Ziel der Entwicklung
Nachwachsende und recycelbare Materialien wie Papier zeichnen sich in der Regel durch ihre faserige Struktur aus. Diese Struktur macht sie besonders wasser- und schmutzaufnahmefähig und durchlässig für Gase wie Sauerstoff und Wasserdampf. Dies kann die Stabilität der Verpackungsmaterialien erheblich beeinträchtigen und in vielen Anwendungsfällen nachteilige Auswirkungen haben. Zum Beispiel können diese Eigenschaften im Verpackungsbereich dazu führen, dass nicht ausreichend Schutz gegen Permeation, Migration und Absorption für den Inhalt der Verpackung gewährleistet ist. Dies wiederum kann bei empfindlichen Produkten in der Lebensmittelindustrie oder der Medizintechnik zu unerwünschten Reaktionen führen, die sich in Form von Geschmacksveränderungen (Off-Flavor), Farb- und Stabilitätsverlusten sowie mikrobiologischem Verderb des Inhalts bemerkbar machen. Darüber hinaus sind die Verpackungsmaterialien selbst anfällig für Feuchtigkeit, was ihre Wiederverwendbarkeit und Langzeitstabilität oft einschränkt.
Auf dem Verpackungsmarkt gibt es derzeit zahlreiche Beschichtungslösungen, die auf Polyvinylalkoholen, Acrylaten und Epoxiden basieren. Angesichts der Recyclingvorschriften der EU, wie dem VerpackG-Gesetz, und der neuen Richtlinie für Einwegplastik (SUPD), suchen viele Hersteller und Anwender nach umweltfreundlicheren Beschichtungen. Darüber hinaus steigen viele Unternehmen von Kunststoffverpackungen auf faserbasierte Verpackungen um, um von einer effizienten Kreislaufwirtschaft zu profitieren.
Das entwickelte Mehrschichtsystem soll mit auf dem Markt erhältlichen Beschichtungslösungen kombiniert werden, und durch den Einsatz anorganischer Barrierebeschichtungen und biologisch abbaubarer Ausgleichbeschichtungen das Recycling verbessern, was die Anwendungsmöglichkeiten- und Recyclingzyklen von Papier- und Fasermaterialien erweitert.
Vorteile und Lösungen
Kaum ein nasschemisches Verfahren erweist sich so vielseitig wie die Sol-Gel-Technik. Diese Methode findet Anwendung auf einer breiten Palette von Substratmaterialien, darunter Glas und Metall, aber auch temperaturempfindliche Werkstoffe wie Polymere, Textilien und Fasermaterialien. Dank der Fülle an verfügbaren Vorläufersubstanzen und der präzisen Steuerung der Reaktionsbedingungen können vielfältige Schichteigenschaften erzielt werden, die unabhängig vom jeweiligen Substratmaterial sind. Die Versiegelung von Fasermaterialien gestaltet sich aufgrund ihrer speziellen strukturellen Beschaffenheit als anspruchsvoll, da sie Mikrometer-Zwischenräume und äußerst raue Oberflächen aufweisen. Aus diesem Grund wird zunächst eine Ausgleichsschicht auf Basis modifizierter Polysaccharide wie Stärkeester oder Chitosan aufgetragen, um das Substrat grundlegend zu versiegeln. Anschließend können dünne Sauerstoffbarrierebeschichtungen in Form von Hybridpolymeren oder Nanocompositen mithilfe der Sol-Gel-Technik hergestellt und aufgetragen werden. Die Haftungseigenschaften zwischen den beiden Beschichtungen können bei Kompatibilitätsproblemen über Plasma- oder Combustion Chemical Vapor Deposition Vefahren unter Atmosphärendruck eingestellt werden.
Durch die erfolgreiche Glättung der Oberfläche mittels Ausgleichsbeschichtung können dünnere Barrierebeschichtungen bessere Sauerstoffbarrieren auf rauen Substraten erzielen.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die Ergebnisse und Entwicklungen dieses Projekts könnten in verschiedenen Märkten von Interesse sein. Zum einen wäre da der Endkundenmarkt, der Papierhersteller, Papierveredelung sowie die Verpackungs- und Lebensmittelbranche umfasst. Zum anderen könnten Transferunternehmen wie Lack- und Beschichtungshersteller von dem Mehrschichtsystem profitieren.
Das entwickelte Mehrschichtsystem kann auch erfolgreich mit auf dem Markt erhältlichen Beschichtungslösungen kombiniert werden, was die Anwendungsmöglichkeiten von Papier- und Fasermaterialien erweitert. Die deutsche Papierindustrie verzeichnete in den letzten Jahren einen erheblichen Umsatzanstieg, von 36,62 Milliarden Euro im Jahr 2012 auf einen Branchenumsatz von 49 Milliarden Euro im Jahr 2022. Lebensmittelverpackungen allein machten im Jahr 2020 mit einem Verbrauch von 8.678,1 Tausend Tonnen einen signifikanten Anteil aus. In den vergangenen Jahren hat die Industrie verstärkt auf umweltfreundliche Primärverpackungen gesetzt.
Beschichtete Papiere spielen eine wesentliche Rolle in Branchen wie Druck, Verpackung und Etikettierung. Die Branche ist von einem intensiven Wettbewerb geprägt, wobei führende Unternehmen wie Stora Enso, UPM und Mondi neben zahlreichen kleineren Herstellern agieren, die sich auf Nischenmärkte spezialisiert haben. Wichtige Wettbewerbsfaktoren sind die Qualität, Leistung, Verfügbarkeit und Preisgestaltung der Papiere. Hersteller müssen hochwertige Produkte zu wettbewerbsfähigen Preisen bieten und gleichzeitig innovative Lösungen entwickeln, um sich abzuheben. Die Wettbewerbssituation wird stark von technologischer Innovation beeinflusst, wobei Unternehmen mit neuen Ideen einen Wettbewerbsvorteil erlangen können. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass der Markt für beschichtete Papiere von Dynamik und Innovationsfähigkeit geprägt ist. Erfolgreiche Unternehmen werden solche sein, die Qualität, Wettbewerbsfähigkeit und Innovation in Einklang bringen können.
Im Rahmen eines Folgeprojekts streben wir die praktische Umsetzung der Projektergebnisse an, indem wir die entwickelten Beschichtungen in die Geschäftsprozesse unserer Transferunternehmen integrieren. Dieses spezielle Projekt beinhaltet eine Schichtentwicklung zur Verbesserung der Wasserdampfbarriere auf Grundlage des erlangten Wissens aus diesem Projekt und erfolgt in Zusammenarbeit mit einem Spezialpapierhersteller.
