FRAUNHOER IVV Die Substitution von herkömmlichen Kunststoff-Verpackungen durch Verpackungen aus Papier, Pappe oder Karton (PPK-Verpackungen) ist einer der aktuellen Megatrends der Verpackungsbranche, der sowohl durch Verbraucher als auch durch politische Entscheidungen vorangetrieben wird.
Allerdings weisen PPK-Verpackungen noch einige Nachteile gegenüber Kunststoffverpackungen auf. So ist Monopapier alleinig meist nicht geeignet, Produkte vor äußeren Einflüssen zu schützen, da Papier aufgrund seiner porösen Struktur nahezu keine Barriereeigenschaften gegenüber Gasen oder Kontaminanten aufweist. Für empfindliche Packgüter müssen daher Papierverbunde eingesetzt werden, welche zur Gewährleistung der Haltbarkeit ihres jeweiligen Packguts zusätzliche Barriereschichten enthalten, die oft auf fossil-basierten Polymeren basieren. Eine Trennung dieser Papierverbunde und damit Rezyklierung des Papiers ist zwar prinzipiell möglich, resultiert aber meist in einer reduzierten Faserstoffrückgewinnung, so dass die Rezyklierungsquote deutlich unter den PPK geforderten 90% liegt. Demgemäß liegen die Lizenzgebühren von Papierverbunden nach dem VerpackG genauso hoch wie für Verpackungen aus Kunststoffen und Einmalprodukte aus Papierverbunden fallen unter die Regulation der Single-Use-Plastics Directive – eine Richtlinie der Europäischen Union zur Bekämpfung von Einwegplastik.
Nachhaltigere Barriereschichten mit Nanozellulose
Dieser Problemstellung wirkt das Projekt »CoatNanoCell« durch die Entwicklung einer Barriere-Beschichtung für Papierverbunde auf Basis von Nanozellulose entgegen. Diese kann durch ein industrieübliches Rolle-zu-Rolle-Beschichtungsverfahren auf Papier appliziert werden.
Nanocellulose, also partikuläre oder faserartiger Strukturen mit mindestens einer Dimension im Nanometerbereich, wird aus Zellulose und damit zu 100% aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen. Dieses Material findet bereits Anwendung in zahlreichen Bereichen, darunter beispielsweise Komposite, Kosmetik, Lebensmittel und Medizintechnik.
Derzeit ist die Anwendung von Nanozellulose in Beschichtungen oder als Additiv von Folien und Papier zusätzlich Gegenstand intensiver Untersuchungen. Eine Vielzahl von Arbeiten dokumentiert die exzellenten Barriereeigenschaften von Nanozellulose gegenüber Gasen und Mineralölen in Verpackungsanwendungen. Zudem gelten Beschichtungen von Papier mit Nanozellulose als Monomaterial, welches über den Altpapierstrom rezyklierbar ist. Papierverbunde mit Nanozellulose-Beschichtung fallen auch nicht unter die Regulation der SUPD und können damit eine nachhaltige Alternative zu den bisher verwendeten fossil-basierten Kunststoffbeschichtungen schaffen.
Rezyklierbare Papierverbundverpackungen durch Rolle-zu-Rolle-Beschichtung von Papier mit Nanozellulose
Im Rahmen des Projektes sollen 100% rezyklierbare Papierverbundverpackungen im Sinne einer zirkulären Ökonomie etabliert werden. Dabei werden am Fraunhofer IVV Verpackungskonzepte für Papierverbunde mit Nanocellulose-Beschichtungen entwickelt, welche als Monopapier rezyklierbar sind. Hierfür werden marktverfügbare Nanocellulosen in Beschichtungsformulierungen auf unterschiedlichen Papiersubstraten systematisch untersucht um geeignete Kombinationen zu finden.
Als Schlüsselschritt wird ein Verfahren für die Rolle-zu-Rolle-Applikation der Nanozellulose-Beschichtung auf Papier entwickelt, wobei Herausforderungen vor allem bei der Hochskalierung der Beschichtungsverfahren mit viskosen Nanozellulose-Suspensionen sowie der Trocknung der applizierten Nanozellulose-Filme liegen. Die Beschichtung aus Nanozellulose soll die Papierverpackung dabei mit ausreichend hohen Barriere-Eigenschaften gegenüber Sauerstoff ausstatten. Darüber hinaus soll die Nanozellulose-Beschichtung eine gute Schutzwirkung gegenüber Mineralölen und Fetten generieren, um den bislang geringen Einsatz von Recyclingpapieren in Lebensmittelverpackungen zu erhöhen. Analytische Untersuchungen und die anschließende Bewertung der generierten MOSH-/MOAH-Barriereschichten soll so eine mögliche Anwendung von mit Nanocellulose beschichtetem Recyclingpapier im Lebensmittelbereich evaluieren.
Unterstützt werden die experimentellen Arbeiten durch die Technischen Universität München. Um ein tiefergehendes Verständnis zum Auftreten von Defekten während der technischen Herstellung zu gewinnen, werden am Lehrstuhl für Systemverfahrenstechnik Simulationen zur Modellierung der Beschichtungs- und Trocknungsprozesse durchgeführt. (Grafik: Fraunhofer IVV)
