Aluminiumfolie: Premium-Material für Wärmedämmung & industrielle Anwendungen

Hintergrund

Aluminiumfolie wird aus einer Aluminiumlegierung hergestellt, die 92 bis 99 Prozent Aluminium enthält. Meist zwischen 0,00017 und 0,0059 Zoll (0,0043–0,15 mm) dick, wird Folie in vielen Breiten und Festigkeiten für buchstäblich hunderte Anwendungen produziert. Sie dient zur Herstellung von Wärmedämmung für die Bauindustrie, Lamellen für Klimaanlagen, Elektrospulen für Transformatoren, Kondensatoren für Radio und Fernsehen, Isolierung für Lagertanks, Dekorationsprodukten, Behältern und Verpackungen. Die Beliebtheit von Aluminiumfolie für so viele Anwendungen beruht auf mehreren großen Vorteilen, einer der wichtigsten ist die reichliche Verfügbarkeit der Rohstoffe. Aluminiumfolie ist kostengünstig, langlebig, ungiftig und fettdicht. Zudem widersteht sie chemischem Angriff und bietet exzellenten elektrischen und nicht-magnetischen Schutz.

Lieferungen (1991) von Aluminiumfolie beliefen sich auf 913 Millionen Pfund, wobei Verpackungen 75 % des Aluminiumfolienmarktes ausmachten. Die Beliebtheit als Verpackungsmaterial liegt an der hervorragenden Undurchlässigkeit für Wasserdampf und Gase. Sie verlängert Haltbarkeit, benötigt weniger Lagerraum und erzeugt weniger Abfall als viele andere Verpackungsmaterialien. Die Präferenz für Aluminium in flexibler Verpackung ist dadurch zu einem globalen Phänomen geworden. In Japan wird Aluminiumfolie als Barrierekomponente in flexiblen Dosen genutzt. In Europa dominiert flexible Aluminiumverpackung den Markt für Pharma-Blisterpackungen und Bonbonverpackungen. Der aseptische Getränkekarton, der eine dünne Aluminiumfolienschicht als Barriere gegen Sauerstoff, Licht und Geruch nutzt, ist weltweit beliebt.

Aluminium ist das jüngst entdeckte der Metalle, die die moderne Industrie in großen Mengen nutzt. Als „Alumina“ bekannt, wurden Aluminiumverbindungen im alten Ägypten für Medikamente und im Mittelalter zum Färben von Stoffen verwendet. Anfang des 18. Jahrhunderts vermuteten Wissenschaftler, dass diese Verbindungen ein Metall enthielten, und 1807 versuchte der englische Chemiker Sir Humphry Davy, es zu isolieren. Zwar scheiterten seine Bemühungen, doch Davy bestätigte, dass Alumina eine metallische Basis hatte, die er zunächst „Alumium“ nannte. Davy änderte dies später zu „Aluminium“, und während Wissenschaftler in vielen Ländern „Aluminium“ schreiben, nutzen die meisten Amerikaner Davys revidierte Schreibweise. 1825 isolierte der dänische Chemiker Hans Christian Ørsted erfolgreich Aluminium, und zwanzig Jahre später schaffte der deutsche Physiker Friedrich Wöhler größere Partikel des Metalls; jedoch waren Wöhlers Partikel noch nur Stecknadelkopfgröße. 1854 verfeinerte der Franzose Henri Sainte-Claire Deville Wöhlers Methode genug, um Aluminiumklumpen von Murmelgröße herzustellen. Devilles Prozess lieferte die Grundlage für die moderne Aluminiumindustrie, und die ersten Aluminiumbarren wurden 1855 auf der Pariser Ausstellung gezeigt.

