EN
Materialwissenschaft: Warum PET eine überlegene Barriereleistung bietet
Die inhärente Steifigkeit, Transparenz und molekulare Dichte gewährleisten strukturelle Integrität und geringe Durchlässigkeit
Die Feuchtigkeitsdurchlässigkeitsraten sind im Vergleich zu anderen Verpackungsmaterialien ebenfalls sehr niedrig, bedingt durch PET/EVOH und PET/PE. Beispielsweise betragen die Feuchtigkeitsdurchlässigkeitsraten von PET/EVOH und PET/PE weniger als 0,8 g/m²/Tag. Diese niedrige Durchlässigkeitsrate trägt dazu bei, den Feuchtigkeitsgehalt der verpackten Obst- und Gemüsewaren zu bewahren und das Bakterienwachstum einzuschränken. Neben den niedrigen Feuchtigkeitsdurchlässigkeitsraten ermöglichen weitere inhärente und wünschenswerte Materialeigenschaften von PET – wie mechanische Festigkeit, Sperrwirkung und Transparenz – den Einsatz von PET in einer breiten Palette von Anwendungen. Eine solche Oberflächensperranwendung ist beispielsweise die PET-Clamshell-Verpackung sowie PET-Kartons, die als Verpackungsmaterial eingesetzt werden. Im Hinblick auf die kristalline Struktur von PET weist PET im kristallinen Zustand niedrige Werte sowohl für die Feuchtigkeits- als auch für die Sauerstoffdurchlässigkeit auf. Diese Sauerstoffdurchlässigkeitsraten sind der Grund dafür, dass PET-Clamshell-Behälter nicht mit anderen Kunststoffen kombiniert werden müssen, um die Integrität der darin enthaltenen Produkte zu gewährleisten. PET-Proben weisen OTR-Werte (Sauerstoffdurchlässigkeitsraten) von 0,5 cm³/m²/Tag auf, was zehnmal niedriger ist als der OTR von haushaltsüblichem PP.
Sauerstoff- und Feuchtigkeitssperreigenschaften von PET im Vergleich zu rPET: Einfluss des Anteils an Recyclingmaterial
Abgesehen davon, dass neue Materialien Grenzen überschreiten, scheint rPET dies in der Praxis nicht in gleichem Maße zu tun. Unabhängige Tests von neuem PET und rPET ergaben Unterschiede bei der Sauerstoffdurchlässigkeit (OTR) und der Wasserdampfdurchlässigkeit (MVTR), die im Allgemeinen weniger als 5 % betrugen. Dies hängt damit zusammen, dass rPET (über mechanisches Recycling) das Polyestermonomer (Ethylenterephthalat) nicht abbaut, das von vornherein für diese Barriereeigenschaften verantwortlich ist. Dies ist eine wichtige Tatsache im Hinblick auf durchlässigere Barrieren, wie sie beispielsweise bei Haustier-Clamshells auftreten. Und genau darin liegt die Schwierigkeit. Mehrfaches Recycling kann paradoxerweise die Durchlässigkeit der Materialien gegenüber Sauerstoff um bis zu 12 % erhöhen – wahrscheinlich noch stärker, wenn die Verarbeitungstemperatur über 280 °C gehalten wird. Die meisten heutigen Recyclinganlagen versuchen, dies durch neue und innovative Filterkonstruktionen zu vermeiden, um jene störenden Verunreinigungen möglichst gering zu halten, die zuvor Probleme mit den Barriereeigenschaften verursacht hatten. Heutiges Lebensmittel-verträgliches rPET weist Feuchtigkeitsbarriereeigenschaften auf, die erforderlich sind, mit einer MVTR von 0,1 bis 0,3 Gramm pro Quadratmeter pro Tag – selbst bei rPET mit einem Anteil an recyceltem Material von bis zu 30 %. Das bedeutet, dass Unternehmen ihre ökologischen Ziele erreichen können, ohne die Haltbarkeit ihrer Produkte zu beeinträchtigen.
