Selbstheilende Biobeschichtungen für Papier und Pappe

Im Rahmen des Projekts IPHeilung haben Forschende die Grundlage für biobasierte Beschichtungen für Papier und Pappe mit selbstheilenden Eigenschaften geschaffen. Das beschichtete Papier ist zudem recyclingfähig.

Die neuen biobasierten Beschichtungen eignen sich dank ihrer guten Bedruckbarkeit und Barrierewirkung gegen Fett besonders für Lebensmittelverpackungen.

Quelle: Actega

Basis der Beschichtungen sind Polymere, insbesondere Polyitakonate, die aus Estern der Itakonsäure gewonnen werden. Beteiligt war die Friedrich-Schiller-Universität Jena und Actega, ein Hersteller von Speziallacken, Druckfarben, Klebstoffen und Dichtungsmassen für die Druck- und Verpackungsindustrie.

Die von der Jenaer Universität entwickelten Polymere zeichnen sich durch gute Eigenschaften für den Einsatz in Verpackungen aus, 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, wie sie in einer Mitteilung schreiben.

Polymersythese

Die Forschenden optimierten zunächst ein Verfahren zur Herstellung einer wässrigen Polymerdispersion aus zwei kommerziell verfügbaren Monomeren der Itakonsäure (Itakonsäureester) als Grundlage der Beschichtungen. 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.

Fähigkeit zur Selbstheilung

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.

Anwendungsversuche

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.

Über Itakonsäure

Itakonsäure ist eine kommerziell verfügbare, organische Säure, die man fermentativ aus Kohlenhydraten, z. B. aus Maisstärke oder Zuckerrübenmelasse, herstellt.