Barriereeigenschaften von Folien: Messung und Merkmale

Eine Barrierefolie erfüllt eine wichtige Aufgabe: Sie begrenzt den Durchtritt von Stoffen, die den Schutz des Produkts beeinträchtigen können.

Sauerstoff, Wasserdampf und CO₂ durchdringen Materialien auf unterschiedliche Weise. Deshalb gibt es nicht nur einen einzigen Messwert für die Barrierewirkung, sondern spezifische Parameter, mit denen das Verhalten einer Folie unter den jeweils relevanten Bedingungen quantifiziert werden kann.

OTR, WVTR und CO₂TR sind die wichtigsten Kennwerte zur Bewertung der Sauerstoff-, Wasserdampf- beziehungsweise Kohlendioxidtransmission.

Ihre Bestimmung ermöglicht es, neue Folien zu entwickeln, Mehrschichtstrukturen und Laminate zu optimieren, die Leistungsfähigkeit eines Materials zu überprüfen und die Qualitätskontrolle zu unterstützen.

ExtraSolution bietet Lösungen zur Messung dieser Eigenschaften bei Kunststofffolien, Barrierematerialien und Mehrschichtstrukturen.

Was sind die Barriereeigenschaften von Folien?

Die Barriereeigenschaften geben an, wie wirksam ein Material den Durchtritt von Gasen, Wasserdampf oder anderen Stoffen durch seine Struktur begrenzen kann.

Eine Folie weist nicht zwangsläufig gegenüber allen permeierenden Stoffen dasselbe Verhalten auf. Die Sauerstoffbarriere kann beispielsweise anders ausfallen als die Wasserdampf- oder CO₂-Barriere.

Deshalb muss die Bewertung von dem Stoff ausgehen, dessen Durchtritt kontrolliert werden soll, sowie von der vorgesehenen Anwendung des Materials.

Bei Verpackungen sind insbesondere folgende Barriereeigenschaften relevant:

  • Sauerstoff (O₂);
  • Wasserdampf;
  • Kohlendioxid (CO₂);
  • weitere Gase, sofern dies für die jeweilige Anwendung erforderlich ist.

Das erforderliche Barrierenniveau hängt vom Produkt, der vorgesehenen Haltbarkeitsdauer und den Bedingungen ab, denen die Verpackung ausgesetzt sein wird.

Warum sind Barriereeigenschaften wichtig?

Die Barrierewirkung trägt dazu bei, den Stoffaustausch zwischen dem Inneren einer Verpackung und der äußeren Umgebung zu kontrollieren.

Je nach Produkt kann die Begrenzung des Eindringens von Sauerstoff oder Feuchtigkeit beziehungsweise des CO₂-Austauschs dazu beitragen, die Produkteigenschaften und den Produktzustand während der Lagerung zu bewahren.

Die Bewertung der Barriereeigenschaften ist daher in verschiedenen Phasen hilfreich:

  • Entwicklung neuer Materialien;
  • Auswahl der am besten geeigneten Folie;
  • Entwicklung von Mehrschichtstrukturen;
  • Optimierung von Laminaten und Beschichtungen;
  • Anpassung von Materialformulierungen oder Produktionsprozessen;
  • Qualifizierung von Materialien;
  • Produktionskontrolle;
  • Überprüfung technischer Spezifikationen.

Experimentelle Messdaten ermöglichen es, eine allgemeine Materialeigenschaft in eine quantifizierbare Leistung zu überführen.

OTR, WVTR und CO₂TR: die wichtigsten Parameter

Die Auswahl des Parameters hängt davon ab, welcher Stoff untersucht werden soll.

OTR – Oxygen Transmission Rate

Der OTR gibt an, wie schnell Sauerstoff ein Material durchdringt.

Er ist einer der wichtigsten Parameter zur Bewertung der Sauerstoffbarriere von Folien und Verpackungsstrukturen.

Bei identischen Prüfbedingungen weist ein niedrigerer OTR-Wert auf eine geringere Sauerstofftransmission hin.

Weitere Informationen finden Sie auf der Seite [Permeabilità all’ossigeno e OTR → Sauerstoffdurchlässigkeit und OTR: Messung und Analyse].

WVTR – Water Vapor Transmission Rate

Der WVTR beschreibt die Geschwindigkeit, mit der Wasserdampf durch eine Probe hindurchtritt.

