Sprühdose

Der norwegische Ingenieur Erik Andreas Rotheim sorgte mit seiner Erfindung für die eigentliche „Geburt“ der Spraydose. Am 9. Oktober 1927 erhielt er in Deutschland das Patent für „Verfahren und Vorrichtung zum Ausspritzen oder Verteilen von Flüssigkeiten oder halbflüssigen Massen“. Damit schuf er die technische Grundlage für alle weiteren Entwicklungen kommender Generationen. Ursprünglich auf der Suche nach der besten Methode zum Einwachsen seiner Skier ahnte er vermutlich schon bei der Patenteinreichung die weiteren vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten seiner Erfindung. Bereits in der ersten Patentschrift zählte er für einen denkbaren Einsatz seiner Druckgasverpackung auf: „z. B. Öle, Fette, flüssige Seifen, Harze, Paraffine, Wachsarten, Farben, Malfarben, Anstrichmittel, Firnisse, Lacke (z. B. Celluloselacke), Kautschuk, Gummi, Leim, Desinfektionsmittel, Imprägnierungsmittel, Schutzmittel, Putzmittel, Düngemittel, Feuerlöschmittel, kosmetische Präparate, organische und anorganische Flüssigkeiten …“[1]

In den ersten Jahren blieb die Neuheit zunächst in Norwegen, das nach der Erfindung auch Schauplatz der ersten kommerziellen Produktion von Spraydosen war. Der Farbenfabrikant Richard Bjercke, der eng mit Rotheim zusammenarbeitete, produzierte zusammen mit Alf Bjercke zunächst im kleinen Maßstab Farb- und Lackspraydosen und entwickelte die Technik dabei weiter. Die Farbfabrik der Bjerckes in Oslo war zu ihrer Zeit die größte Produktionsstätte von Farben und Lacken in Norwegen.

Der Feinmechaniker Frode Mortensen kümmerte sich als Dritter im Bunde der norwegischen Tüftler um das „Drumherum“ und die richtige Ventiltechnik der neuartigen Farbsprays. Seine Patente auf verbesserte Druckbehälter und optimierte Ventile folgten 1938 und 1939.

Der Chemiker Lyle D. Goodhue war bereits seit 1935 auf der Suche nach einem geeigneten Treib- und Lösungsmittel, mit dessen Hilfe man Insektenbekämpfungsmittel zerstäuben konnte. Halogenverbindungen mit einem niedrigen Siedepunkt standen im Fokus seiner Forschungen. Gut geeignet als Treibmittel waren diese Stoffe auch deshalb, weil sie nicht brennbar und weitgehend ungiftig waren.

Zusammen mit dem Insektenforscher (Entomologen) William N. Sullivan testete Goodhue abenteuerliche Verfahren der Chemikalien-Vernebelung. Die Tests der verschiedenen Treibmittel führten immer wieder in Sackgassen, bis Goodhue sich an eine ihrer ersten Ideen und an die Arbeiten von Rotheim erinnerte: Das Treibmittel Nr. 12, später bekannt als Freon 12, gemischt mit dem benötigten Insektenbekämpfungsmittel und in eine ventilbestückte Druckgasflasche nach dem Rotheimschen Prinzip abgefüllt, brachte das gewünschte Ergebnis: Die legendäre „bug bomb“ („Insektenbombe“) war geboren.

Von da an fand die Spraydose reißenden Absatz: Zunächst rettete sie ab 1942 unzähligen amerikanischen Soldaten das Leben, die im Pazifik-Krieg nicht nur gegen die Japaner, sondern auch gegen die Malaria-übertragende Anopheles-Mücke kämpften. Nach Kriegsende übernahmen und vermarkteten findige Fabrikanten die nun überaus beliebte Druckgas-Innovation zunehmend für ihre Produkte des täglichen Bedarfs. Modifizierte Bierdosen mit Plastikventilen waren der Anfang der haushaltsgerechten Massenprodukte: Die Dosen wurden handlicher, die Behälter leichter und die Ventile kostengünstiger in der Herstellung. Gerade während der Zeit des so genannten Wirtschaftswunders Mitte der fünfziger Jahre eroberte die moderne Spraydose die privaten Haushalte. Die Dosen wurden mittlerweile aus leichtem Aluminium oder Weißblech und darüber hinaus in viel kleineren und verbraucherfreundlicheren Formaten als bisher hergestellt.