Sperrfunktion in Aktion: Kontrolle der Sauerstoff- und Feuchtigkeitsdurchlässigkeit
Referenz-Sauerstoffdurchlässigkeitsrate (OTR) für PET-Clamshells und Vergleich mit anderen Materialien
Bei Klappverpackungen bietet Polyethylenterephthalat (PET) einen Wettbewerbsvorteil: Die Sauerstoffdurchlässigkeit beträgt nur 5 bis 10 cm³ pro Quadratmeter pro Tag. Dies stellt eine deutliche Verbesserung gegenüber den meisten Verpackungsmaterialien dar. So liegen die Durchlässigkeitsraten bei Standard-Polypropylen-Behältern bei 50 bis 150 cm³/m²/Tag, während Polystyrol-Produkte noch höhere Durchlässigkeitsraten von 200 bis 400 cm³/m²/Tag aufweisen. Aufgrund dieser geringen Sauerstoffdurchlässigkeit entsteht in der Verpackung weniger Schaden an getrockneten Lebensmitteln. Beispielsweise verfärben sich Beeren nicht so rasch braun, und Blattgemüse verliert weniger Nährstoffe – insbesondere wird über die Zeit deutlich weniger Vitamin C abgebaut. Doch worin liegt die Ursache für diese erhebliche Verbesserung durch PET? Die Antwort liegt in seiner kristallinen Struktur. Diese Struktur erzeugt winzige Öffnungen in der Barriere, sodass Sauerstoffmoleküle schwerer durch die Barriere hindurchdringen können. Dadurch bleiben Lebensmittel geschmackvoller und nährstoffreicher und behalten länger ihre Frische. PET ist daher eine optimale Wahl für weniger stabile Lebensmittelprodukte, die einen erhöhten Schutz benötigen.
Feuchtigkeitsdampfdurchlässigkeitsrate (MVTR) und ihre Rolle bei der Steuerung der Atmung von Gemüse und Obst sowie der Kondensation
Die MVTR-Bereiche für PET liegen bei etwa 1–2 g/m²/Tag und tragen in diesem Fall zur Feuchtigkeitsregulierung in Klappverpackungen bei. Früchte setzen im Zuge ihrer Atmung 20–50 mg Wasserdampf pro Kilogramm Frucht pro Stunde frei. Wird die Luftfeuchtigkeit nicht kontrolliert, verderben die Produkte und zeigen unerwünschte Veränderungen. PET eignet sich hervorragend, da es wasserbeständig ist und so das Austrocknen sowie Gewichtsverlust minimiert. Behälter mit Kirschtomaten und Trauben werden beispielsweise weder matschig noch weich.
Verwendung von PET-Klappverpackungen für eine längere praktische Haltbarkeit
Bestätigte Fallstudie: USDA-FDA-Forschungsstudie mit einer um 4–7 Tage verlängerten Haltbarkeit von Erdbeeren
Eine kürzlich durchgeführte gemeinsame Studie des USDA und der FDA zeigt, dass Erdbeeren in PET-Schalen vier bis sieben Tage länger haltbar sind als bei herkömmlicher Verpackung. Die Forscher stellten fest, dass die PET-Schalen eine doppelte Funktion erfüllen: Mit einer Sauerstoffdurchlässigkeitsrate (OTR) von < 0,5 cm³/m²/Tag wurde die Oxidation – und damit das gleichzeitige Auftreten unschöner brauner Flecken – reduziert. Gleichzeitig wird die mikroskopische Feuchtigkeitsdampfdurchlässigkeit kontrolliert, wodurch im Inneren der Verpackung die optimale Luftfeuchtigkeit und Feuchtigkeit gewährleistet wird. Diese Kontrolle führte zu einer etwa 60-prozentigen Verringerung der mikrobiellen Wachstumsrate und verlängerte somit die Haltbarkeit des Produkts. Diese Erkenntnisse tragen wesentlich zur Minderung des gravierenden Problems der Lebensmittelverschwendung bei. Der USDA Agricultural Research Service (2023) stellte fest, dass frische Beeren – eine Kulturpflanze mit einem jährlichen Marktwert von 6,2 Milliarden US-Dollar in den USA – jährlich zu schätzungsweise 30 % verloren gehen, hauptsächlich aufgrund unzureichender oder schlecht konzipierter Verpackungen. Einzelhändler berichteten zudem, dass Erdbeeren in PET-Verpackungen nach zehn Tagen Lagerung noch 15 % mehr Vitamin C enthielten, was einen gesundheitlichen Nutzen darstellt. Dies belegt, dass die Verpackung den Nährwert erhält, und verdeutlicht, dass Barriereeigenschaften von Verpackungen nicht nur abstrakte Zahlenwerte sind, sondern sich direkt in einem messbaren, gesundheitlichen Mehrwert niederschlagen. Im Fall von Erdbeeren leistet PET also mehr mit weniger.
