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Frische und Qualität von verpackten Lebensmitteln sind heute selbstverständlich. Um diese zu erreichen, sind die Barriereeigenschaften der eingesetzten Verpackung entscheidend. Verfügt der eingesetzte Werkstoff nicht über die gewünschten Eigenschaften, lassen sich diese über Beschichtungen erreichen – beispielsweise über den Plasmaprozess.

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Guter Geschmack, ausreichende Haltbarkeit und ein guter Preis sind wichtige Faktoren für den Markterfolg eines Lebensmittels. Diese Entwicklung und die kommende EU-Verpackungsordnung führen zu wachsenden Anforderungen in der Branche. Gut sortier- und recyclebare Verpackungen sind gefordert, um die Umweltverträglichkeit zu steigern. Da viele kommerziell eingesetzte Massenkunststoffe wie Polypropylen (PP) oder Polyethylenterephthalat (PET) für bestimmte Anwendungen über keine ausreichende Sperrwirkung gegen Gase und Aromastoffe verfügen, müssen Unternehmen diese mit einer zusätzlichen Funktionalität versehen. Die Funktionalität ist beispielsweise durch eine Metallisierung oder einen Mehrschichtverbund zu erreichen. Allerdings ist die Trennbarkeit und somit das Recycling dieser Verbünde nur eingeschränkt möglich, wodurch in Zukunft höhere Kosten für die Vertreiber entstehen. Diese Anforderungen vergrößern den Druck auf die Verpackungsauslegung und begünstigen den Einsatz der Plasmatechnologie. Die plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung (engl.: plasma enhanced chemical vapour deposition, PECVD) erzeugt eine dünne Beschichtung auf der Kunststoffoberfläche. Diese meist glasähnlichen Funktionsschichten ermöglichen eine hervorragende Barrierewirkung. Aufgrund der geringen Dicke der Beschichtung von meist wenigen zehn Nanometern bleibt das Kunststoffprodukt uneingeschränkt rezyklierbar [1,2].

Kapseln und andere Hohlkörper jeder Art lassen sich durch Plasmatechnologie mit einer Barriere ausrüsten. (Bild: IKV)

Kapseln und andere Hohlkörper jeder Art lassen sich durch Plasmatechnologie mit einer Barriere ausrüsten. (Bild: IKV)

Für jede Anwendung das passende Design

Aufgrund flexibler Prozess- und Anlagentechnik lassen sich Flaschen, Becher oder Kaffeekapseln ebenso mithilfe von Plasmen beschichten wie Folien oder Schüttgüter. Es gibt Prozesse, in denen sich große Chargen eines Produktes in Vakuumkammern mit Funktionsschichten ausstatten lassen. Dies ist jedoch nur möglich, wenn die Produkte große Öffnungen und vergleichsweise einfache Geometrien aufweisen, sodass ein ausgeglichenes Gasangebot im Inneren des Produktes zur Verfügung steht.

Eine Auswahl an Lebensmittelverpackungen, für die sich die Innenbeschichtungen eignen. (Bild: IKV)
Niederdruckplasmaanlage für Hohlkörper und Becher im Technikum ­
des IKV. (Bild: IKV)

Bei Flaschen oder anderen Produkten mit kleinen Öffnungen oder großem Aspektverhältnis bietet sich die Innenbeschichtung von Hohlkörpern an. Selbst komplexe Geometrieelemente, wie Kanten, Ecken oder Hinterschnitte, lassen sich durch angepasste Gaszuführungssysteme erschließen. Dies ist notwendig, um eine optimale Barrierewirkung zu erreichen.

Mitarbeiter des Instituts für Kunststoffverarbeitung (IKV) arbeiten und entwickeln bereits seit Langem im Bereich der Auslegung von Niederdruckplasmaanlagen. Das Verfahren zur Innenbeschichtung von PET-Flaschen, das heute vor allem im Bereich der Barriereausstattung von Einwegflaschen für Getränke Anwendung findet, wurde am IKV entwickelt und bereits in den 1980er-Jahren zum Patent angemeldet. Aufgrund der guten Skalierbarkeit der Niederdruck-Plasmaprozesstechnik ist diese auch für Massenprodukte geeignet. Bis die Industrie diese allerdings aufgriff und umsetzte, verging ein weiteres Jahrzehnt. Das Beispiel der Innenbeschichtung von Flaschen zeigt dass es möglich ist, auf entsprechenden Maschinen bis zu 40.000 PET-Flaschen in der Stunde zu beschichten. Am IKV stehen derzeit Hohlkörper- und Bechergeometrien sowie Folien und großflächige Substrate im Blickpunkt.

Barriereverbesserungsfaktor (BIF) gegen Sauerstoff für einen PP-Becher und eine PET-Flasche. (Grafik: IKV)

Barriereverbesserungsfaktor (BIF) gegen Sauerstoff für einen PP-Becher und eine PET-Flasche. (Grafik: IKV)

Schnelle Machbarkeitsanalysen für Produkte

Aufgrund von Machbarkeitsanalysen lässt sich klären, inwieweit sich die Vorteile des Plasmaprozesses auf konkrete Produkte (Folie, Becher, Kapsel) anwenden lassen. Dabei wird direkt ermittelt, welche Zieleigenschaften möglich sind, oder wie das Produkt optimiert werden muss, um die gewünschten Zieleigenschaften plasmagerecht zu erreichen. Flexible Reaktoren und Messtechnik ermöglichen es, verschiedene Kunststoffprodukte effektiv zu beschichten.