Der erste Verkaufsschlager wurde dann rund zehn Jahre später das Haarspray. Das „flüssige Haarnetz“ auf Knopfdruck ermöglichte der Damenwelt und ihren Friseuren ab 1955 ungeahnte Stylingmöglichkeiten und eine völlig neue Frisurenmode. Seit seiner Einführung sitzt die Frisur „zu jeder Tageszeit an jedem Ort“, wie die Werbung damals versprach. Oder: „Ob Wind, ob Frost, ob Regen – das Spray macht die Haare fit für jedes Wetter“. Haarspray und Deodorant machen heutzutage den größten Anteil an Aerosolprodukten aus. Ein Produkt nach dem anderen wanderte mittlerweile in die Spraydose: Kosmetik, Lacke, Haushaltspflegemittel, aber auch Arzneien oder Lebensmittel. Zwischen der ersten Nachkriegsproduktion in Kansas mit 105.000 Stück im Jahr 1946 bis zur heutigen Herstellung von jährlich mehreren Milliarden Spraydosen weltweit liegen nur wenige Jahrzehnte.

Der Ingenieur Robert Abplanalp erfand ein Ventil (das später sogenannte Ein-Zoll-Ventil), das es ermöglichte, Flüssigkeiten, die sich in einer Dose befanden, mit Hilfe eines zugesetzten Treibmittels zu versprühen. Das Ventil konnte einfach und preiswert in Massenproduktion hergestellt werden. Das bis dahin viel zu große Gewicht der zugehörigen Sprühdosen wurde durch die Verwendung des viel leichteren Aluminiums entscheidend verringert, so dass nun alle möglichen Stoffe in Sprühdosen billig und dabei leicht zu handhaben angeboten werden konnten. Damit konnte der Siegeszug der Sprühdose beginnen. Abplanalp ließ sich seine Erfindung patentieren und gründete 1949 mit zwei Partnern die Precision Valve Corporation in Yonkers. Ende der 1950er Jahre kaufte Abplanalp die Anteile der beiden Mitbegründer auf und wurde zum Alleininhaber. Die Precision Valve Corporation erlangte die Führung auf dem Weltmarkt. Im Jahre 2004 stellte das Unternehmen rund 4 Milliarden Spraydosen pro Jahr her und hielt über 300 Patente aus diesem Produktionsbereich. Die Schädlichkeit der Treibgase FCKW (Fluorchlorkohlenwasserstoffe) – Schädigung der Ozonschicht und Beitrag zum Treibhauseffekt – wurden in den 1980er Jahren erkannt und nach internationaler Regulierung wurden FCKW im Wesentlichen durch andere Stoffe als Treibgas ersetzt.

Tonnenschwere aufgerollte lange Blechbänder sind Ausgangspunkt für die Herstellung von dreiteiligen Weißblech-Spraydosen. Die Fertigung beginnt dabei zunächst mit dem Zuschnitt von quadratischen „handlichen“ Tafeln, die dann bedruckt werden: Weißlackierung, Farbbedruckung und Schutzlackierung für den äußeren Look, Innenlackierung je nach späterer Füllung zum Schutz vor Korrosion. Insbesondere Farbsprühdosen mit wasserhaltigen Farben bedürfen eines starken Korrosionsschutzes.