An diesem Punkt limitierte der hohe Isolierkosten des neu entdeckten Metalls seine industriellen Anwendungen. Doch 1866 entwickelten zwei Wissenschaftler unabhängig in den USA und Frankreich gleichzeitig das, was als Hall-Héroult-Verfahren bekannt wurde: Trennung von Alumina von Sauerstoff durch elektrischen Strom. Während sowohl Charles Hall als auch Paul-Louis-Toussaint Héroult ihre Entdeckungen patentierten – in Amerika bzw. Frankreich – erkannte Hall zuerst das finanzielle Potenzial seines Reinigungsverfahrens. 1888 gründete er mit Partnern die Pittsburgh Reduction Company, die im selben Jahr die ersten Aluminiumbarren produzierte. Mit Wasserkraft für ein großes neues Umwandlungswerk nahe den Niagara-Fällen und der wachsenden industriellen Nachfrage nach Aluminium florierte Halls Firma – 1907 umbenannt in Aluminum Company of America (Alcoa). Héroult gründete später die Aluminium-Industrie-Aktiengesellschaft in der Schweiz. Angeregt durch steigende Aluminiumnachfrage im Ersten und Zweiten Weltkrieg begannen die meisten anderen industrialisierten Nationen, eigenes Aluminium zu produzieren. 1903 wurde Frankreich das erste Land, das Folie aus gereinigtem Aluminium herstellte. Die USA folgten ein Jahrzehnt später, deren erste Nutzung des neuen Produkts Beinringe zur Identifizierung von Brieftauben waren. Aluminiumfolie wurde bald für Behälter und Verpackungen genutzt, und der Zweite Weltkrieg beschleunigte diesen Trend, etablierte Aluminiumfolie als wichtiges Verpackungsmaterial. Bis zum Zweiten Weltkrieg blieb Alcoa der einzige amerikanische Hersteller von gereinigtem Aluminium, doch heute gibt es sieben große Aluminiumfolienproduzenten in den USA.

Rohstoffe

Aluminium gehört zu den häufigsten Elementen: nach Sauerstoff und Silicium ist es das dritthäufigste Element in der Erdkruste, macht über acht Prozent der Kruste bis zu zehn Meilen Tiefe aus und kommt in fast jedem gängigen Gestein vor. Allerdings liegt Aluminium nicht in reiner Metallform vor, sondern als hydratisiertes Aluminiumoxid (Gemisch aus Wasser und Alumina) kombiniert mit Kieselsäure, Eisenoxid und Titandioxid. Das bedeutendste Aluminiumerz ist Bauxit, benannt nach der französischen Stadt Les Baux, wo es 1821 entdeckt wurde. Bauxit enthält Eisen und hydratisiertes Aluminiumoxid, wobei letztere den größten Bestandteil darstellt. Derzeit ist Bauxit reichlich genug, sodass nur Lagerstätten mit mindestens 45 % Aluminiumoxid-Gehalt abgebaut werden. Konzentrierte Vorkommen finden sich auf beiden Hemisphären, wobei der Großteil des in den USA genutzten Erzes aus den Westindischen Inseln, Nordamerika und Australien stammt. Da Bauxit nahe der Erdoberfläche liegt, sind Abbauverfahren relativ einfach. Sprengstoffe öffnen große Gruben in Bauxitbetten, wonach die oberen Schichten aus Erde und Gestein abgetragen werden. Das freiliegende Erz wird mit Radladern entfernt, in LKW oder Güterwagen gehäuft und zu Verarbeitungsanlagen transportiert. Bauxit ist schwer (allgemein können aus vier bis sechs Tonnen Erz eine Tonne Aluminium gewonnen werden), daher sind diese Anlagen oft so nah wie möglich an den Bauxitminen gelegen, um Transportkosten zu senken.

Herstellungsprozess

Die Gewinnung von reinem Aluminium aus Bauxit erfordert zwei Prozesse. Zuerst wird das Erz raffiniert, um Verunreinigungen wie Eisenoxid, Kieselsäure, Titandioxid und Wasser zu eliminieren. Dann wird das resultierende Aluminiumoxid verhüttet, um reines Aluminium zu produzieren. Anschließend wird das Aluminium gewalzt, um Folie herzustellen.