Eine Prozess- und Qualitätssicherung lässt sich mithilfe optischer Verfahren realisieren, da die verwendeten Siliziumoxid-Barrieren einen optischen Brechungsindex aufweisen, der sich vom Brechungsindex des zugrunde liegenden Kunststoffes unterscheidet. Durch eine Untersuchung des Strahlengangs eines einfallenden Lichtstrahls ist daher schnell und einfach zu ermitteln, ob die Beschichtung erfolgreich war.

Wenn darüber die Qualität der Permeationssperrwirkung der aufgebrachten Schichten von Interesse ist, kann die Analyse um eine Messung der Sauerstofftransmissionsrate erweitert werden. Damit ist es möglich, die Barrierewirkung für verschiedene Hohlkörper, beispielsweise Kapseln, zu prüfen.

Plasmaprozess – der Allrounder

Die Fülle an Prozessparametern bei der PECVD-Beschichtung macht es möglich, die gewünschte Oberflächenfunktionalität gezielt einzustellen und flexibel an geometrische und werkstoffliche Gegebenheiten des Beschichtungsgutes anzupassen. Plasmen bieten aufgrund der großen Anzahl an möglichen Schichtsystemen und Oberflächenmodifikationen viele Funktionalitäten. Neben der Barriereausrüstung gibt es beispielsweise Beschichtungen zum Korrosionsschutz, zur Reibminderung, Haftvermittlung oder Kratzfestigkeit. Oberflächenaktivierungen durch Plasmen im Atmosphärendruck ermöglichen eine sichere und langzeitstabile Schichthaftung, auch auf herausfordernden Oberflächen wie Polyolefinen.

Mithilfe verschiedener Charakterisierungsmethoden lässt sich für jede Anwendung die optimale Lösung finden und das Potenzial der Plasmatechnologie ausschöpfen. Die Beschichtung wird beispielsweise mit oberflächenanalytischen Methoden und Permeationsmessungen zur Bestimmung der Sauerstoff- und Wasserdampfbarriere untersucht und wenn nötig angepasst. Zur Quantifizierung der Barriereeigenschaften kommt häufig der Barriereverbesserungsfaktor (BIF) zum Einsatz. Dieser setzt sich aus dem Quotienten der Permeabilität des Bauteils und des beschichteten Bauteils zusammen und ermöglicht somit den direkten Vergleich. Die glasartige Beschichtung in der PET-Flasche zeigt eine Verbesserung der Barrierewirkung gegen Sauerstoff um den Faktor 7,8 und in dem PP-Becher um den Faktor 2,4. Diese unterschiedlichen Verbesserungsfaktoren sind auf die Eigenschaften des Materials (Kunststofftyp, Oberflächenbeschaffenheit) und die geometrische Gestaltung der Produkte zurückzuführen, welche einen direkten Einfluss auf die Funktionalität haben.

Weitere Einflussgrößen sind die Umgebungsbedingungen, das Reaktordesign oder die Technologie zur Plasmazündung. Erst durch eine gute Abstimmung dieser Einfluss- und Stellgrößen ist es möglich, die gewünschte Funktionalität zu erreichen. Genau bei diesem Prozess unterstützt das IKV Unternehmen.

[1] Lagarón, J.M.: Multifunctional and Nanoreinforced Polymers for Food Packaging, Elsevier, 2011, ISBN: 0857092782

[2] Nazarpour, S.: Thin Films and Coatings in Biology, Springer Netherlands, 2013, ISBN: 9789400725928

 

Für Sie entscheidend

Wissensaustausch zur Plasma- und Oberflächentechnik in Aachen
Über die genannten und weitere innovative Forschungsthemen der Plasmatechnik und ihre Anwendung in der Industrie wurde im Rahmen einer Fachtagung zur Plasma- und Oberflächentechnik am 6. und 7. Juni 2018 in Aachen berichtet und diskutiert. Dabei waren unter der Leitung von Herrn Dr. Konrad von der KHS Corpoplast Referenten und Teilnehmer aus der gesamten Wertschöpfungskette vom Anlagenhersteller bis hin zu den Anwendern der Plasmatechnologie anwesend. Schwerpunkte in Vorträgen und Diskussionen war der Wandel der Verpackungen in Bezug auf die neue EU-Verpackungsordnung und die damit einhergehenden erhöhten Recyclingquoten. Weiterhin gab es großes Interesse an der Barriereausrüstung für rigide Verpackungen und Folien sowie Plasmen in der Medizintechnik zur Reibungsminderung oder Haltbarkeitssteigerung bis hin zur Sterilisation. Die nächste Gelegenheit zum Wissensaustausch über diese und andere Themen findet am 28.11.2018 in Aachen im Rahmen eines Tagesseminars „Plasmatechnik in der Praxis“ statt.

 

Autor

Stefan Wilski, wissenschaftlicher Mitarbeiter am IKV Aachen

Unternehmen

Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen

Seffenter Weg 201
52074 Aachen
Deutschland

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