Design-Integration: Lüftung, Dichtungsintegrität und Feuchtigkeitsmanagement in PET-Clamshell-Verpackungen
Gute Dichtungen, Lüftung und Feuchtigkeitskontrolle müssen bei der Konstruktion von PET-Clamshell-Verpackungen als ein komplexes, nahtloses System – und nicht als separate Systeme – betrachtet und ausgelegt werden. Die kleinen Löcher, die wir mittels Laserschnitt an verschiedenen Stellen erzeugen, fungieren als Mikroventile, die genau die richtige Luftmenge zirkulieren lassen, um bei ethylenproduzierenden Produkten die Bildung von Kondenswasser zu verringern. Die Schnappverschlüsse, die wir entwerfen, werden durch einen Silikonwerkzeugprozess hergestellt, der Verschlusssysteme erzeugt, die buchstäblich mit einem „Klick“ schließen und so eine dreifache Barriere gegen das Eindringen kontaminierender Schmutzpartikel, das Austreten entstehender Gase sowie den vorzeitigen Verlust von Feuchtigkeit bilden. Das charakteristische Merkmal von PET-Verpackungen für Obst und Gemüse ist ihre gezielte Auslegung hinsichtlich der Wasserdampfdurchlässigkeit (Moisture Vapor Transmission Rate, MVTR), wodurch der Gleichgewichtsfeuchtegehalt des Produkts gleichermaßen stabilisiert wird. Sie sind so konzipiert, dass sie die „ideale“ Balance zwischen Trockenheit und Feuchtigkeit herstellen, um unerwünschtes Schimmelpilzwachstum, überschüssige Feuchtigkeit und Endfäule zu vermeiden. Kontrollierte Mikroklimabedingungen verlangsamen die Atmungsrate des Gemüses und Obstes. Die Verpackung verzögert den Zeitpunkt, zu dem sich Schimmelpilzsporen zu entwickeln beginnen, und bewahrt die unansehnliche, schrumpelige Texturveränderung bei Erdbeeren. Sie stellt ein perfektes Beispiel für eine Verpackung dar, die die Haltbarkeit tatsächlich verlängert.
Häufig gestellte Fragen
Was ist PET und warum wird es für Verpackungen verwendet?
PET ist eine Kunststoffart namens Polyethylenterephthalat. Es ist sehr dicht und weist eine deutlich erkennbare halbkristalline Struktur auf. Dadurch stellt es eine ausgezeichnete Barriere gegen Gase und Feuchtigkeit dar. Somit eignet es sich hervorragend für Verpackungszwecke, da es die Frische der Produkte bewahrt und die Sichtbarkeit schützt.
Wie sind die Barriereeigenschaften von recyceltem PET (rPET) im Vergleich zu neuem PET?
Im Vergleich zu neuem PET bietet rPET eine vergleichbare Barriereleistung; eventuelle Mängel liegen ausschließlich in den Feuchtigkeits- und Sauerstoffdurchlässigkeitsraten von rPET, die im Allgemeinen 5 % oder weniger betragen. Bei der Wiederverwertung nimmt die Barriereleistung normalerweise ab. Dies stellt bei den heutigen Recyclingtechnologien jedoch weniger ein Problem dar.
Wie tragen PET-Clamshells dazu bei, dass Produkte länger frisch bleiben?
PET-Clamshells weisen eine niedrige Durchlässigkeit sowohl für Sauerstoff als auch für Feuchtigkeit auf. Dadurch lässt sich die Luftfeuchtigkeit besser kontrollieren und die Oxidationsrate verlangsamen, wodurch die Frische der Produkte länger erhalten bleibt. Die USDA-FDA führte eine Studie durch, aus der hervorging, dass Erdbeeren, die in PET-Clamshells verpackt waren, 4 bis 7 Tage länger frisch blieben als Erdbeeren in Standardverpackungen.