Raffinieren — Bayer-Verfahren

• 1. Das Bayer-Verfahren zur Bauxit-Raffination umfasst vier Schritte: Digestion, Klärung, Fällung und Kalzinierung. In der Digestion wird Bauxit gemahlen und mit Natronlauge vermischt, bevor es in große, druckbeaufschlagte Tanks gepumpt wird. In diesen „Digester“ genannten Tanks zersetzen Natronlauge, Hitze und Druck das Erz zu einer gesättigten Lösung aus Natriumaluminat und unlöslichen Verunreinigungen, die sich am Boden absetzen.
• 2. Die nächste Phase, Klärung, leitet die Lösung und Verunreinigungen durch eine Reihe von Tanks und Pressen. In diesem Stadium fangen Tuchfilter die Verunreinigungen auf, die dann entsorgt werden. Nach erneuter Filtration wird die verbleibende Lösung in einen Kühlturm transportiert.
• 3. Im nächsten Schritt, Fällung, gelangt die Aluminiumoxidlösung in einen großen Silo, wo sie in einer Adaption der Deville-Methode mit Kristallen von hydratisiertem Aluminium geimpft wird, um die Bildung von Aluminiumpartikeln zu fördern. Da die Seed-Kristalle andere Kristalle in der Lösung anziehen, beginnen sich große Klumpen von Aluminiumhydrat zu bilden. Diese werden erst ausgefiltert und dann gespült.
• 4. Kalzinierung, der letzte Schritt der Bayer-Raffination, setzt das Aluminiumhydrat hohen Temperaturen aus. Diese extreme Hitze entwässert das Material und hinterlässt einen Rückstand aus feinem weißen Pulver: Aluminiumoxid.

Verhütten

• 5. Verhütten, das den Aluminium-Sauerstoff-Verbund (Alumina) trennt, der durch das Bayer-Verfahren produziert wurde, ist der nächste Schritt zur Gewinnung von reinem, metallischem Aluminium aus Bauxit. Obwohl das aktuell verwendete Verfahren vom elektrolytischen Verfahren abstammt, das Ende des 19. Jahrhunderts zeitgleich von Charles Hall und Paul-Louis-Toussaint Héroult erfunden wurde, wurde es modernisiert. Zuerst wird Alumina in einer Verhüttungszelle – einer tiefen Stahlform, mit Kohle ausgekleidet und gefüllt mit einem erhitzten flüssigen Leiter, der hauptsächlich aus dem Aluminiumverbindungs-Cryolith besteht – gelöst.
• 6. Anschließend wird ein elektrischer Strom durch den Cryolith geleitet, wodurch sich eine Kruste über der Alumina-Schmelze bildet. Wenn zusätzliches Alumina periodisch eingerührt wird, wird diese Kruste gebrochen und mit eingearbeitet. Während sich das Alumina auflöst, zersetzt es sich elektrolytisch und produziert eine Schicht reinen, geschmolzenen Aluminiums am Boden der Verhüttungszelle. Der Sauerstoff verbindet sich mit dem Kohlenstoff der Zellenauskleidung und entweicht als Kohlendioxid.
• 7. Noch in geschmolzener Form wird das gereinigte Aluminium aus den Verhüttungszellen gezogen, in Tiegel überführt und in Öfen geleert. In diesem Stadium können andere Elemente zugegeben werden, um Aluminiumlegierungen mit für das Endprodukt geeigneten Eigenschaften zu erzeugen, obwohl Folie generell aus 99,8 oder 99,9 % reinem Aluminium hergestellt wird. Die Flüssigkeit wird dann in Direktkühl-Gussgeräte gegossen, wo sie zu großen Platten – „Barren“ oder „Walzvorrat“ – abkühlt. Nach dem Glühen – Wärmebehandlung zur Verbesserung der Verformbarkeit – sind die Barren für das Walzen zu Folie geeignet.
• Eine Alternative zum Schmelzen und Gießen des Aluminiums heißt „Strangguss“. Dieser Prozess umfasst eine Produktionslinie mit Schmelzofen, Haltestätte für die Schmelze, Transportsystem, Gusseineheit, Kombinationseinheit aus Knebelwalzen, Schere und Bridle sowie Umspul- und Coilerwagen. Beide Methoden produzieren Vorräte von 0,317 bis 0,635 cm Dicke und verschiedenen Breiten. Der Vorteil des Stranggusses ist, dass er keinen Glühschritt vor dem Folienwalzen erfordert, wie es der Schmelz- und Gussprozess tut, da das Glühen während des Gussprozesses automatisch erreicht wird.

