darstellen, werden neue Recyclingrichtlinien und -vorschriften die Entwicklung moderner Verschlüsse prägen und das Interesse an Elementen wie Bindemitteln und recycelbaren Barriereharzen steigern.

Früher waren zweiteilige Verschlüsse Standard, bestehend aus einer Polypropylen-(PP-)Hülle mit einer Polyethylen-(LDPE-) oder einer alternativen Auskleidung, um eine ausreichende Dichtigkeit zu gewährleisten. Zweiteilige Verschlüsse sind in einigen Regionen Nordamerikas und bei bestimmten Getränkeanwendungen noch üblich, werden aber in den meisten Regionen zugunsten sensorisch hochwertiger, unbeschichteter Polyethylen-(HDPE-)Flaschenverschlüsse schrittweise ersetzt. Diese einteiligen Verschlüsse vereinfachen nicht nur die Lieferkette, reduzieren die Verformung des Flaschenhalses und verbessern die Dichtigkeit, sondern erleichtern auch die Einführung von Verschlüssen aus nur einem Material.

Ein weiterer Aspekt, der bei der Entwicklung von Verschlüssen im Hinblick auf Recyclingfähigkeit zu berücksichtigen ist, betrifft den Markt für flexible Lebensmittelverpackungen. Alle PE-Standbodenbeutel (SUPs) sind so konzipiert, dass sie herkömmliche SUPs ersetzen und Hybridmaterialien verwenden, um die Leistungsanforderungen zu erfüllen.

Mit der Entwicklung fortschrittlicher PE-Kunststoffe mit deutlich verbesserten Eigenschaften wie Barriere- und Siegelfähigkeit können immer mehr Anwendungen durch PE-basierte Folienstrukturen ersetzt werden, um vollständig recycelbare Standbodenbeutel herzustellen. Einige dieser Beutel enthalten auch Düsen und Zubehör aus PP oder PE, insbesondere für Produkte wie Babynahrung, Gewürze und Soßen. Um die gesamte Verpackung recycelbar zu machen, wird erwartet, dass die Verwendung von Voll-PE-Beuteln, -Anschlüssen und -Verschlüssen gängiger wird.

Die Befestigung von Verschlüssen mit einem Kabelbinder ist in Nordamerika eine zunehmend verbreitete Lösung, die dazu beiträgt, dass die Verschlüsse zusammen mit dem Behälter gesammelt werden und gleichzeitig die Umweltverschmutzung reduziert wird. Ab 2024 wird die Europäische Union (EU) im Rahmen der Richtlinie über Einwegkunststoffe vorschreiben, dass Kunststoffverschlüsse für alle Behälter unter 3 Litern dauerhaft befestigt sein müssen. Diese Gesetzgebung hat die Getränkeindustrie erheblich verändert und erfordert neue und innovative Designs.

Analog zur EU könnten ähnliche Gesetze auch in Nordamerika und anderen Regionen eingeführt werden. Die Befestigung mit Verbindungsstücken bietet zudem die Möglichkeit zur Produktdifferenzierung und könnte in Nordamerika an Bedeutung gewinnen, da multinationale Unternehmen bestrebt sind, globale, geschlossene Designs zu integrieren. Die gemeinsame Entwicklung von Harzlieferanten und Verschlussdesignern wird diese neuen Designs fördern und das Potenzial von Materialien mit höherer Zugfestigkeit und besseren Fließeigenschaften für Klebe- und Scharnierverschlüsse erschließen.

03. Bindungs-PCR

Verarbeiter setzen in bestimmten Branchen seit vielen Jahren erfolgreich Post-Industrial-Rezyklone (PIR), auch bekannt als Schrott-/Regranulatmaterialien, in Formteilen ein. Die Verwendung von PCR geht noch einen Schritt weiter, indem Material genutzt wird, das zuvor von Verbrauchern oder in industriellen Endanwendungen eingesetzt wurde.

Für die effektive Integration von PCR in Dichtungen für Anwendungen mit und ohne Lebensmittelkontakt müssen zahlreiche Faktoren berücksichtigt werden. Zukünftig werden diese Faktoren eine größere Rolle bei der Bestimmung des optimalen PCR-Anteils im Neuware-Harz spielen, da Unternehmen den Recyclinganteil in Verschlüssen und Kappen maximieren wollen.

