PapSpray - Funktionelle Barrierebeschichtung von Papier und Karton mit Biopolymeren

Papier und Karton sind poröse, faserige und natürliche Materialien, die ohne Aufbringung von einer oder mehreren Barriereschichten für die Verpackung von z.B. Lebensmitteln, Kosmetika oder Medikamenten nur eingeschränkt geeignet sind. Ausreichende Barriereeigenschaften gegenüber diversen Medien und Substanzen, wie Sauerstoff, Wasserdampf, Aromastoffen, Fetten und Ölen, sind ein wichtiger Faktor, um Papier als Verpackungsmaterial erfolgreich in einem breiteren Anwendungsbereich einsetzen zu können. Daher werden Papier- und Karton häufig mit synthetischen (petrochemischen), nicht bioabbaubaren und schwer rezyklierbaren Polymeren (extrusions)beschichtet. In den letzten Jahren gab es intensive Forschungsarbeiten, um biobasierten Materialien als funktionelle Barriere für Papier/Karton in der Produktion einzusetzen und dadurch erdölbasierte Materialien partiell oder vollständig zu ersetzen. Dabei wurden meist bestehende Beschichtungstechnologien für Papier und Karton, wie z.B. eine Filmpresse (für wasserbasierende Beschichtungen) oder Extrusion (für thermoplastische Beschichtungen) eingesetzt. Diese Bestrebungen waren nur begrenzt erfolgreich, da einerseits ausentwickelte biobasierte Beschichtungsmaterialien aktuell nur eingeschränkt am Markt verfügbar sind und andererseits es technisch-technologisch häufig nicht möglich war, Biopolymere in gleicher Art und Weise wie die konventionell eingesetzten synthetischen Materialien zu verarbeiten. In diesem Projekt wird die Barrierebeschichtung mit Biopolymeren unter Einsatz der Sprühtechnologie untersucht, um einen neuen Weg der Papieroberflächenfunktionalisierung zu erforschen. Die auf Basis einer umfangreichen Literaturstudie und eigenen Vorarbeiten erstellte Arbeitshypothese ist, dass eine Sprühbeschichtung von Papier und Karton mit Biopolymeren ein wirtschaftlicher, flexibler und einfach in die Papierproduktion und -verarbeitung integrierbarer Prozess ist, der die Herstellung von kunststofffreien, papierbasierten und nachhaltigen Verpackungsmaterialien ermöglichen kann und in dieser Hinsicht den aktuell eingesetzten Produktionsverfahren überlegen ist. Ziele des Projekts sind die wissenschaftliche Untersuchung der Sprühbeschichtungstechnologie (Spray-Coating) als vielseitiges Streichverfahren für die funktionelle Oberflächenbeschichtung von Papier und Karton mit Biopolymeren und die Erforschung des Verhaltens von biobasierten Barrierematerialien in diesem Verfahren. Um die Einsetzbarkeit des Sprühbeschichtungstechnologie als potentielles Streichverfahren für biobasierte Barrieren systematisch zu erforschen, sollen wichtige Prozessparameter, wie zum Beispiel Tröpfchenbildung, Tropfenaufprall, Homogenität des Sprühstrahls und Benetzung der Papieroberfläche mit den Tröpfchen in Abhängigkeit von eingesetztem Material, Rheologie und Feststoffgehalt untersucht werden. Durch die Möglichkeit des Auftrags von Biopolymeren zusätzlich zu bestehenden Streichverfahren sollen auch mehrfach oberflächenbeschichtete Konzepte untersucht werden, wodurch die Barriereeigenschaften (Wasserdampf, Fett, Sauerstoff...) markant verbessert werden könnten. Die so erzeugten Verpackungsmaterialien werden neben einer umfassenden Analyse hinsichtlich Barriere- und Verarbeitungseigenschaften ebenso bezüglich Rezyklierbarkeit und Kompostierbarkeit bewertet, um so die Weiterentwicklung von vollständig kunststofffreien Verpackungsmaterialien rein aus erneuerbaren und natürlichen Rohstoffen zu ermöglichen.