Enhanced Performance of Flexible Plastic Materials by Innovative Nanotechnologies for Food Packaging and Technical Applications (BarriFlex)

BMWi IGF CORNET 235 EBG | Laufzeit: 01.2019 – 09.2021 Martin Strangfeld, FILK Freiberg; Esra Kücükpinar, Fraunhofer IVV Freising; Oliver Miesbauer, Jing Tang, TUM Freising; Farouk Ayadi, CELABOR Herve BEL; Pascal Viville, MATERIA NOVA Mons BEL
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  • Dünnbeschichtungen
  • Funktionale Schichtsysteme

Ausgangssituation

Nanokomposite sind für zahlreiche Anwendungen viel­verspre­chend, da sie Polymere in ihren mecha­nischen Eigen­schaften verbessern, weniger durch­lässig für Gase wie O2, N2 und Wasser­dampf machen und Funktio­nali­täten, wie Haftung oder Halt­bar­keit erzeugen können. Trotz inten­siver Forschungs­aktivi­täten sind noch erheb­liche Anstrengungen erfor­der­lich, um das gesamte Poten­zial der Nano­techno­logie in der Industrie zu nutzen. Bei Verpackungs­materialien für Lebens­mittel und für tech­nische Anwen­dungen, wie flexible Photo­voltaik-Verkapselungs­materialien spielen vor allem die Gasperme­ations­eigen­schaften eine Rolle. Dringt Gas- oder Wasser­dampf in oder durch das Material, verkürzt es die Halt­bar­keit der Lebens­mittel oder verringert die Effizienz der Photo­voltaik­appli­kation.

Projektziel

Im Rahmen dieses Projekts sollten leistungs­starke, kosten­effi­ziente Barriere­folien mit geringem CO2-Fußabdruck für flexible Verpackungen und Verkapse­lungen entwickelt werden, welche die Permeation von Wasser­dampf oder Sauer­stoff durch Inte­gra­tion spezieller Nano­partikel herab­setzen oder verhindern.

Lösungsweg

Hinsichtlich der Erzeugung solcher Barriere­folien wurden zunächst auf Basis computer­unter­stützter Simu­la­tionen geeignete Nano­partikel ausge­wählt, entsprechend aufbe­reitet und anschließend in ausge­wählte Barriere­lacke oder Kleb­stoffe integriert. Diese Partikel behindern die Perme­ation von Mole­külen, indem sie deren freies Volumen in der Matrix verringern, ihre Diffusions­wege verlängern oder Wasser­dampf absor­bieren (Abb. 1).

Des Weiteren wurden die beschich­teten Folien zur Opti­mierung des Verbund­aufbaus je nach Anwen­dungsfall mehr­lagig und unter Anwendung plasma­basierter Aktivierungs- und Beschichtungs­verfahren zu Verbund­werk­stoffen gefügt und somit zu industriell vergleichbaren Demon­stratoren entwickelt. Beglei­tend wurden sowohl die einzelnen Schichten als auch die Verbund­demon­stra­toren (Abb. 2) einer umfang­reichen Charak­teri­sierung hinsicht­lich Barriere­eigen­schaften, mecha­nischer Stabi­lität, Verklebungs­eigen­schaften sowie regula­torischer Bestimmungen im Lebens­mittel­verpackungs­bereich und Verpackungen für organische Solarzellen unter­sucht.

Ergebnisse | Nutzen

Für die Anwendung als Verpackungs­material konnte erfolg­reich ein Folien­verbund­system aus Poly­propylen (PP) (Abb. 2a) durch Verwendung einer Beschichtung auf Basis eines Poly­vinyl­alkohol (PVOH) sowie der Inte­gra­tion von Montmorillonit-Partikeln erzeugt werden, welches die Sauer­stoff­permeations­rate im Vergleich zu einem aktuellen Industrie­produkt um den Faktor 8 verringert und damit zu einer wesent­lichen Steige­rung der Halt­bar­keit der Lebens­mittel in der Verpackung führt. Gleich­zeitig ist durch Berück­sich­ti­gung eines Mono­material­konzeptes (nur PP) die Recycling­fähig­keit und damit die Nach­haltig­keit wesent­lich verbessert.

Für die Verkapse­lung von flexiblen Solar­zellen konnte eben­falls ein System mit redu­zierter Anzahl an Verbund­schichten aus PET durch Einbringung eines mit wasser­dampf­absor­bierenden Partikeln gefüllten Kleb­stoffes entwickelt werden (Abb. 2b), wobei vergleich­bare Wasser­dampf­trans­missions­werte gegen­über Industrie­produkten erzeugt werden konnten. Durch den redu­zierten Verbund­aufbau wird eben­falls die Nach­haltig­keit verbessert. Unter Verwendung dieser Barriere­folien in verkap­selten Solar­zellen sind Energie­effizienz­werte bis 10 % ermittelt worden.

Für die KMU verschie­dener Industrie­zweige, d. h. Klebstoff-, Lack- und Nano­partikel­hersteller, Beschichter und Verpacker sowie Anbieter von Solar­techno­lo­gien, werden Einspa­rungen hin­sicht­lich Zeit und Kosten bei der Erforschung und Entwicklung neuer Materialien und Verfahrens­techno­logien für die Verpackung von Lebens­mitteln und Verkapse­lung von Solar­zellen erzielt. Gleich­zeitig wird durch die Verwendung von einfach rezyklier­baren Materialien und die Reduk­tion von Schichten im Verbund ein wesent­licher Schritt im Sinne der Nach­haltig­keit voll­zogen und die Halt­bar­keit der Produkte verlängert.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 235 EBG der Forschungs­vereinigung FILK Freiberg Institute gGmbH, Meißner Ring 1 – 5, 09599 Freiberg wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemein­schafts­forschung und -entwicklung (IGF) vom Bundes­ministerium für Wirt­schaft und Klima­schutz (BMWK) auf­grund eines Beschlusses des Deutschen Bundes­tages gefördert. Wir bedanken uns für die gewährte Unter­stützung.

The project ‚Enhanced Performance of Flexible Plastic Materials by Inno­vative Nanotechnologies for Food Packaging and Technical Applications (BarriFlex) was performed in co-operation with four German an two Belgian research institutions within the framework of the Transnational Collective Research Networking between SME associations and research organi­sations (cornet). In Belgium the project was funded by SPW Wallonie. We would like to thank our colleagues of all involved partners in Belgium and Germany for their support.

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