Drei Papiertüten/-formen.

Papier als Basismaterial mit einer entsprechenden Barriere zu versehen, ist eines der Forschungsfelder beim Fraunhofer IVV, wenn es um mehr Nachhaltigkeit bei Verpackungsmaterialien geht. (Bild: KPad _stock.adobe.com)

Ein ausreichender Produktschutz wird unter anderem erreicht, indem Verpackungen so konzipiert werden, dass sie das Eindringen oder Austreten von Gasen wie zum Beispiel Sauerstoff und Wasserdampf verhindern oder reduzieren. Die Anforderungen durch die Produkte sind dabei oft komplex. Je nach Füllgut muss die Verpackung auf die benötigte Barrierewirkung ausgerichtet werden. Die Barriere von Kunststoffverpackungen hängt massiv vom eingesetzten Kunststofftyp und der Schichtdicke der Kunststoffe ab. Da nicht jeder Kunststofftyp die gleichen Barriereeigenschaften aufweist, werden oftmals verschiedene Kunststoffe kombiniert, um beispielsweise eine optimale Sauerstoffbarriere mit einer bestmöglichen Wasserdampfbarriere und weiteren materialspezifischen Eigenschaften wie zum Beispiel Steifigkeit und Siegelbarkeit zu vereinen. Diese Multimaterialverbunde sind allerdings oft schlecht rezyklierbar. An der Entwicklung von rezyklierbaren Monomaterialien mit funktionellen Barrieren, die vergleichbar gute Barrierewerte wie Materialverbunde aufweisen, wird derzeit intensiv im Fraunhofer IVV mit vielversprechenden Ergebnissen geforscht. Papier als Basismaterial mit einer entsprechenden Barriere zu versehen, ist daher eines der priorisierten Forschungsfelder, wenn es um mehr Nachhaltigkeit bei Verpackungsmaterialien geht. Papier gilt als nachwachsender und bioabbaubarer Rohstoff und führt vor allem beim Verbraucher zu einem ökologischen Produkteindruck. Beim Einsatz von Papier muss beachtet werden, dass dieser Packstoff selbst weder Gas- und Wasserdampfbarriere noch Siegelfähigkeit oder Fettdichtigkeit aufweist. Durch die vielen Poren zwischen den Papierfasern diffundieren Gase wie Sauerstoff, Kohlendioxid, Stickstoff, Wasserdampf oder Aromen. Man spricht hier auch von „freier Diffusion“. Im Gegensatz dazu haben Kunststoffe im Normalfall keine Poren, weshalb ein sogenannter Lösungs-Diffusions-Prozess stattfindet. Dabei lösen sich die Gasmoleküle chemisch in der Kunststoffschicht. Wenn sie eingedrungen sind, diffundieren sie durch die Kunststoffschicht und treten auf der anderen Seite wieder aus dieser heraus. Wie einfach die Moleküle durch diese Schicht wandern können, hängt zum Beispiel von der chemischen Wechselwirkung zwischen Gasmolekül und Kunststoff sowie der kristallinen Struktur der Kunststoffe ab.

Beschichtungsanlage.
Beschichtungsanlage im Technikum des Fraunhofer IVV. (Bild: Fraunhofer IVV)

Papier beschichten – der Weg zur gewünschten Barriere

Auf einer etwas ausgerollten Papierrolle steht ein kleines Glas mit brauner Flüssigkeit, und zwei flache Glasschälchen mit braunem Granulat.
Biobasierte Beschichtungen auf Papier. (Bild: Fraunhofer IVV)