Folie walzen

• 8. Nach Herstellung des Folienvorrats muss dieser in der Dicke reduziert werden, um Folie zu erzeugen. Dies geschieht in einem Walzwerk, wo das Material mehrmals durch Metallwalzen – Arbeitswalzen – läuft. Während die Bleche (oder Bahnen) aus Aluminium durch die Walzen laufen, werden sie dünner gepresst und durch den Spalt zwischen den Walzen extrudiert. Die Arbeitswalzen sind mit schwereren Walzen – Stützwalzen – gepaart, die Druck ausüben, um die Stabilität der Arbeitswalzen zu erhalten. Dies hilft, Produktdimensionen innerhalb der Toleranzen zu halten. Arbeits- und Stützwalzen rotieren in entgegengesetzte Richtungen. Schmierstoffe werden zugesetzt, um den Walzprozess zu erleichtern. Während dieses Walzprozesses muss das Aluminium gelegentlich geglüht (wärmebehandelt) werden, um seine Verformbarkeit zu erhalten.
• Die Folienreduktion wird durch Anpassen der Walzendrehzahl und der Viskosität (Widerstand gegen Fließen), Menge und Temperatur der Walzschmierstoffe gesteuert. Der Walzenspalt bestimmt sowohl Dicke als auch Länge der das Werk verlassenden Folie. Dieser Spalt kann durch Anheben oder Absenken der oberen Arbeitswalze justiert werden. Walzen erzeugt zwei natürliche Oberflächen auf der Folie: blank und matt. Die blanke Oberfläche entsteht, wenn die Folie mit den Arbeitswalzenoberflächen in Kontakt kommt. Für die matte Oberfläche müssen zwei Bahnen zusammen gepackt und simultan gewalzt werden; die sich berührenden Seiten erhalten dann eine matte Oberfläche. Andere mechanische Veredelungsmethoden, meist während Konvertierungsoperationen, können bestimmte Muster erzeugen.
• 9. Wenn die Folienbahnen durch die Walzen kommen, werden sie mit kreisförmigen oder rasiermesserscharfen Messern, die auf dem Walzwerk montiert sind, beschnitten und geschlitzt. Beschnitt bezieht sich auf die Folienkanten, während Schlitzen das Schneiden der Folie in mehrere Bahnen bedeutet. Diese Schritte dienen zur Erzeugung schmaler Coil-Breiten, zum Beschnitt von beschichteten oder laminierten Vorräten und zur Produktion rechteckiger Stücke. Für bestimmte Fertigungs- und Konvertierungsoperationen müssen während des Walzens gerissene Bahnen wieder verbunden oder gespleißt werden. Gängige Spleißarten für das Verbinden von blanken und/oder kaschierten Folienbahnen sind Ultraschall, Hitzesiegelband, Drucksiegelband und elektrisch geschweißt. Der Ultraschallspleiß nutzt eine Festkörperschweißung – hergestellt mit einem Ultraschallwandler – im überlappenden Metall.

Veredelungsprozesse

• 10. Für viele Anwendungen wird Folie in Kombination mit anderen Materialien genutzt. Sie kann mit einer breiten Palette von Materialien beschichtet werden, wie Polymeren und Harzen, für dekorative, schützende oder heißsiegelbare Zwecke. Sie kann mit Papieren, Kartons und Kunststofffolien laminiert werden. Sie kann auch geschnitten, in jede Form gebracht, bedruckt, geprägt, in Streifen geschlitzt, gebogen, geätzt und eloxiert. Sobald die Folie ihren Endzustand erreicht hat, wird sie entsprechend verpackt und an den Kunden versandt.

