BioPack – Transparente Hochbarrierefolien auf Basis nachwachsender Rohstoffe
Projektleiter: Dr. Lars Blankenburg
Projektnummer: BMWi / INNO-KOM - 49MF180086
Laufzeit: 01.01.2019 bis 30.06.2021
Aufgabenstellung
Sinnvoll und nicht in übertriebenem Maße eingesetzte Verpackungen sind stets nachhaltig, weil sie Güter und Waren vor Zerstörung bzw. Verderb schützen und somit wertvolle Ressourcen schonen. Noch nachhaltiger sind sie, wenn sie selbst aus nachwachsenden Rohstoffen energiesparend hergestellt und recycelbar sind. Davon abgeleitet war das Ziel des Projektes die Kompatibilisierung einer kostengünstigen Nassbeschichtung und deren damit erzeugten SiOx-Barriereschicht mit nachwachsenden Rohstoffen als Basisfolie.
Vor allem die Nutzung von Cellulose-Folien, die bereits mit einer sehr hohen Sauerstoffsperre aufwarten, sollte den Kern der Arbeiten ausmachen. Letztlich war es das Ziel, unter bestmöglichem Erhalt der optischen und mechanischen Eigenschaften die Barriereleistung der Basisfolien mittels aus Lösung erzeugter SiOx-Nanoschichten erheblich zu verbessern und gleichzeitig Umweltverträglichkeit und eventuell einhergehend Bioabbaubarkeit in Barrierefolien und Folien mit Hochbarriereeigenschaften zu implizieren.
Ergebnisse
Nach ersten Voruntersuchungen zur Substratauswahl, inklusive der Herstellung eigener Folien auf Basis von Cellulose und deren Derivaten, gelang erstmals die Aufbringung nass-chemisch erzeugter SiOx- Nanoschichten auf einem derart breiten Spektrum an biobasierten Trägern: Polymilchsäure (PLA), PLA- Compound (30 % biobasiert), Bio-Polyethylen (bio-PE), Bio-Polyethylenterephthalat (bio-PET; 30 % biobasiert), Hydroxypropylcellulose (HPC) und Hydroxyethylcellulose (HEC), Cellulose, kommerzielle Cellulose-Folie (NatureflexTM) und Polybutylensuccinat (PBS). Es konnten Zwischenschichten appliziert und hinsichtlich der Wechselwirkungen mit dem SiOx-Folie-Schichtverbund und dessen Barrierevermögens studiert werden.
In allen Fällen ließen sich deutliche Absenkungen der Sauerstoffpermeationsraten (OTR) beobachten; die Sperrwirkung gegenüber Sauerstoff einer TITK-eigenen Cellulosefolie konnte beispielsweise mittels einer einzigen aufgesprühten SiOx-Nanoschicht von OTR = 10 cm³/(m² d bar) auf 0,8 cm³/(m² d bar) verbessert werden. Mehrschichtstapel zeigen sogar BIF (barrier improvement factors) von größer 900. Die Barrieren gegenüber Wasserdampf (WVTR) verminderten sich zwar ebenfalls (BIF 2-14), allerdings nicht in gleich hohem Maße; hier besteht nach wie vor Forschungs- und Optimierungsbedarf. Besonders erwähnenswert ist, dass die Machbarkeit von kontinuierlichen SiOx-Beschichtungen im Reel-to-Reel-Verfahren (R2R) erstmals auf mehreren Bio- Folientypen erfolgreich demonstriert wurde (z.B. PBS, siehe Abb.). Zudem wurde ein optisch transparenter, rein cellulose- und SiOx-basierter, „grüner“ Schichtverbund als Prototyp aufgebaut. Dazu wurden die Einzelkomponenten – vier SiOx-Barriereschichten und zwei Bio-Zwischenschichten (Hydroxypropylcellulose) – unter Nutzung des im Projekt entwickelten Laminierprozesses mit dem TITK-eigenen biobasierten Hotmelt Caremelt® erfolgreich kombiniert.
Anwendung
Das Vorhaben zielte auf Einzel- und Doppelt-SiOx-Schichtsysteme ab, was Barriere- bis Hochbarriere-Folien erzeugt, allerdings noch nicht Ultrahochbarriere-Niveau erreichen kann. Durch die Eigenschaftsverbesserung können bestehende Nachteile nachwachsender Materialien, die bislang einem Durchbruch im Verpackungs- bereich entgegenstehen, zum Teil ausgeglichen und dem Markt zugänglicher gestaltet werden. Durch die Kombinationen mit klassischen thermoplastischen Kunststoffen mit der Verwendung von „SiOx aus Lösung“ in Barriereverbunden wird die teilweise Substitution von erdölbasierten Materialien (EVOH, PVdC) und somit ebenfalls besseres Recycling, da wo es die spätere Anwendung und Weiterverarbeitung erlauben, möglich.