Dieser Parameter wird zur Bewertung des Schutzes vor Feuchtigkeit verwendet. Er ist besonders wichtig für Materialien, die in Lebensmittel- und Pharmaverpackungen sowie in anderen feuchtigkeitsempfindlichen Anwendungen eingesetzt werden.

Bei identischen Prüfbedingungen entspricht ein niedrigerer WVTR-Wert einer geringeren Wasserdampftransmission.

Weitere Informationen finden Sie auf der Seite [Permeabilità al vapor d’acqua e WVTR → Wasserdampfdurchlässigkeit und WVTR: Messung und Analyse].

CO₂TR – Carbon Dioxide Transmission Rate

Der CO₂TR gibt die Geschwindigkeit an, mit der Kohlendioxid ein Material durchdringt.

Dieser Parameter ist relevant, wenn der CO₂-Austausch eine wichtige Eigenschaft des Produkts oder der jeweiligen Anwendung darstellt.

Weitere Informationen finden Sie auf der Seite [Permeabilità alla CO₂ e CO₂TR → CO₂-Durchlässigkeit und CO₂TR: Messung und Analyse].

Barrierefolien: Materialien und Strukturen

Die Leistungsfähigkeit einer Folie hängt von der Kombination der verwendeten Materialien, den Schichtdicken und den eingesetzten Herstellungstechnologien ab.

Die Barrierefunktion kann durch verschiedene Ansätze erreicht werden, darunter:

  • spezielle Polymere;
  • Materialkombinationen;
  • Mehrschichtstrukturen;
  • Laminierung;
  • Coextrusion;
  • Oberflächenbeschichtungen;
  • spezielle Behandlungen.

Hochbarrierefolien werden so entwickelt, dass sie einen besonders hohen Schutz gegenüber einem oder mehreren permeierenden Stoffen bieten.

Die Wahl der geeigneten Lösung hängt nicht nur von den geforderten Barriereeigenschaften ab, sondern auch von Faktoren wie Verarbeitbarkeit, mechanischen Eigenschaften, Siegelbarkeit, Transparenz und Kosten.

Barriereeigenschaften von Mehrschichtfolien

Bei Mehrschichtfolien kann jede Schicht eine bestimmte Funktion erfüllen.

Eine Struktur kann beispielsweise folgende Schichten kombinieren:

  • eine Schicht für die mechanischen Eigenschaften;
  • eine Barriereschicht;
  • eine Siegelschicht;
  • eine Schutzschicht;
  • eine Klebstoff- oder Zwischenschicht.

Das Endergebnis hängt vom Zusammenspiel der verschiedenen Bestandteile der Struktur ab.

Wenn ein Material als Laminat oder Mehrschichtfolie eingesetzt wird, ist es deshalb wichtig, seine Leistungsfähigkeit in der endgültigen Konfiguration zu bewerten und nicht nur die einzelnen Bestandteile separat zu untersuchen.

Mit diesem Ansatz lässt sich überprüfen, wie sich Änderungen der Dicke, der Zusammensetzung oder der Schichtreihenfolge auswirken.

Weitere Informationen zur Messung der Eigenschaften von Mehrschichtfolien und Laminaten finden Sie auf der Seite Messung der Durchlässigkeit von Mehrschichtfolien und Laminaten.

Wovon hängen die Barriereeigenschaften ab?

Die Barriereleistung einer Folie wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst.

Material

Die chemische Struktur des Materials bestimmt, wie Gase und Wasserdampf mit der Folie interagieren.

Deshalb können unterschiedliche Materialien selbst dann ein sehr unterschiedliches Verhalten zeigen, wenn sie für dieselbe Anwendung vorgesehen sind.

Dicke

Die Dicke kann die Transmission durch ein Material beeinflussen.

Beim Vergleich unterschiedlicher Folien muss dieser Parameter zusammen mit der Zusammensetzung und der Struktur der Probe berücksichtigt werden.

Temperatur

Die Temperatur kann sowohl die Eigenschaften des Materials als auch die Transmissionsgeschwindigkeit verändern.

Ergebnisse, die bei unterschiedlichen Temperaturen ermittelt wurden, lassen sich deshalb nicht unmittelbar vergleichen, ohne die jeweiligen Prüfbedingungen zu berücksichtigen.

Feuchtigkeit

Die relative Luftfeuchtigkeit ist besonders wichtig bei der Bewertung der Wasserdampfbarriere.