Qualitätskontrolle

Zusätzlich zur In-Prozess-Kontrolle von Parametern wie Temperatur und Zeit muss das fertige Folienprodukt bestimmte Anforderungen erfüllen. Beispielsweise erfordern verschiedene Konvertierungsprozesse und Endanwendungen unterschiedliche Trockenheitsgrade der Folienoberfläche für zufriedenstellende Leistung. Ein Benetzungstest bestimmt die Trockenheit. Dabei werden verschiedene Lösungen von Ethylalkohol in destilliertem Wasser, in 10-Prozent-Volumen-Schritten, in einem gleichmäßigen Strahl auf die Folienoberfläche gegossen. Bilden sich keine Tropfen, ist die Benetzung null. Der Prozess wird fortgesetzt, bis feststeht, welcher minimale Alkoholprozent die Folienoberfläche vollständig benetzt.

Weitere wichtige Eigenschaften sind Dicke und Zugfestigkeit. Standardprüfverfahren wurden von der American Society for Testing and Materials (ASTM) entwickelt. Dicke wird bestimmt, indem eine Probe gewogen und ihre Fläche gemessen wird, dann das Gewicht durch das Produkt aus Fläche und Legierungsdichte geteilt wird. Zugprüfung von Folie muss sorgfältig kontrolliert werden, da Testergebnisse durch raue Kanten und kleine Defekte sowie andere Variablen beeinflusst werden können. Die Probe wird in eine Klemme eingespannt und eine Zugkraft angewendet, bis die Probe bricht. Die zum Brechen erforderliche Kraft oder Festigkeit wird gemessen.

Zukunft

Die Beliebtheit von Aluminiumfolie, besonders für flexible Verpackungen, wird weiter wachsen. Vierseitig, fintversiegelte Beutel haben breite Popularität für militärische, medizinische und Einzelhandels-Lebensmittelanwendungen gewonnen und in größeren Größen für institutionelle Lebensmittelverpackungen. Beutel wurden auch für die Verpackung von 4–18 Litern (1,06–4,75 Gallonen) Wein für Einzelhandel und Gastronomie sowie für andere Food-Service-Märkte eingeführt. Zudem werden kontinuierlich weitere Produkte für andere Anwendungen entwickelt. Die Zunahme der Beliebtheit von Mikrowellenöfen hat zur Entwicklung mehrerer Formen aluminiumbasierter halbstarrer Behälter geführt, die speziell für diese Öfen konzipiert sind. Kürzlich wurden spezielle Grillfolien für Barbecue entwickelt.

Dennoch wird selbst Aluminiumfolie hinsichtlich ihrer Umwelt-„Freundlichkeit“ kritisch betrachtet. Daher verstärken Hersteller ihre Recyclingbemühungen; tatsächlich haben alle US-Folienproduzenten Recyclingprogramme gestartet, obwohl Aluminiumfolies Gesamtmenge und Erfassungsrate weit niedriger sind als bei den leicht zu recycelnden Aluminiumdosen. Aluminiumfolie hat bereits den Vorteil, leicht und klein zu sein, was ihren Beitrag zum Festabfallstrom reduziert. Tatsächlich macht laminierte Aluminiumfolienverpackung nur 17/100stel eines Prozents des US-Festabfalls aus.

Für Verpackungsabfall könnte die vielversprechendste Lösung Quellreduktion sein. Beispielsweise erfordert die Verpackung von 29,51 kg (65 lbs) Kaffee in Stahlkonserven 9,08 kg (20 lbs) Stahl, aber nur 4,08 kg (3 lbs) Laminatverpackung inklusive Aluminiumfolie. Solche Verpackung beansprucht auch weniger Platz auf der Deponie. Die Foil Division der Aluminum Association entwickelt sogar ein Bildungsprogramm zu Aluminiumfolie für Universitäten und professionelle Verpackungsdesigner, um diese über die Vorteile des Wechsels zu flexibler Verpackung zu informieren.

Aluminiumfolie verbraucht auch weniger Energie bei Herstellung und Distribution, wobei In-Plant-Schrott recycelt wird. Tatsächlich machen recyceltes Aluminium, einschließlich Dosen und Folie, über 30 % der jährlichen Metallversorgung der Branche aus. Diese Zahl steigt seit mehreren Jahren und wird voraussichtlich weiter steigen. Zudem werden Prozesse bei der Folienherstellung verbessert, um Luftverschmutzung und Gefahrstoffabfall zu reduzieren.