In der Schüttgut produzierenden und verarbeitenden Industrie werden verschiedene pulverförmige Produkte für unterschiedlichste Zwecke in kleinen und großen Mengen in flexible Gebinde verpackt. Je nach Bedarf und den Anforderungen der Endverbraucher erfolgt das Abfüllen und Lagern der gefüllten Gebinde in unterschiedlichen Gebindearten. Dabei ist die am häufigsten verwendete und vielseitigste Verpackung von Pulverprodukten der aus Papier hergestellte Ventilsack.
1 Einleitung
In den letzten Jahren wurden die Abfüllsysteme kontinuierlich weiterentwickelt, um den gestiegenen Ansprüchen an Abfüllleistung, Gewichtsgenauigkeit und Sauberkeit zu entsprechen. Haver & Boecker hat dabei immer wieder neue Maßstäbe gesetzt und kontinuierlich neue Technologien entwickelt. Das Abfüllen von Pulvermaterial ist ein sich rasant entwickelndes Feld innerhalb der Prozess- und Produktionsautomatisierung. Gestiegene Anforderungen an die Füllleistung führten dabei zu neuen Ansätzen. Moderne Verpackungssysteme vereinbaren heute die Möglichkeiten, die Sackware optimal an das abzufüllende Produkt und die Maschinentechnologie anzupassen. Die Wechselwirkung zwischen Produkt, Maschine und Sack ist heute allgemein bekannt und durch Studien und Tests wissenschaftlich erforscht (Bild 1).
Vor allem der schwedische Papierhersteller BillerudKorsnäs hat durch die Entwicklung der Sackpapierproduktreihe QuickFill® mit hoher Porosität neue Maßstäbe gesetzt. Die QuickFill®-Produktreihe umfasst sowohl weiße wie auch braune Kraftpapiere für Ventilsäcke, die für die modernen High-Speed-Sackherstell- und Abfüllmaschinen entwickelt wurden. Die umfassende Produktpalette bietet eine perfekte Kombination an hoher Festigkeit und ausgezeichneten Entlüftungseigenschaften, d.h. QuickFill®-Säcke können in Größe und Gewicht so optimiert werden, dass eine bessere Füllung und Handhabung erreicht wird. Die Leistung wird nicht nur durch die Geschwindigkeit, sondern auch durch die Sauberkeit der Verpackungslinie bestimmt.
Haver & Boecker und BillerudKorsnäs betreiben beide Forschungs- und Entwicklungszentren, in denen die oben beschriebene Wechselwirkung zwischen Produkt und Sack hinsichtlich Verpackungsentwicklung und Kundenanforderungen untersucht wird. Die Spezialisten beider Unternehmen haben zusammen eine wissenschaftliche Studie mit Blick auf die Auswirkungen der Papierporosität auf die Füllgeschwindigkeit durchgeführt. Die Verfahren, Versuche und Ergebnisse sind im Folgenden beschrieben.
2 Beschreibung der Studie
Dieses Kapitel beschreibt, wie die Studie im Hinblick auf die getesteten Produkte und verwendeten Sacktypen durchgeführt und die Verpackungsleistung gemessen wurde.
2.1 Getestete Produkte
Die Versuche wurden mit insgesamt zwei verschiedenen Zementarten mit unterschiedlichem Füllverhalten durchgeführt (Tabelle 1):
Standardzement und
Feinzement
Neben den oben genannten Merkmalen beeinflussen andere wichtige Eigenschaften das Füllverhalten, wie z.B. Feuchtigkeitsgehalt, Fließfähigkeit, Entlüftung, Pulverzusammensetzung und Verdichtungsverhalten.
Haver & Boecker hat zur Durchführung der Analysen und Versuche im eigenen Forschungs- und Entwicklungszentrum eine Reihe von Laborgeräten entwickelt, die prozessrelevante Produkteigenschaften messen. Die wirtschaftlichste Verpackungslösung für den Kunden wird dann mit Hilfe der gewonnenen Messergebnisse bestimmt. BillerudKorsnäs hat auch die Möglichkeit, wichtige Eigenschaften für die Verpackungsleistung im firmeneigenen Sack-Labor zu bestimmen, was eine optimale Ergänzung für die Studie war.
2.2 Sacktypen
Um die Anzahl an Parametern zu verringern, waren die Sackgröße und Sackausführung für die beiden Zementtypen die gleiche. Für den gesamten Versuch wurden 1200 Säcke in drei verschiedenen Porositätsklassen vorbereitet, für jede Porositätsklasse wurden 200 Säcke verwendet (Bild 2). Die Sackdurchlässigkeit ist einer der wichtigsten Faktoren, der die Leistung einer Verpackungsmaschine beeinflusst. Je schneller die Luft während des Füllvorgangs aus einem Sack entweicht, desto effizienter ist die Füllleistung der Verpackungsmaschine.
2.3 Messen der Verpackungsleistung
Bei einer modernen Sacklösung sind zahlreiche Eigenschaften wichtig: Festigkeit des Papiers, Entlüftungsfähigkeit, Füllung, Barriereeigenschaften, Druckfähigkeit und Erscheinungsbild. Diese müssen aufeinander abgestimmt sein, um eine intelligente Verpackungslösung darzustellen. Diese Studie konzentriert sich auf die Füllleistung, weshalb die Tests bezüglich Entlüftung und Füllleistung nachfolgend detailliert beschrieben sind.
