Querdenken für neue Verpackungslösungen
Fraunhofer-Kompetenz in der Veredelung von Kunststofffolien
Quelle: Fraunhofer POLO
Während der aktuell in München veranstalteten International Converting Exhibition Europe ICE (10.-12. März 2015) präsentiert die Fraunhofer-Allianz für Polymere Oberflächen POLO® neue Entwicklungen in der Modifizierung und Veredelung von Kunststofffolien. Unter dem Motto „New films - new opportunities - No shelf life without a suitable film“ werden in Halle A5 am Stand 1031 ganz unterschiedliche Anwendungsmöglichkeiten leistungsstarker Folien gezeigt. Ein Thema widmet sich dem Verkapseln von Vakuumisolationspaneelen und organischen Photovoltaikmodulen sowie aktiven Verpackungsmaterialen – die nur möglich sind mit der passenden Folie.
Das Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV zeigt Vakuumisolationspaneele (VIPs), die im Vergleich zu herkömmlichen Isolationsmaterialien eine viermal höhere Dämmwirkung bei gleichzeitiger Platzeinsparung erzielen. VIPs bestehen aus Dämmplatten, die in hoch gasdichter Barrierekunststofffolie vakuumverpackt werden. Das Vakuum wird durch die umhüllende Folie aufrechterhalten. Vakuumtechnisch aufgedampfte, anorganische Barriereschichten werden mit organischen Schichten kombiniert. Die anorganischen Schichten bestehen aus Aluminium oder bei transluzenten Folien aus verschiedenen Oxiden. Sowohl das Kernmaterial als auch die Barrierefolien können mit kostengünstigen Prozessen hergestellt werden.
Quelle: © Knud Dobberke für Fraunhofer ISC
Für flexible Kunststoff-Solarzellen entwickelt das Fraunhofer IVV an seiner einzigartigen Lackier- und Kaschieranlage Hochbarriere-Laminate. Im Vergleich zu herkömmlichen Solarzellen haben sie ein geringeres Gewicht und sind aufgrund der Herstellung in einem kontinuierlichen Rolle-zu-Rolle-Prozess deutlich kostengünstiger. Damit die einzelnen Schichten der organischen Solarzellen vor Sauerstoff und Wasserdampf geschützt sind, müssen sie mit Barrierefolien verkapselt werden. Diese bestehen aus einer Kunststofffolie als Substrat und mehreren alternierenden Schichten aus anorganischen Schichten und Hybridpolymeren, einer Entwicklung des Fraunhofer ISC.
Um die angestrebte Lebensdauer von 20 Jahren zu erreichen, müssen die Folien zusätzlich gegen Umwelteinflüsse, wie z. B. UV-Licht, hohe bzw. niedrige Temperaturen, Regen und auch mechanische Beanspruchung stabilisiert werden. Eine Reihe aktiver Barrieren als interessante Ergänzungen für Verpackungsmaterialien erzielt das Fraunhofer IVV mit Sauerstoff-Absorbern, die in einer Folie oder einer Beschichtung eingearbeitet sind. Der Sauerstoff wird so dem Kopfraum entzogen und dadurch das Füllgut über den Zeitraum bis der Absorber kapazitätsmäßig erschöpft ist, fast vollständig gegen den Einfluss von Sauerstoff geschützt. Solche Absorber gibt es auch für Ethylen (Reifungsgas) und für Feuchtigkeit. Ein Spezialfall davon ist die gezielte Erzeugung einer idealen relativen Feuchte in der Verpackung, wobei die ideale Feuchtigkeit unterhalb der Grenze des Mikroorganismen-Wachstums und oberhalb der Austrocknung der Lebensmittel eingestellt werden kann.