Die wohl größte Herausforderung bei der Integration von PCR in Verschlüsse ist derzeit die begrenzte Verfügbarkeit geeigneter PCR-Lieferketten, insbesondere für Lebensmittel- und Getränkeverpackungen. Für PE ist recyceltes HDPE (rHDPE) aus Milch- und Flaschenverpackungen aktuell das einzige gängige Material, das für den Lebensmittelkontakt zugelassen ist.

Eine der Herausforderungen bei der Verwendung von ursprünglich für das Blasformen entwickelten Kunststoffen besteht darin, dass ihre Eigenschaften nicht für das Spritzgießen (und in geringerem Maße auch für das Formpressen) optimiert sind. Diese Produktionsmethoden unterscheiden sich grundlegend, und die hohe Viskosität von Blasformkunststoffen stellt eine Herausforderung bei der Verarbeitung auf einer Produktionslinie dar, die für die Verarbeitung von Kunststoffen mit deutlich niedrigerer Viskosität ausgelegt ist, wie sie üblicherweise für Verschlüsse verwendet werden. Weitere wichtige Aspekte der Lieferkette sind Qualität, Konsistenz und Zuverlässigkeit.

Die wichtigsten technischen Faktoren bei der Entwicklung von Verschlüssen mit PCR-Anteil sind Material, Verarbeitung, Anwendungsanforderungen und Teilekonstruktion. Die Eigenschaften von PCR unterscheiden sich von denen des ursprünglichen Harzes. Materialeigenschaften wie mechanische Eigenschaften, Rheologie, Farbe, Optik und sensorische Eigenschaften entscheiden darüber, ob ein Material für eine bestimmte Anwendung geeignet ist.

Gleichzeitig müssen die Formgeber feststellen, ob die Teile ohne größere Änderungen an den bestehenden Formanlagen und dem Durchsatz hergestellt werden können oder ob zusätzliche Schritte im Zusammenhang mit Lagerung, Handhabung und Mischung erforderlich sind.

In den meisten Fällen sind die Materialspezifikationen für PCR sehr breit gefasst. In Kombination mit den prinzipbedingten Unterschieden zwischen den heute verfügbaren PCRs und den ursprünglichen Kappen- und Verschlusskunststoffen ergibt sich ein verändertes Prozessfenster mit zusätzlicher Variabilität in Größe und Teileperformance. Wenn Verarbeiter diese Unterschiede bei der Kappenproduktion nicht vollständig verstehen und berücksichtigen, können weitere Herausforderungen bei der Abfüllung und Endanwendung auftreten.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, sollte die Konstruktion der Düse im Hinblick auf die Anwendungsanforderungen bewertet werden. Aus Nachhaltigkeitssicht ist es wichtig, die Vorteile des geringen Gewichts in Kombination mit den Vorteilen der Polymer-Katalysator-Technologie (PCR) abzuwägen, um zu ermitteln, welcher Ansatz praktikabler ist und welche Vorteile hinsichtlich der Umweltbelastung bietet.

Für PCR geeignete, „PCR-fähige“ Neuware-Kunststoffe könnten häufiger zum Einsatz kommen, da verstärkt neue Recycling-PE-Lieferketten erschlossen werden. In vielen Fällen bieten die gleichen Entwicklungen bei Verschlusskunststoffen, die zu einer Gewichtsreduzierung beitragen, auch verbesserte mechanische und rheologische Eigenschaften. Dies ermöglicht es Verarbeitern und Markeninhabern, mehr Recyclingmaterial in Verschlüssen und Lebensmittelverpackungen zu verwenden.

Diese auf Nachhaltigkeit ausgerichteten Innovationen bei Verschlüssen und Kappenkunststoffen werden sich voraussichtlich in den nächsten zehn Jahren fortsetzen, da die Nachfrage von Gesetzgebern und Verbrauchern neue Geschäftslösungen vorantreibt. Die Zusammenarbeit der Akteure entlang der Lieferkette (Hersteller, Werkzeugmacher, Markeninhaber und Materiallieferanten) wird diese Entwicklung Jahr für Jahr fördern.

Es lässt sich nicht genau vorhersagen, wie unterschiedlich die Schließungen bis zum Ende des Jahrhunderts aussehen werden, aber sie werden mit Sicherheit die heutigen, noch jungen Innovationen im Bereich der Nachhaltigkeit einbeziehen.