Auch die Umgebungsbedingungen können das Verhalten bestimmter Materialien beeinflussen und müssen entsprechend dem verwendeten Prüfverfahren festgelegt werden.

Struktur und Behandlungen

Laminierung, Coextrusion, Beschichtungen und Oberflächenbehandlungen können die endgültige Leistungsfähigkeit erheblich verändern.

Deshalb ist die Prüfung des fertigen Produkts häufig entscheidend, um das tatsächliche Verhalten der gesamten Struktur zu überprüfen.

Wie werden die Barriereeigenschaften bewertet?

Die Bewertung erfolgt mithilfe spezifischer Prüfverfahren für das jeweilige Gas oder den jeweiligen Dampf.

Im Allgemeinen wird die Probe kontrollierten Bedingungen ausgesetzt und die Stoffmenge gemessen, die innerhalb eines bestimmten Zeitraums durch das Material hindurchtritt.

Der ermittelte Parameter hängt vom verwendeten Verfahren ab:

  • OTR für Sauerstoff;
  • WVTR für Wasserdampf;
  • CO₂TR für Kohlendioxid.

Damit die Ergebnisse interpretiert und miteinander verglichen werden können, müssen die Prüfbedingungen korrekt festgelegt werden. Dazu gehören unter anderem:

  • Temperatur;
  • relative Luftfeuchtigkeit, sofern relevant;
  • Druck;
  • verwendetes Gas;
  • exponierte Fläche;
  • Dicke;
  • Probenvorbereitung;
  • gegebenenfalls Vorkonditionierung.

Das Ergebnis muss daher immer zusammen mit den Bedingungen betrachtet werden, unter denen es ermittelt wurde.

Weitere Informationen zur Prüfung von Folien finden Sie auf der Seite Wie wird die Durchlässigkeit einer Kunststofffolie gemessen?.

Vertiefende Informationen zu den Messverfahren finden Sie außerdem auf den Seiten Gasdurchlässigkeit: Messung und Analyse] und Wie wird die Durchlässigkeit einer Kunststofffolie gemessen?.

Wie lassen sich Folien und Materialien vergleichen?

Ein wesentlicher Vorteil der Messung besteht darin, dass unterschiedliche Lösungen anhand quantitativer Daten miteinander verglichen werden können.

So lassen sich beispielsweise folgende Materialien und Eigenschaften bewerten:

  • Folien mit unterschiedlicher Zusammensetzung;
  • unterschiedliche Dicken;
  • einschichtige und mehrschichtige Strukturen;
  • Laminate;
  • neue Beschichtungen;
  • unterschiedliche Materialformulierungen;
  • Änderungen des Produktionsprozesses.

Der experimentelle Vergleich kann die Materialauswahl unterstützen und Leistungsunterschiede zwischen Lösungen aufzeigen, die für dieselbe Anwendung entwickelt wurden.

Barriereeigenschaften bei Verpackungen

Bei Verpackungen werden die erforderlichen Barriereeigenschaften anhand der Produktmerkmale und der Lagerbedingungen festgelegt.

Es gibt daher kein für alle Anwendungen gleichermaßen geeignetes Barrierenniveau. Das Material muss entsprechend den jeweiligen Anforderungen ausgewählt werden.

Die Bewertung kann folgende Bereiche umfassen:

  • Lebensmittelverpackungen;
  • flexible Verpackungen;
  • Kunststofffolien;
  • Laminate;
  • Mehrschichtstrukturen;
  • Pharmaverpackungen;
  • technische Anwendungen.

Bei der endgültigen Auswahl kann es erforderlich sein, mehrere Eigenschaften gleichzeitig zu bewerten und die Gasbarriere mit mechanischen, optischen und verarbeitungstechnischen Eigenschaften zu kombinieren.

Bei Verpackungen kann die Charakterisierung der Barriereeigenschaften Kunststofffolien, Laminate, Mehrschichtstrukturen und beschichtete Materialien umfassen. Weitere Informationen zu den verschiedenen Anwendungen finden Sie auf den Seiten Durchlässigkeitsmessung bei Lebensmittelverpackungen, Barriereprüfungen für Pharmaverpackungen] und Durchlässigkeitsmessung bei flexiblen Verpackungen.

Normen und Prüfbedingungen

Die Messung der Barriereeigenschaften kann nach unterschiedlichen Prüfverfahren und technischen Standards durchgeführt werden.