Großflächige Anti-Eisbeschichtungen auf Folien
Sicherheit geht vor, z. B. auch im Flugverkehr. Die Auswirkungen tiefer Temperaturen im Winter hat fast jeder Flugreisende schon einmal zu spüren bekommen. Fällt das Thermometer unter null Grad, müssen zugefrorene Tragflächen von Flugzeugen zuvor mit Enteisungsmittel aufwendig enteist werden. Eis auf den Flügeln stört die Aerodynamik – die für den Auftrieb notwendige laminare Strömung könnte abreißen. Nicht nur im Luftfahrtbereich sind vereiste Oberflächen störend. Auf Rotorblättern von Windenergieanlagen kann sich ebenfalls unerwünscht Eis bilden. Es kommt zu einer Unwucht bzw. die Aerodynamik wird gestört. Die Rotorblätter müssen entweder aktiv beheizt oder die Anlage muss abgeschaltet werden: das kostet Energie und Geld.
Das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen und Bioverfahrenstechnik IGB entwickelte daher zusammen mit Partnern in dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreuten Verbundprojekt »Nanodyn« (www.nanodyn.org) eine Anti-Eis-Ausrüstung für Kunststoffoberflächen. Hierfür erzeugen wir wasserabweisende mikro- und nanostrukturierte Schichten, auf denen Wasser auch bei Temperaturen unter null Grad flüssig bleibt und sich somit erst gar kein Eis bildet. Der Grund: Die Schichten bieten dem Wasser, das gefrieren will, keine Kristallisationskeime auf der Oberfläche und es verbleibt in einem »stark unterkühlten« (engl. supercooled) Zustand. Und selbst wenn das Wasser gefriert, vermindert die Anti-Eis-Ausrüstung die Haftung von Eis um mehr als 90 Prozent gegenüber der unbeschichteten Oberfläche.
Prozesskontrolle für Imprägnierung und Lackierung
Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP demonstriert wie mit Hilfe von Fluoreszenzfarbstoffen Beschichtungsprozesse kontrolliert und Materialien als Schutz vor Plagiaten markiert werden können. Dünne organische Schichten auf Polymerfolien im Produktionsprozess zu vermessen, stellt eine technische Herausforderung dar, insbesondere wenn beide - Schicht und Folie - transparent sind. Fraunhofer POLO® stellte sich dieser schwierigen Aufgabe, als für die Herstellung von Ultrabarrierefolien ORMOCER®-Schichten mit Dicken von deutlich weniger als einem Mikrometer aufgetragen werden sollten. Das Problem konnte gelöst werden, indem der Lack mit einem Fluoreszenzfarbstoff versetzt wurde.
Fluoreszenz ist sehr empfindlich nachweisbar, so dass ausgesprochen kleine Farbstoffkonzentrationen im Bereich einiger ppm (parts per million) ausreichen. Derart kleine Mengen sind nicht sichtbar und beeinflussen die Eigenschaften des Materials nicht. Mit der Dicke der Lackschicht variiert auch die Intensität der Fluoreszenz, so dass die Verteilung der Dicken über die Fläche abgebildet werden kann. Da die Fluoreszenz einiger Farbstoffe von der molekularen Umgebung abhängt, gelingt es, neben der Schichtdicke, auch den Aushärtungszustand eines reaktiven Lackes zu erfassen. Diese Vorgehensweise ermöglicht darüber hinaus, ein Material eindeutig zu markieren, um es z. B. von Plagiaten unterscheiden zu können.
