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Verbesserung der Entleerbarkeit von Verpackungen: Identifikation relevanter Grenzflächenparameter und Entwicklung von Lösungskonzepten

Motivation

Große Mengen an Produktrückständen, die an Packstoffoberflächen anhaften, können nicht der bestimmungsgemäßen Verwendung zugeführt werden. Dieses insbesondere für viele hochviskose Produkte (vgl. Senf in Abbildung 1) zu beobachtende Phänomen zieht sich durch die gesamte Wertschöpfungskette. Die nicht verwendbaren Produktanteile werden unter Verbrauch natürlicher Ressourcen und entsprechender finanzieller Mittel produziert, vertrieben, und nach dem Durchlaufen der Konsumstufe in privaten Haushalten oder bei industriellen Verbrauchern der Verwertung zugeführt. Es ergibt sich somit ein großes Einsparpotenzial im Hinblick auf Kosten und Primärenergie.

Abbildung 1: Beispiel für eine nach dem Stand der Technik „entleerte“ Senfverpackung.

Ziel

Es sollen grundsätzliche Erkenntnisse zum Verhalten dünner Flüssigkeitsfilme an Packstoffoberflächen gewonnen werden. Grenzflächennahe Phänomene bei der Be- und Entnetzung fester Oberflächen durch ruhende und strömende Flüssigkeitsfilme werden klassifiziert, strömungsmechanisch beschrieben und mit chemisch-physikalischen Stoffeigenschaften korreliert. Darauf aufbauend werden Lösungskonzepte entwickelt, die versuchen, die chemisch-physikalischen Eigenschaften von Packstoffen so zu verändern, dass die grundsätzliche Kompatibilität mit dem Füllgut erhalten bleibt, gleichzeitig aber adhäsive Wechselwirkungen auf ein  unvermeidbares Minimum reduziert werden.

Vorgehen

Abbildung 2: 3D-Entwurf des Versuchsstandes für die Durchführung von Abfließversuchen.

Bisherige Arbeiten, die sich aus einer strömungsmechanischen Perspektive mit dünnen Flüssigkeitsfilmen beschäftigen, gehen stark vereinfachend häufig davon aus, dass die Materialeigenschaften der Oberfläche auf den strömenden Flüssigkeitsfilm keinen Einfluss haben. Um Lösungsstrategien entwickeln zu können, müssen daher die grundlegenden Phänomene im geschlossenen Packstoff-Füllgut-System besser verstanden werden. Nach einer Auswahl für die Problemstellung relevanter Materialien (Packstoffe, Füllgüter) und deren chemischer und physikalischer Charakterisierung werden an vorhandenen Versuchseinrichtungen (vgl. Abbildung 2) Versuche zum Fließ- und Entnetzungsverhalten der verschiedenen Packstoff-Füllgut-Kombinationen durchgeführt. Diese Versuche erfolgen in Abstraktion einer realen Verpackung am zweidimensionalen, ebenen Modell. Dabei wird neben der Klassifizierung der Entnetzungsmorphologie (Art und Verlauf der Entnetzung bzw. dynamische Veränderung des Erscheinungsbilds des Flüssigkeitsfilms) auch eine quantitative Bewertung des Entleerungsverhaltens vorgenommen.
Extremfälle im Entleerungsverhalten (besonders geringe bzw. besonders hohe Mengen an anhaftenden Produktrückständen) werden selektiert und im nächsten Schritt einer genaueren Analyse an der Grenzfläche unterzogen. Um die Mechanismen für die beobachteten Phänomene identifizieren zu können, werden anschließend mittels statistischer Versuchsplanung gezielte  Parametervariationen bei Füllgütern und Packstoffen durchgeführt. Damit wird es möglich sein, die Beiträge verschiedener Materialeigenschaften zum Verhalten dünner Flüssigkeitsfilme auf Packstoffoberflächen qualitativ und quantitativ zu beschreiben. Im Hinblick auf praktisch anwendbare Konzepte ist daneben immer die Frage zu stellen, ob es Lösungen für das Entleerungsproblem gibt, die sich klar durch ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften abgrenzen und einer durch analoge Parameter definierten Füllgutklasse zuordnen lassen. Sind die ergebnisrelevanten Eigenschaften der Füllgüter unter realen Bedingungen bekannt, ist eine darauf gerichtete Abstimmung der Festkörperoberflächen möglich.

Ansprechpartner

Agnes Auer-Seidl


Das IGF-Vorhaben 16268 N der Forschungsvereinigung Industrievereinigung für Lebensmitteltechnologie und Verpackung e. V. – IVLV, Schragenhofstr. 35, 80992 München, 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.