2.3.1 Gurley
Gurley ist der gängigste Test, mit dem die Porosität von Papier beschrieben wird. Ein Gurley-Tester misst die Zeit in Sekunden, die 100 ml Luft benötigen, um eine spezifische Papierfläche bei einer bestimmten Druckdifferenz zu durchdringen, wobei der Druck auf einlagige Papierbögen wirkt (Bild 3).
2.3.2 Haver Big Gurley®
Mit dem Testgerät Haver Big Gurley® (Bild 4) wird die Luftdurchlässigkeit von Verpackungsmaterial gemessen und beurteilt. Die Prüfvorrichtung liefert Informationen über die Porosität und Luftdurchlässigkeit der Sackwand, und zwar nicht nur von sauberem/unbenutztem Papier, sondern auch von verschmutztem Papier. Sie zeigt den Einfluss des Produktes während der Füllung auf das Papier (Bild 5). Feine Produktpartikel können durch Verstopfen der Löcher zwischen den Fasern die Durchlässigkeit verringern. Die Durchlässigkeit ist von vielen Faktoren abhängig, wie z. B. Partikelgröße, Feuchtigkeitsgehalt, Temperatur usw. Mit diesem Instrument kann die komplette Sackwandkonstruktion geprüft werden.
Die Ergebnisse zeigen den enormen Einfluss auf die Durchlässigkeit bei sauberem und verschmutztem Papier (mit Produkt nach dem Abfüllen). Während dieser Versuche wurde die Durchlässigkeit auf 10 bis 15 % verringert. Je nach Produkt und Papiertyp kann die Durchlässigkeit auf bis zu 90 % verringert werden. Dieser Wert basiert auf Erfahrungswerten, die bei vielen Versuchen und bei für Kunden durchgeführten Tests gemessen wurden.
2.3.3 Haver Airflow Tester®
Mit dem Haver Airflow Tester® (Bild 6) wird die Luftdurchlässigkeit des gesamten Sacks einschließlich aller Papier- und Plastikschichten und geklebten Bereiche bestimmt. Die Daten enthalten wichtige Informationen über das Füllverhalten. Durch das Einbeziehen aller Sackkomponenten, vor allem der geklebten Bereiche, ist eine Gesamtbewertung möglich. Dieses Instrument ist heute weltweit ein allgemeiner Standard, um die Sackdurchlässigkeit zu beschreiben.
Die Durchlässigkeit wirkt sich direkt auf die Füllleistung, Sauberkeit und Gewichtsgenauigkeit aus. Dank der langjährigen Erfahrung bei Füllprozessen können heute Empfehlungen zu den Durchlässigkeitsklassen gegeben werden, die für verschiedene Füllguttypen benötigt werden (Bild 7).
2.3.4 Füllversuche
Die Füllversuche mit Zement werden mit einem vertikalen Turbinenpacker (Bild 8) durchgeführt, der die übliche und effizienteste Anlage für das Füllen von pulverförmigem Produkt wie Zement ist. Das Abfüllen von Produkten, die zu Verklumpung und Plastifizierung neigen, wie das z. B. bei E-PVC der Fall ist, wird mit einem Luftpacker (Bild 9) durchgeführt. Im Allgemeinen können alle Produkttypen mit einem Luftpacker gefüllt werden. Aufgrund der Fluidisierung bei der Füllung ist die Luftmenge während der Füllung mit einem Luftpacker wesentlich höher, weshalb in der Regel durchlässigere Säcke benötigt werden.
Es wurden folgende Werte bei allen Versuchen aufgezeichnet, um die Ergebnisse miteinander vergleichen zu können:
Füllzeit (blaue Kurve für grobes und feines Füllgut)
Sackgewicht (rote Kurve, Massenstrom in kg/s)
Druck im Sack (grüne Kurve)
Als Faustregel gilt, dass eine höhere Durchlässigkeit des leeren Sacks die Füllleistung steigert. Verschiedene Sackkonstruktionen wie der 5+5 Gurley-Sekunden aus QuickFill®-Papier im Vergleich zum 15+15 Gurley-Sekunden führen, wie in diesem Beispiel, zu einer 20 % schnelleren Füllzeit und einem 50 % geringerem Innendruck im Sack (Bilder 10 und 11).
3 Vergleich der Ergebnisse
Tabelle 2 zeigt, dass sich eine unterschiedliche Durchlässigkeit von leeren Säcken auf die Füllzeit auswirkt. Der größere Druck im Sack während der Füllung erklärt, dass bei Papier mit einer geringeren Durchlässigkeit die Gefahr eines Sackbruchs steigt. Die Perforierung ist immer noch eine übliche Technik, um eine ausreichende Entlüftung des Sacks zu erreichen, allerdings wirkt sich das aus der Perforierung austretende Produkt negativ aus auf: die mechanischen Geräte, Umwelt, Arbeitsbedingungen, Haltbarkeit und Erscheinungsbild der Verpackungen.
4 Fazit
Die Auswertung der Versuche und die Ergebnisse der Studie zeigen, dass der Füllprozess so optimiert werden kann, dass eine Verbesserung bei der Füllzeit und Sauberkeit erreicht wird. Die Papiereigenschaften und die Sackkonstruktion wirken sich deutlich auf die Abfüllgeschwindigkeit und damit auf die Gesamtleistung aus. Die Auswahl der richtigen Papierqualität und die Anzahl der Papierlagen in Kombination mit Nadelungen oder anderen Entlüftungs- oder Barrieretechniken bedarf einer Fachkenntnis und Analysemöglichkeiten, um die Zusammenhänge deutlich zu machen und dieses Wissen dann zur Optimierung des Abfüllsystems zu nutzen.