Biobasierte und bioabbaubare Barriereschichten
Das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC zeigt Prototypen für neue Verpackungsmaterialien auf der Basis nachwachsender Rohstoffe, die mit neuartigen bioabbaubaren Barriereschichten ausgerüstet wurden. Auf der Suche nach ressourcenschonenden Alternativen zu erdölbasierten Kunststoffen werden die Grenzen heutiger bioabbaubarer Bio-Kunststoffe schnell deutlich. Insbesondere die Barrierewirkung gegenüber Feuchte und Gasen ist oft nicht ausreichend. Auch die Bioabbaubarkeit stellt sich als nicht unproblematisch heraus. Diese Schwierigkeiten gehen Forscher im europäischen Projekt „DibbioPack“, kurz für Development of Injection and blow extrusion molded BIOdegradable and multifunctional PACKages by nanotechnology an (www.dibbiopack.eu). Mitbeteiligt ist das Fraunhofer ISC. Das Institut hat neuartige bioabbaubare Funktionsschichten, sogenannte bioORMOCER®e entwickelt. Diese können wie ein Lack auf biologisch abbaubare Folien und andere Kunststoffsubstrate aufgetragen werden und bilden so eine funktionelle Barriere. Sie hält Sauerstoff, Wasserdampf, Aromen oder chemische Substanzen vom Inhalt fern oder lässt sie umgekehrt nicht entweichen. Bislang sind diese Anforderungen mit herkömmlichen biologisch abbaubaren Materialien nicht zu erfüllen.
Die Forscher des Fraunhofer ISC verwenden Naturstoffe, die biologisch abbaubar sind und von sich aus eine gute Barrierewirkung entfalten. Für die neuartigen bioORMOCER®e modifizierten sie Biopolymere wie Cellulose und Chitosan chemisch so, dass man sie zu Lacken verarbeiten kann. Gebunden werden diese Stoffe durch ein anorganisches Gerüst aus Siliciumdioxid, das wiederum selbst über gute Barriereeigenschaften verfügt. Dieses Gerüst zerfällt zwar nicht im natürlichen Abbauprozess wie alle anderen verwendeten Naturstoffe, doch bleiben beim Abbau nur kleine Reste von Siliciumdioxid, sprich Sand, übrig. Erste Versuche zeigen bei bestimmten Rezepturen bereits nach sechs Wochen deutlichen Zerfall, die Abbauraten können jedoch an die gewünschten Verpackungseigenschaften angepasst werden. Nun wird der Abbauprozess im Rahmen des bis März 2016 laufenden Projektes nach internationalen Normen geprüft.
Beschichten unter Atmosphäre und im Vakuum – eine innovative Kombination
Das Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP ist ein führender Anbieter von Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet von Vakuum-Dünnschichttechnologien. Für eine Reihe von Anwendungen der vom Fraunhofer FEP adressierten Branchen sind jedoch auch Beschichtungsverfahren unter Normaldruck interessant. Das Fraunhofer FEP erweitert daher seinen Park an Pilotanlagen um eine Beschichtungsanlage, die unter Normalatmosphäre arbeitet – die atmoFlex. Auf der ICE 2015 präsentiert das Fraunhofer FEP zum ersten Mal das neue Anlagenkonzept.
In Vakuumprozessen werden Oberflächen mit extrem dünnen Funktionsschichten versehen, die viele interessante Eigenschaften aufweisen. Handys, Computerbildschirme oder die goldglänzende Kaffeeverpackung wären ohne sie nicht denkbar. Einen großen Nachteil haben diese Schichten auf Grund ihrer geringen Dicke jedoch – ihre mechanische Empfindlichkeit. Diesem Umstand widmet sich unter anderem ein neues Arbeitsgebiet des Fraunhofer FEP. Die Wissenschaftler des Fraunhofer FEP sehen ein enormes Potenzial in der Kombination aus Beschichtungen, die mittels Vakuum- und Atmosphärendruckprozessen hergestellt werden. Die empfindlichen Vakuumbeschichtungen können durch dickere Lackschichten geschützt werden.
Innovativ ist dabei der Gedanke, hohe Temperaturen, wie sie üblicherweise bei der Lacktrocknung auftreten, durch alternative Trocknungs- bzw. Vernetzungsverfahren zu vermeiden. Das Fraunhofer FEP setzt deswegen auf eine neue Rolle-zu-Rolle-Anlage für flexible Substrate (Kunststoff- oder Metallfolie, Dünnglas), in der Elektronenstrahlen unter Atmosphärendruck zum Vernetzen von Lacken und auch zur Oberflächenbehandlung genutzt werden – die atmoFlex.
(st)
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