Verpackung Beschichtungen für Papier und Pappe heilen selbst

Forschende der Friedrich-Schiller-Universität Jena und das Unternehmen Actega haben im Rahmen des Projekts IPHeilung die Grundlage für biobasierte Beschichtungen für Papier und Pappe mit selbstheilenden Eigenschaften geschaffen. Das beschichtete Papier ist zudem recyclingfähig.

Die von der Jenaer Universität entwickelten Polymere eignen sich für den Einsatz in Verpackungen, insbesondere für Lebensmittelverpackungen. Sollte es gelingen, die Langzeitstabilität der Polyitakonate weiter zu verbessern, gehen die Projektbeteiligten davon aus, dass entsprechende Lösungen in vier bis fünf Jahren marktreif sein könnten.

Polymersynthese von Maisstärke

Die Forschenden optimierten zunächst ein Verfahren zur Herstellung einer wässrigen Polymerdispersion aus zwei kommerziell verfügbaren Monomeren der Itakonsäure (Itakonsäureester) als Grundlage der Beschichtungen. Bei der Itakonsäure handelt es sich um eine kommerziell verfügbare, organische Säure, die man fermentativ aus Kohlenhydraten, z. B. aus Maisstärke oder Zuckerrübenmelasse, herstellt. Die genutzten Monomere sind auch bereits REACH-registriert. Hohe Umsätze und ein fast vollständiger Monomerumsatz von 99 Prozent zeichneten die Polymerisation aus. Die Hochskalierung gelang sowohl an der Uni Jena als auch im industriellen Umfeld bis in den Kilogramm-Maßstab.

Selbst oberflächliche Kratzer heilen bei 100 ° C aus

Durch Zusatz eines Rheologieadditivs erreichten die Forschenden bessere filmbildende Eigenschaften der Formulierung, so dass sich sehr homogene Beschichtungen erzeugen ließen. Sogar dünne Beschichtungen zeigten die Fähigkeit zur Selbstheilung: Oberflächliche Kratzer heilten durch eine kurzzeitige Temperierung bei 100 °C komplett wieder aus, der Effekt war bis in den µm-Maßstab nachweisbar. Glanzmessungen zeigten, dass sich so auch die optischen Qualitäten der Beschichtungen vollständig wiederherstellen ließen. Die Fähigkeit zur Selbstheilung ist gegenüber den meisten kommerziellen Systemen ein Alleinstellungsmerkmal.

Optimierungsbedarf besteht noch im Hinblick auf die Langzeitstabilität, da die Dispersion nach wenigen Tagen Agglomerate bildete.

Beschichtete Papiere lassen sich bedrucken

In Anwendungsversuchen erzielten die Forschenden die besten Ergebnisse im Bereich beschichteter Papiere für Verpackungen aus Karton. Diese zeigten eine sehr gute Bedruckbarkeit mittels LED-UV-Inkjetdrucksystem sowie eine gute Barrierewirkung gegen Fett. Für Blisterlacke erwiesen sich die Polyitakonate hingegen als nur mäßig geeignet.

Die neu entwickelten und vollständig biobasierten Beschichtungen könnten gerade bei Verpackungen und speziell bei kurzlebigen Lebensmittelverpackungen die Nachhaltigkeit verbessern. Hier dominieren bislang petrochemische Beschichtungen, z. B. Styrol-Acrylat-Copolymere, Acrylat-Harze und Polyurethane. Das neue, beschichtete Papier ist außerdem recyclingfähig.

Dank des optimierten Herstellungsverfahrens sind Polyitakonate nun auch für weitere Anwendungsfelder interessant, in denen derzeit petrochemische Rohstoffe wie Styrol-Acrylate und Acrylate verwendet werden. Das Vorhaben IPHeilung wurde vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) über den Projektträger Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) gefördert.

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