Das geeignete Verfahren hängt vom zu bestimmenden Parameter, vom Material und von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab.

Vor der Prüfung sollten deshalb folgende Aspekte festgelegt werden:

  • anzuwendender Standard oder Referenzmethode;
  • Temperatur;
  • relative Luftfeuchtigkeit, sofern vorgesehen;
  • Prüfgas;
  • Druckbedingungen;
  • Eigenschaften und Abmessungen der Probe;
  • gegebenenfalls Vorkonditionierung.

Definierte und kontrollierte Bedingungen sind entscheidend, um reproduzierbare und korrekt vergleichbare Ergebnisse zu erhalten.

Wie wählt man ein Messgerät zur Bestimmung der Barriereeigenschaften aus?

Die Auswahl des Messgeräts sollte von den Analysen ausgehen, die das Labor tatsächlich durchführen muss.

Zu den wichtigsten Auswahlkriterien gehören:

  • Art des zu untersuchenden Gases oder Dampfes;
  • Messbereich;
  • Art und Abmessungen der Proben;
  • Materialdicke;
  • Prüftemperatur;
  • Feuchtigkeitskontrolle;
  • Anzahl der Analysen;
  • Automatisierungsgrad;
  • Referenzstandard;
  • Notwendigkeit, eine oder mehrere Prüfarten durchzuführen.

Wenn ein Labor mit unterschiedlichen Materialien arbeitet oder mehrere Parameter bewerten muss, kann es sinnvoll sein, Systeme in Betracht zu ziehen, die verschiedene Analyseverfahren ermöglichen.

ExtraSolution-Lösungen

ExtraSolution bietet Messgeräte zur Bestimmung der wichtigsten Barriereeigenschaften von Folien, Membranen und Mehrschichtstrukturen.

Mit den verfügbaren Lösungen lassen sich folgende Eigenschaften und Materialien untersuchen:

  • Sauerstoffdurchlässigkeit;
  • Wasserdampfdurchlässigkeit;
  • CO₂-Durchlässigkeit;
  • Kunststofffolien;
  • Barrierefolien;
  • Laminate;
  • Mehrschichtstrukturen.

Die Gerätekonfiguration kann anhand des Materials, des zu bestimmenden Parameters, des Messbereichs und der erforderlichen Betriebsbedingungen ausgewählt werden.

Die Geräte kommen in Forschung und Entwicklung, bei der Materialqualifizierung und in der Qualitätskontrolle zum Einsatz.

Anwendungsbereiche

Die Bewertung der Barriereeigenschaften wird in verschiedenen Industriebereichen eingesetzt.

Lebensmittelverpackungen

Zur Überprüfung der Leistungsfähigkeit von Folien und Strukturen, die zum Schutz von Lebensmitteln eingesetzt werden.

Flexible Verpackungen

Zur Untersuchung von Folien, Laminaten und Mehrschichtstrukturen.

Pharmaverpackungen

Zur Bewertung von Materialien, die für Produkte eingesetzt werden, die empfindlich auf Umgebungsbedingungen reagieren.

Kunststofffolien und Barrierematerialien

Zum Vergleich unterschiedlicher Materialformulierungen, Strukturen und Dicken.

Forschung und Entwicklung

Zur Entwicklung neuer Materialien und zur Optimierung der Eigenschaften bestehender Strukturen.

Qualitätskontrolle

Zur Überprüfung gleichbleibender Leistungsmerkmale und der Übereinstimmung mit den Spezifikationen.

Lösungen zur Messung von Barriereeigenschafte

Die Wahl des Messgeräts hängt von den Eigenschaften ab, die charakterisiert werden sollen. Zur Messung mehrerer Parameter am selben Material stehen das TotalPerm sowie die Konfigurationen MultiPerm O2-CO2, MultiPerm O2-H2O und MultiPerm H2O-CO2 zur Verfügung. Für die spezifische Messung von Wasserdampf ist PermeH2O erhältlich.

Weitere Informationen zu Durchlässigkeitsmessungen

Die Barriereeigenschaften lassen sich anhand spezifischer Parameter bewerten, die je nach untersuchtem Stoff ausgewählt werden.

Weitere Informationen finden Sie auf folgenden Seiten:

Kontaktieren Sie ExtraSolution, um die passende Lösung zur Messung der Barriereeigenschaften Ihrer Materialien zu finden.