Der umweltschädliche Plastikmüll hat in Deutschland in den letzten Jahren kontinuierlich zugenommen. Besonders viel Abfall entsteht durch Verpackungen. Pflanzliche Beschichtungen für Papierverpackungen könnten in Zukunft eine nachhaltige Alternative darstellen.
Im Projekt BioPlas4Paper haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Oberflächentechnik und Dünnschichten IST und Projektpartner mithilfe eines Beschichtungsverfahrens namens Plasmapolymerisation wasserabweisende und pflanzliche Barrierebeschichtungen auf Papier erzeugt und so die Widerstandsfähigkeit des Papiers gegenüber dem verbessert Auswirkungen des Wetters.
Nach wie vor stellen Kunststoffverpackungen ein großes Problem für die Umwelt dar. Papier hingegen besteht aus nachwachsenden Rohstoffen. 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 des Materials voll auszuschöpfen, Recyclingmöglichkeiten zu verbessern, Kunststoffverpackungen zu ersetzen und neue Anwendungsfelder zu erschließen, müssen wir die Lebensdauer, Haltbarkeit und Qualität von Papierprodukten verbessern.
Dieser Aufgabe widmen sich Forscher des Fraunhofer IST im Projekt BioPlas4Paper in enger Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Darmstadt und dem Thünen-Institut für Holzforschung.
Um homogene, feuchtigkeitsabweisende Beschichtungen auf Papier zu erzeugen, setzen die Projektpartner auf Pflanzenstoffe wie Oregano und Chiaöl sowie auf aus Rinde gewonnene Extrakte. 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 bisher noch unerschlossene Pflanzenstoffe mit einem hohen Anteil an ungesättigten Fettsäuren. Dabei nutzen wir die Atmosphärendruck-Plasmatechnik, bei der Gas unter Umgebungstemperatur mit Hochspannung angeregt wird.“ Durch Druck entsteht ein Plasma, also ein Teilchengemisch aus Ionen, freien Elektronen und meist neutralen Atomen oder Molekülen. Dabei kommt es zu einer Entladung zwischen den Elektroden“, sagt Martin Bellmann, Forscher am Fraunhofer IST in Braunschweig.
Durch die Zugabe von Stickstoff werden die Pflanzenstoffe in ein Aerosol umgewandelt und dieses als verdampfte organische Vorläufer zur Bildung von Polymernetzwerken in das Plasma eingebracht.
Fachleute bezeichnen diesen Vorgang, bei dem die Vorläufer durch das Plasma aktiviert werden, als 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.
„Das Plasma ist entscheidend dafür, dass die Pflanzenmoleküle reaktiv werden und sich zu Polymeren vernetzen können“, erklärt Bellmann.
Innovatives Plasmaquellenkonzept
Das Plasma wird mithilfe einer Plasmaquelle erzeugt, indem Gas zwischen zwei rotationssymmetrischen Elektroden, an die Hochspannung angelegt wird, ionisiert wird. Neu ist 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“, sagt Bellmann.
Die Plasmaquelle wird nahe an der Papieroberfläche angebracht und verdrängt dadurch die Umgebungsluft vollständig. Um das Papier selbst, die biobasierten Vorläufermoleküle und die Eigenschaften der entstehenden Plasmapolymere nicht zu beeinträchtigen, arbeiten die Forscher mit Plasmatemperaturen von rund 70 Grad Celsius.
Wasserabweisende Beschichtungen mit Olivenöl
Durch zahlreiche Tests mit unterschiedlichsten Pflanzenölen und -extrakten konnten die Forscher nachweisen, dass biobasierte Materialien mithilfe von Plasma reproduzierbar und homogen abgetrennt bzw. abgeschieden werden können.
Hervorragende hydrophobe Beschichtungen lassen sich beispielsweise mit Olivenöl und Chiaöl erzielen. Abhängig von den verwendeten Vorläufern und den Beschichtungsparametern können die Forscher Einfluss auf die Beschichtungen nehmen und diese optimieren. Ziel ist es, Papier für immer anspruchsvollere Anwendungsfälle vorzubereiten und in Zukunft sogar Kunststoffmaterialien zu ersetzen.
„Ein Beispiel sind Umzugskartons, die mit unseren 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 ressourceneffizienten Wirtschaft zu unterstützen“, sagt Bellmann.