Spaltprodukte verbinden Papierverpackungen ohne Klebstoff sicher versiegeln

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Papierverpackungen sind beliebt und haben ihre Vorteile. Doch ganz frei von Fremdmaterialien waren sie bisher nicht! Man brauchte Klebstoff fürs Versiegeln. Per Laser ist das jetzt passé ...

Ein Material, das sich als nachhaltige Verpackungsalternative zu Kunststoff anbietet, ist Papier. Das Problem ist aber, dass für das Verschließen derselben bisher Klebstoff oder Kunststoff erforderlich waren. Diese Zusatzstoffe verunreinigen das Papier aber und erschweren den Recyclingprozess. Auch mindern sie die Qualität des recycelten Materials und stellen damit eine erhebliche Herausforderung im sonst etablierten und effizienten Recyclingprozess von Papier dar. Im Rahmen des Projekts „PAPURE“ verfolgen die Fraunhofer-Institute für Angewandte Polymerforschung (IAP), für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS), für Verfahrenstechnik und Verpackung (IVV) und für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) deshalb das Ziel, Papierverpackungen ohne jegliche Fremdstoffe zu verschließen, was zu einem Monomaterial führen würde. Die Experten bündeln ihr Können dazu für die Entwicklung eines Fügeprozesses, der die Modifikation des Papiers durch Laservorbehandlung vorsieht, sodass es sich im Nachgang mithilfe eines Heißsiegelverfahrens direkt fügen lässt, wie es weiter heißt. Im Fokus stehen die Analyse von verschiedenen Papieren sowie die Materialcharakterisierung (Fraunhofer IAP), die laserbasierte Oberflächenmodifikation (Fraunhofer IWS), die Entwicklung eines innovativen Fügesystems (Fraunhofer IVV) und die Etablierung eines industrienahen Demonstrators (Fraunhofer IWU). Am IWU entsteht nun eine Fertigungsanlage im Labormaßstab, die den Prozess für die Herstellung eines typischen Verpackungsmittels abbildet.

Die Suche nach dem geeigneten Papiermaterial

Im ersten Schritt charakterisieren die Forscher des IAP beschichtete und unbeschichtete Papiere für typische Verpackungsanwendungen sowie Druckerpapiere und Pappe. So wollen sie feststellen, ob diese sich für das Fügen ohne weiteren Fremdstoffauftrag eignen. Rund drei Dutzend Papiersorten stehen aber zur Auswahl. Im Blick stehen, die Hemicellulose-, Cellulose- und Ligninanteile der Papiere, die es zu identifizieren gilt, weil sie die Klebeeigenschaften der Materialien sowie die Menge und Zusammensetzung der entstehenden Spaltprodukte (Reaktionsprodukte der Laservorbehandlung) maßgeblich beeinflussen, heißt es dazu. Mithilfe analytischer Methoden (Rasterelektronenmikroskopie (REM), High Performance Anionen Exchange Chromatographie HPAE oder der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)) werden die chemische Zusammensetzung und die Morphologie der unterschiedlichen Papiere vor der Laserbehandlung sowie die Reaktionsprodukte danach untersucht. Denn ein zu hoher Anteil an anorganischen Verbindungen (Talkum und Calciumcarbonat) wirke sich negativ auf die Klebeeigenschaften und auf die Haftfestigkeit der Fügenähte aus. Auch weiß man, dass sich dickere Papiere eher für ein bindemittelfreies Fügeverfahren eignen. Die Forscher konnten nun zeigen, dass für den Fügeprozess am Markt verfügbare Standardpapiere verwendet werden können, die dicker sind. Sie werden etwa schon für die Produktion von Einweg-Pappbechern und anderen Lebensmittelverpackungen genutzt.

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