Entwicklung von plasmabeschichtetem Papier als Alternative zu Kunststoff für die Verpackungsindustrie

Der umweltschädliche Plastikmüll hat in Deutschland in den letzten Jahren weiter zugenommen. Besonders viel Abfall entsteht durch Verpackungen. Pflanzliche Beschichtungen für Papierverpackungen könnten in Zukunft eine nachhaltige Alternative darstellen.

Im Projekt BioPlas4Paper nutzten Forscher des Fraunhofer-Instituts für Oberflächentechnik und Dünnschichttechnik IST und Projektpartner ein Beschichtungsverfahren namens Plasmapolymerisation, um wasserabweisende und hitzebeständige Barrierebeschichtungen auf dem Papier zu erzeugen und so die Eigenschaften des Papiers zu verbessern Witterungsbeständigkeit. Auswirkungen des Wetters.

Kunststoffverpackungen bleiben ein großes Problem für die Umwelt. Papier wiederum wird aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt. Sein Vorteil gegenüber erdölbasiertem Kunststoff besteht darin, dass es sich zersetzt und nicht viele Jahre im Boden verbleibt.

Allerdings bietet ungestrichenes Papier keine Barriere gegen Feuchtigkeit oder Sauerstoff. Normalpapier ist temperaturempfindlich, reagiert stark auf Feuchtigkeit und Bakterien und zeichnet sich durch unebene Oberflächen aus.

Um das Potenzial dieses Materials voll auszuschöpfen, Recyclingmöglichkeiten zu verbessern, Kunststoffverpackungen zu ersetzen und neue Anwendungsbereiche zu erschließen, müssen wir die Lebensdauer, Haltbarkeit und Qualität von Papierprodukten verbessern.

Dieser Aufgabe widmen sich Forscher des Fraunhofer IST im Rahmen des Projekts BioPlas4Paper in enger Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Darmstadt und dem Thünen-Holzforschungsinstitut.

Um homogene, wasserabweisende Beschichtungen auf Papier zu erzeugen, setzen die Projektpartner auf Pflanzenstoffe wie Oregano und Chiaöl sowie aus der Rinde gewonnene Extraktionsstoffe. Diese Pflanzenstoffe weisen unter anderem eine antibakterielle Wirkung auf.

Biobasierte Plasmapolymere vernetzen sich mit der Papieroberfläche

„Um das Papier hydrophob, also wasserabweisend, zu machen, nutzen wir bislang ungenutzte Pflanzenstoffe mit einem hohen Anteil an ungesättigten Fettsäuren. Dabei nutzen wir die Atmosphärendruck-Plasmatechnik, bei der das Gas bei Raumtemperatur mit Hochspannung angeregt wird.“ „Durch den Druck entsteht ein Plasma, also ein Gemisch aus Teilchen aus Ionen, freien Elektronen und meist Atomen oder neutralen Molekülen“, erklärt Martin Bellmann, Forscher am Fraunhofer IST in Braunschweig .

Durch die Zugabe von Stickstoff werden die aerosolisierten Pflanzenstoffe umgewandelt und als verdampfte organische Vorläufer in das Plasma eingebracht, um Polymernetzwerke zu bilden.

Fachleute nennen diesen Prozess, bei dem Vorläufer durch Plasma aktiviert werden, Plasmapolymerisation. Die mikrometergroßen Partikel verbinden sich zu Plasmapolymeren. Die winzigen Tröpfchen vernetzen sich außerdem mit dem Papier und verteilen sich gleichmäßig auf dem Rohpapiersubstrat, wobei sie tief in die Poren und Fasern der Oberfläche eindringen.

„Plasma ist wichtig, um pflanzliche Moleküle reaktiv zu machen und sie zu Polymeren vernetzen zu lassen“, sagt Bellmann.

Innovatives Plasmaquellenkonzept

Plasma wird mithilfe einer Plasmaquelle erzeugt, indem ein Gas zwischen zwei symmetrisch rotierenden Elektroden, an die eine Hochspannung angelegt wird, ionisiert wird. Neu sind die geometrische Anordnung der Elektroden und die Art und Weise, wie das Aerosol eingebracht und das Plasma gezündet wird.

Durch die Kombination dieser Maßnahmen entsteht ein innovatives Konzept, das die Forscher speziell für das Projekt entwickelt haben und das es ermöglicht, unter atmosphärischem Druck auch bei höheren Beschichtungsgeschwindigkeiten die Auswirkungen der Umgebungsluft zu minimieren und gleichzeitig konsistente und reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen.

„Bei hohen Verarbeitungsgeschwindigkeiten führt die Rauheit der Papieroberfläche zu Turbulenzen in der Umgebungsluft und verändert die Eigenschaften des Plasmas. Mit unserem Konzept können wir diese schädlichen Effekte vermeiden“, erklärt Bellmann.

Die Plasmaquelle wird nahe an der Oberfläche des Papiers angebracht und verdrängt so die umgebende Luft vollständig. Um das Papier selbst, die biologisch gewonnenen Vorläufermoleküle und die Eigenschaften der erzeugten Plasmapolymere nicht zu beeinträchtigen, arbeiten die Forscher mit Plasmatemperaturen von etwa 70 Grad Celsius.

Wasserabweisende Beschichtungen auf Basis von Olivenöl

Zahlreiche Tests mit einer Vielzahl von Ölen und Pflanzenextrakten haben es den Forschern ermöglicht, zu zeigen, dass biobasierte Materialien mithilfe von Plasma reproduzierbar und homogen abgetrennt oder abgeschieden werden können.

Hervorragende hydrophobe Beschichtungen lassen sich beispielsweise mit Olivenöl und Chiaöl erzielen. Abhängig von den verwendeten Vorläufern und den Beschichtungsparametern können Forscher Einfluss auf die Beschichtungen nehmen und diese optimieren. Ziel ist es, Papier für immer anspruchsvollere Anwendungen vorzubereiten und in Zukunft sogar Kunststoffmaterialien zu ersetzen.

„Ein Beispiel sind Umzugskartons, die dank unserer hydrophoben Beschichtungen auch längeren Regenperioden standhalten, ohne weich zu werden. Unser Ziel ist es, die Abhängigkeit von fossilen Ressourcen zu verringern und den Übergang zu einer effizienten Wirtschaftlichkeit bei der Ressourcennutzung zu unterstützen“, sagt Bellmann.