Aus der bedruckten Tafel wird dann der Rumpf der Dose ausgeschnitten, zu einem Zylinder geformt und verschweißt. Zum Korrosionsschutz der Schweißnaht wird danach ein Lack oder ein Pulver aufgebracht. Der Deckel (die sogenannte Kuppel) und der Boden der Dose werden separat ebenfalls aus flachen Weißblechtafeln hergestellt. Bei der Deckel- und Bodenbördelung werden dann diese drei Teile durch das so genannte Falzen fest miteinander verbunden. Eine Prüfung auf Druckstabilität und Dichtigkeit schließt den Fertigungsprozess ab. Neben dem traditionellen Herstellungsverfahren für dreiteilige Weißblechdosen gibt es noch ein Verfahren für zweiteilige Weißblechdosen, bei dem aus einem Weißblechband ein Napf gezogen und abgestreckt wird. Der daraus resultierende Dosenkörper wird dann wie bei der dreiteiligen Dose mit dem Deckel verfalzt.

Sprühdosen aus Aluminium werden nahtlos aus einem Stück hergestellt. Ausgangsmaterial sind Aluminiumbänder. Daraus werden kreisrunde Scheiben (so genannte Butzen) gestanzt und in einer Presse (Kaltfließpressverfahren) zu Rohdosen geformt. In den weiteren Bearbeitungsschritten werden die Dosen gewaschen, innen und außen lackiert und dann bedruckt. Zum Schluss wird die so genannte Schulter und der Ventilsitz geformt. Auch hier schließt der Produktionsprozess mit der Dichtigkeitsprüfung der fertigen Dose ab.

Durch den Innendruck der Spraydose wird ihr Inhalt genau dann als Aerosol freigesetzt, wenn man auf den Sprühkopf drückt. Das Geheimnis dieser Funktionsweise liegt in der Mischung von Wirkstoff (dem eigentlichen Produkt) und flüssigem Treibmittel im Inneren der Spraydose: Ein Teil des Treibmittels ist dabei im Wirkstoff gelöst und ein zweiter liegt gasförmig als „Druckpolster“ über dem Wirkstoff-Treibmittelgemisch. Wird der Sprühknopf betätigt, drückt das gasförmige Treibmittel den Inhalt durch das Ventil nach außen. In diesem Augenblick verdampft das Treibmittel in Bruchteilen von Sekunden und der zurückbleibende Wirkstoff verteilt sich fein und gleichmäßig.

Einige Wirkstoffe können oder sollen nicht ohne weiteres innerhalb der Dose mit einem Treibmittel gemischt werden – vor allem Produkte, die nicht sprühfähig sind, wie Pasten, Gele oder Emulsionen. Durch die Trennung von Inhaltsstoff und Treibmittel können auch cremeartige oder dickflüssige Stoffe wie z. B. Rasiergele durch Betätigung des Ventils automatisch aus der Dose befördert werden.

In Deutschland ist das Ventilbeutelsystem verbreitet. Ein mit dem Ventil verbundener, beschichteter Aluminiumbeutel wird zusammengefaltet in die Dose eingebracht. Die Dose wird mit Treibmittel befüllt und das Ventil mit der Dose dicht verbunden. Erst dann wird das Produkt in den Beutel gefüllt. Das Treibmittel umgibt den produktgefüllten Beutel wie ein Kissen und übt den notwendigen Druck für die Entnahme des Produkts aus.

Eine andere „Zwei-Kammer-Methode“ ist die Verwendung eines Kolbens in der Dose, welcher ebenso Füllgut von der Druckkammer trennt. Aus den USA ist der Clayton-Kolben bekannt, wo es aber immer wieder zu Undichtigkeiten kommt. In Europa wird von einem deutschen Unternehmen eine Kolbendose mit dem patentierten ZIMA-Kolben angeboten, der hohe Absperrwerte bei guter Langzeitstabilität erreicht und den Einsatz von umweltfreundlichen Treibgasen wie Stickstoff, Kohlendioxid oder auch Druckluft erlaubt. Kolbensysteme können die Wiederbefüllbarkeit der Dosen erleichtern.

Zwei-Kammer-Systeme ermöglichen die lageunabhängige Verwendung der Dose. Im Gegensatz zu Aerosoldosen können sie unabhängig davon entleert werden, ob das Ventil sich oben oder unten befindet.