Um Papier eine ähnlich gute Barriere wie Kunststoffen zu verleihen, ist daher eine Beschichtung nötig, die ebenfalls zu einem Lösungs-Diffusions-Prozess führt. Diese Beschichtung kann beispielsweise mittels drei verschiedener Verfahren aufgebracht werden: aus der Schmelze (Extrusionsbeschichtung), aus der Lösung (nasschemische Beschichtung) und zusätzlich aus der Gasphase (Physical Vapor Deposition). Bei der Extrusionsbeschichtung werden Kunststoffe aufgeschmolzen und anschließend durch eine flache Düse dünn auf das Papier extrudiert. Die Kunststoffschicht liegt innenseitig auf der Verpackung, sodass nach außen die Papieroberfläche mit Haptik und Optik wirken kann. Der Vorteil dieser Funktionalisierung liegt darin, dass damit eine Barriere erzielt wird, die der des reinen Kunststoffes entspricht. Als Nachteil ist die schlechte Rezyklierbarkeit zu benennen; Kunststoff- und Papierschicht können in der Regel nicht voneinander getrennt werden und somit - wenn überhaupt - nur einer der beiden Werkstoffe, das heißt entweder Papier oder Kunststoff, recycelt werden. Die Recyclingfähigkeit ist damit oft nicht besser als bei herkömmlichen Multi-Kunststoffverpackungen. Es gibt hier einige Ansätze, bei denen die mechanische Trennung der beiden Fraktionen durch den Konsumenten ermöglicht werden soll. Die Herausforderung liegt hierbei jedoch in der Information und Motivation des Konsumenten, beide Komponenten zu trennen und die Werkstoffe ihren einzelnen Fraktionen zuzuführen. Auch die Kombination mit biobasierten oder bioabbaubaren Kunststofffolien ist bei einer Extrusionsbeschichtung möglich. Hier ist jedoch immer zu hinterfragen, ob eine Bioabbaubarkeit sinnvoll ist, da das Produkt in der Umwelt endet, oder ob für den biobasierten Anteil ein entsprechender Recyclingstrom existiert.

Drei kleine Beutel. Links in silber, rechts aus weißem Papier und in der Mitte durchsichtig mit einer orangenen Flüssigkeit.
Packstoffe im Wandel – von Kunststoff zu Papier. (Bild: Fraunhofer IVV)

Bei der nasschemischen Beschichtung werden fossilbasierte, biobasierte und/oder bioabbaubare Beschichtungen auf Papier aufgebracht. Dies erfolgt durch klassische Applikationsverfahren: durch den Auftrag mittels Gravurwalzen, Sprühbeschichtungen oder Ähnliches. Hierbei können sehr geringe Beschichtungsmengen appliziert werden, was für die Rezyklierbarkeit von großem Vorteil sein kann. Eine dünnere Schicht kann allerdings auch zu einer geringeren Barriere und damit zu weniger Produktschutz führen. Zudem ist die Wahrscheinlichkeit von Defekten in der Gasbarriere bei einer nasschemischen Beschichtung deutlich höher. Sobald hier kleinste Defekte im Mikrometerbereich auftreten, verringern diese massiv die Barrierewirkung. Die Effekte sind hier ähnlich wie bei den Poren im Papier: es kommt nicht zum Lösungs-Diffusions-Prozess, sondern zur sogenannten freien Diffusion. Um solche Defekte zu reduzieren, ist die richtige Kombination von Papier, Beschichtungstechnologie und Beschichtungsmedium ausschlaggebend. Bei der dritten Möglichkeit, der Gasphasenabscheidung, wird Aluminium oder Siliciumoxid verdampft. Die Substanzen kondensieren dann auf der Oberfläche des Packstoffes und bilden dort eine Schicht von circa 60 nm. Dieser Prozess ist in der Kunststoffindustrie weit verbreitet, um die Gasbarriere der auf diese Art beschichteten Folien zu verbessern. In der Papierindustrie ist dieser Prozess derzeit in der Entwicklung und kann im Fraunhofer IVV im Pilotmaßstab angewendet werden. Die Herausforderung bei diesem Prozess ist unter anderem die relativ raue Papieroberfläche, da sie im Mikrometermaßstab die defektfreie Beschichtung mit einer nanometerdünnen Beschichtung erschwert. Vorteil dieser Gasbarrierebeschichtung ist die extrem geringe Schichtdicke, welche die Rezyklierbarkeit nur unwesentlich beeinflusst. Im Projekt „BiPaRe“ untersucht das Fraunhofer IVV in Kooperation mit der Papiertechnischen Stiftung PTS, inwiefern sich verschiedene Auftragstechnologien, wie die nasschemische Beschichtung oder die Extrusion, und die Beschichtungstypen, wie biobasiert, bioabbaubar, fossil, industriell verfügbare Beschichtungen und Laborentwicklungen, auf die Rezyklierbarkeit auswirken. Gefördert wird das Projekt durch das BMWI mit dem Förderkennzeichen 21805 BG. Um die Qualität der papierbasierten Verpackungen hinsichtlich ihrer Barriereeigenschaften zu prüfen, werden am Fraunhofer IVV systematische Untersuchungsmethoden erarbeitet, auch in Zusammenarbeit mit Industriepartnern. Hier wird der Fokus hauptsächlich auf die Probenpräparation gelegt, um den Einfluss der Porosität des Papiers zu minimieren. Die richtige Auswahl und Kombination von Papier, Beschichtungsmedium und Beschichtungstechnologie ist für den Erfolg auschlaggebend.

Quelle: Fraunhofer IVV

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