Papier ist aus unseren Alltag nicht wegzudenken. Vor allem die Verpackungsindustrie ist auf den Wertstoff angewiesen und sieht darin zunehmend eine Alternative zu Kunststoffverpackungen. Doch gerade hier sind dem Einsatz noch Grenzen gesetzt, denn Papier reagiert empfindlich auf Feuchtigkeit, Hitze und Sauerstoff und ist daher nicht so lange haltbar. Um die Haltbarkeit zu verlängern, werden Papierverpackungen daher meist mit Kunststoffen beschichtet, die jedoch das Recycling erschweren. Im Rahmen des Projektes BioPLas4Paper haben Forschende vom Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST gemeinsam mit Partnern einen Weg gefunden, den Einsatz von pflanzenbasierten Beschichtungen zu verbessern.

In enger Zusammenarbeit mit der TU Darmstadt und dem Thünen-Institut für Holzforschung gelang es dem Fraunhofer-Team mithilfe der sogenannten Plasmapolymerisation, eine auf Pflanzenstoffen basierende Barriereschicht auf Papier zu erzeugen, die homogen und wasserabweisend ist. Zur Herstellung der Barriereschicht wurden Pflanzenstoffe wie Oregano- oder Chiaöl sowie Extraktstoffe aus Rindenmaterial genutzt, die auch für ihre antibakterielle Wirkung bekannt sind.

Pflanzliche Moleküle mit Plasma vernetzen

Bei der Polymerisation handelt es sich um ein Beschichtungsverfahren. Hier werden Pflanzenstoffe durch Zugabe von Stickstoff in ein Aerosol überführt und als dampfförmige organische Vorläuferverbindungen in das Plasma eingeschleust, wo sie sich zu Plasmapolymeren verbinden. Diese winzigen Tröpfchen vernetzen sich mit dem Papier. Den Forschenden zufolge legen sie sich flächig auf das raue Papiersubstrat und dringen tief in die Poren und Fasern der Oberfläche ein. 

„Erst durch den Einsatz des Plasmas werden die pflanzlichen Moleküle reaktiv und vernetzen sich zu Polymeren“, erklärt Martin Bellmann, vom Fraunhofer IST in Braunschweig. Im Projekt konnten die Forschenden nachweisen, dass sich die biobasierten Stoffe mittels Plasma „reproduzierbar und homogen abscheiden und abtrennen lassen“. Besonders wasserabweisend waren demnach Beschichtungen mit Oliven- und Chiaöl. Abhängig von den Vorläuferverbindungen und den Beschichtungsparametern konnte das Team die Barriereschichten beeinflussen und optimieren.

Neues Plasmaquellenkonzept entwickelt

Plasma wird mittels einer Plasmaquelle durch die Ionisierung von Gas zwischen zwei rotationssymmetrischen Elektroden erzeugt, an die Hochspannung angelegt wird. Im Rahmen des Projekts BioPlas4Paper wurde nun ein neuartiges Plasmaquellenkonzept entwickelt, mit dem unter Atmosphärendruck eine reproduzierbare Prozessumgebung geschaffen werden kann, die die Einflüsse der Umgebungsluft auf ein Minimum reduziert und so homogene, reproduzierbare Beschichtungsergebnisse erreicht. 

Verändert wurden demnach die geometrische Anordnung der Elektroden und die Art, wie das Aerosol eingeleitet und das Plasma gezündet wird. „Aufgrund der Rauheit der Papieroberfläche kommt es bei hohen Verarbeitungsgeschwindigkeiten zur Verwirbelung der Umgebungsluft, was die Plasmaeigenschaften verändert. Diese schädlichen Einflüsse können wir durch unser Konzept vermeiden“, sagt Bellmann. Die Umgebungsluft wird komplett verdrängt, weil die Plasmaquelle dicht an die Papieroberfläche herangeführt wird.

Einsatzmöglichkeiten für pflanzenbasierte Beschichtungen erweitert

Das Vorhaben BioPlas4Paper wurde vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) von Mai 2021 bis April 2024 gefördert. Mithilfe des neuen Verfahrens haben die Forschenden die Einsatzmöglichkeiten pflanzenbasierter Beschichtungen für Papierverpackungen nicht nur erheblich verbessert, sondern auch für anspruchsvollere Anwendungen nutzbar gemacht. „Ein Anwendungsbeispiel sind Umzugskartons, die mit unseren hydrophoben Schichten auch länger Regen ausgesetzt sein können, ohne aufzuweichen“, sagt Bellmann.

bb