Aufbau des Ventils

Im Ventil einer Sprühdose sind mehr Einzelteile und Materialien verbunden, als im gesamten Rest der Dose. Ausgangspunkt ist ein oben offenes, kurzes Plastikröhrchen mit einem Loch in der Seite (3). Ein Gummiring (4) um das Röhrchen dichtet das seitliche Loch ab. An der unteren, verschlossenen Seite des Röhrchens ist eine Feder aufgesteckt, die mit dem unteren Teil des Röhrchens in einem Plastikgehäuse (5) sitzt. Der Gummiring liegt auf dem Rand des Gehäuses auf. Eine Metall-Halterung, der Ventilteller (2), presst diese Anordnung so fest, dass sich nur noch das Röhrchen bewegen kann. Wird das Röhrchen, auf dem der Sprühkopf (1) befestigt ist, nun nach unten gedrückt, bleibt der Gummiring in seiner Position und das kleine seitliche Loch schiebt sich unter ihn in das Innere der Dose. Gleichzeitig wird die Feder im Gehäuse zusammengedrückt. Durch den Druck in der Dose tritt das Gemisch aus Produkt und Treibgas durch das Röhrchen aus. Wird nicht mehr von oben gedrückt, wird das Röhrchen von der Feder nach oben in die ursprüngliche Position gebracht, und der Gummiring verschließt wieder das seitliche Loch. Es sprüht nun nicht mehr. Der untere Teil des Gehäuses und das Steigrohr aus Kunststoff sind ineinander gesteckt; durch das Steigrohr wird der Sprühdoseninhalt vom Boden der Dose nach oben zum Ventil gefördert. Und schließlich hält ein Ventilteller die Ventilbestandteile mit der Sprühdose zusammen.

Mit der Ventiltechnik werden die Sprüheigenschaften eines Produktes bestimmt. Für die unterschiedlichen Verwendungen werden verschiedene Sprühbilder mit jeweils besonderen Charakteristika benötigt. Eines der wichtigen Merkmale ist die Tröpfchengröße, die bestimmt, wie sich das gesprühte Produkt anfühlt und welchen Effekt es erreicht. Beim Sprühen von Haarspray zum Beispiel werden ganz feine Tröpfchen verteilt, ohne dass man diese Tröpfchen sieht. Ein solches, ganz fein gesprühtes Spray fühlt sich eher trocken an. Werden hingegen große Tröpfchen gesprüht, hat man einen stärkeren Nasseffekt. Vorteilhaft ist dies bei allen Wirkstoffen, bei denen eine Oberfläche gleichmäßig leicht befeuchtet werden soll wie z. B. Möbelpflege. Die Tröpfchengröße wird von verschiedenen Komponenten bestimmt:

• dem Verhältnis von Wirkstofflösung zu Treibmittel,
• der Größe der Ventilöffnung,
• der Größe der Sprühkopföffnung.

Diese drei Einflussgrößen werden bei der Herstellung von Sprühdosen so aufeinander abgestimmt, dass die Tröpfchengröße ideal für die Anwendung des jeweiligen Wirkstoffes/Produkts geeignet ist. Ein Rasierschaum zum Beispiel enthält etwa fünf Prozent Treibmittel, ein Haarspray dagegen etwa 40 Prozent. Der höhere Anteil an Treibmittel sorgt für die Aufspaltung der Wirkstofflösung bzw. des eigentlichen Produkts in kleinere, feinere Tröpfchen.

Montana Gold Bestandteile

Sprühlackdosen bestehen aus folgenden Einzelteilen:

Die Sprühlackdose selbst, dann (siehe Abbildung rechts):

• A – „Donut“, Kunststoffring im Farbton der Abfüllung
• B – Ventilsystem mit Steigrohr (Detailerklärung s. u.)
• C – Sprühsicherungsring
• D – Mischkugeln (typisches Charakteristikum für Sprühlackdosen)
• E – Sprühkopf

Das Ventil gliedert sich in folgende Bestandteile:

• Ventilteller
• Feder
• Gehäuse
• Steigrohr

Wichtig ist hier vor allem die Feder, denn ihre Eigenschaft bestimmt die Regelbarkeit des ausströmenden Aerosols beim Sprühen. Moderne Ventilsysteme von Belton und Montana haben sehr weiche Federn, was man auch merkt, da sie nicht so schwer zu drücken sind und mehr „can control“ bieten. Dies bedeutet, dass man mit einer Düse und ein und derselben Dose verschiedene Strichstärken erzeugen kann. Das Steigrohr ist in modernen Dosen bei manchen „selbstreinigend“, es ist die Gebrauchsanweisung des jeweiligen Herstellers zu beachten. Früher sollte man die Dosen immer nach Gebrauch noch auf den Kopf stellen und sprühen, um so das Steigrohr zu entleeren.

Der Druck der Dose hängt vom Druck der Befüllung ab. Speziell für schnelles und großflächiges Sprühen hergestellte Dosen („Bombingcans“) stehen unter sehr hohem Druck und kommen ohne Mischkugeln aus, Art-Cans wie die Montana Gold, Sparvar oder auch Belton Premium sind mit weniger Druck abgefüllt und benötigen daher Kugeln zum Aufmischen der Farbe, die sich bei Lagerung von den Lösemitteln trennt und am Boden absetzt.

Düsen (Caps)

Düse der Firma Lindal

Die Düse beeinflusst das Sprühbild der Dose. Sie besteht aus

• Fassung: unterer Teil. z. B.: „tellerfüllend“
• Zwischendosierungsstift: Der Stift, der in die Dose eingeführt wird. Dieser Stift enthält in der Regel einen Schaft bzw. Schlitz, durch den der Lack in das Cap gelangt.
• Wirbeldüse: Die von vorne zu erkennende Scheibe mit einem kleinen Loch, durch das die Farbe aus der Kappe austritt. Mit dieser Düse wird der Sprühwinkel gesteuert. Hinter der Scheibe liegt mit etwas Abstand ein kleiner Kolben, um den der Lack herumströmt.

Ist der Schlitz im Dosierungsstift z. B. sehr breit, so ist der Strahl dies auch. Ist aber zusätzlich das Loch in der Ventilscheibe sehr groß, wird der Inhalt nur noch gespritzt, nicht gesprüht, beispielsweise bei Rasierschaum.

Nach Gebrauch der Spraydose stellt sich die Frage nach einer ordnungsgemäßen Entsorgung. Die Dose selbst wird durch die deutsche Abfallverzeichnis-Verordnung (AVV) nicht als gefährlicher Abfall eingestuft.[14] Die in den Aerosoldosen enthaltenen Stoffe hingegen weisen mitunter gefährliche Eigenschaften auf. Sofern Sprühdosen vollständig entleert sind, können sie bei Kennzeichnung mit dem Label Der Grüne Punkt über den Gelben Sack oder die Gelbe Tonne entsorgt werden.[15] Unvollständig entleerte Spraydosen sind einer Schadstoffsammlung zuzuführen, da eine nicht sachgemäße Entsorgung von Sprühdosen Verpuffungen, Explosionen und Brände bei Lagerung, Transport und Verarbeitung des Materials zur Folge haben kann.[16]

Sprühdosen bestehen aus Aluminium und Weißblech. Nach der vollständigen Entleerung der gebrauchten Dosen werden diese Stoffe nahezu vollständig recycelt und nach Zerkleinerung und Einschmelzung sortenrein zu Blechen verarbeitet.[17] Die darin enthaltenen Gase oder Flüssigkeiten werden abgesaugt und soweit möglich zurückgewonnen oder umweltgerecht beseitigt.[18] Das Recycling von Sprühdosen benötigt weniger Energie als die Herstellung neuer Behältnisse.[19]