-
Die
Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Aufbringen einer
Beschichtung auf ein biologisch abbaubares Kunststoffsubstrat und
im Speziellen ein Verfahren zum Aufbringen einer solchen Beschichtung, wobei
als Kunststoffsubstrat ein dreidimensionaler Körper, insbesondere ein Hohlkörper eingesetzt
wird, und auf der Oberfläche
des Kunststoffsubstrats zumindest eine Sperrschicht abgeschieden
wird.
-
Aufgrund
der wachsenden Probleme bei der Entsorgung insbesondere von Verpackungsabfällen gewinnen
biologisch abbaubare Kunststoffe zunehmend an Bedeutung. Biologisch
abbaubare Kunststoffe können
durch die kombinierte Einwirkung von Wärme, Feuchtigkeit und Mikroorganismen
in ihre Grundbestandteile zerlegt werden. Sie verhalten sich beim Entsorgen
durch Deponierung, Verbrennung, Kompostierung und Recycling unkritisch.
-
Beim
Abbau entstehen im allgemeinen Kohlendioxid, Wasser und Biomasse,
die zum Beispiel über den
Kompost wieder in den Nährstoffkreislauf
eingebracht werden können.
-
Biologisch
abbaubare Kunststoffe können
nach unterschiedlichsten Technologien sowohl aus erneuerbaren Ressourcen,
das heißt
aus nachwachsenden Rohstoffen tierischen oder pflanzlichen Ursprungs,
als auch aus fossilen Ressourcen hergestellt werden. Die Eigenschaft
der biologischen Abbaubarkeit ist eine Folge der chemischen Zusammensetzung
des Kunststoffs und nicht der Rohstoffherkunft.
-
Auf
der Basis nachwachsender Rohstoffe sind heute unter anderem folgende
Werkstoffgruppen verfügbar:
Stärke
und Stärkeblends,
Polylactide (PLA), Zellulose, Zelluloseacetate (CA), Polyhydroxybutyrat/Valerat
(PHB/PHV), Polyhydroxyalkanoate, Zellglas, Viskose, tierische und
pflanzliche Roh- und Reststoffe wie Gelatine. Auf der Basis fossiler
Rohstoffe sind bestimmte Polyester und Co-Polyester, Polycaprolacton
(PCL), bestimmte Polyesteramide, Polyesteruretane sowie Polyvinylalkohol
(PVAL) als biologisch abbaubare Kunststoffe bekannt.
-
Einige
biologisch abbaubare Kunststoffe, wie das Polyhydroxybutyrat/Valerat
können
direkt in Mikroorganismen oder aber in Pflanzen produziert und angereichert
werden. Andere werden aus natürlichen
Rohstoffen erzeugt, ein Beispiel hierfür ist das Polylactid, das aus
Milchsäurebausteinen
aufgebaut ist.
-
Polylactide
sind seit längerem
aus der medizinischen Anwendung bekannt. Ihnen werden gute technologische
Chancen für
eine wirtschaftliche Produktion als künftige Massenkunststoffe eingeräumt. Polylactide können mit
allen herkömmlichen
Kunststoffverarbeitungsverfahren aufbereitet und so für Produkte
ganz unterschiedlicher Art herangezogen werden. Beispiel sind tiefgezogene
Verpackungen, geschäumte
Formkörper, Folienverpackungen,
Gewebe, Vliesstoffe, Wundauflagen und streckgeblasene Hohlkörper.
-
Auch
Polyhydroxybutyrat ist seit längerem
aus der Medizin bekannt. Für
die Anwendung in Implantaten, Nähten,
Naht- und Verbandsmaterial sowie Arzneikapseln sind besonders die
spezifischen Eigenschaften der Verträglichkeit und Abbaubarkeit
auch im menschlichen Körper
interessant.
-
Insbesondere
für Lebensmittelverpackungen,
aber auch allgemein in Bereichen, in denen die biologische Abbaubarkeit
einen Vorteil in der Verwendung darstellt, zum Beispiel in der Land-
und Forstwirtschaft sowie im Gartenbau und dort, wo der Kunststoff
stark mit organischem Abfall vermengt ist, so dass seine Trennung
und ein herkömmliches
Kunststoffrecycling nicht sinnvoll sind, werden weitere biologisch
abbaubare Kunststoffe entwickelt. Ein Beispiel ist thermoplastische
Stärke.
-
Die
Anwendung der reinen thermoplastischen Stärke als Werkstoff wird durch
ihre außerordentlich starke
Hydrophilie verhindert. Deshalb ist es für die Herstellung eines thermoplastischen
Werkstoffes auf der Basis von Stärke
notwendig, diese zu modifizieren, um den Werkstoff wasserbeständig und
unempfindlicher gegen Feuchtigkeit zu machen. Ein möglicher
Weg dazu ist die Herstellung von Polymermischungen mit einem wasserbeständigen Polymer.
-
Die
Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften der biologisch abbaubaren
Kunststoffe werden häufig
durch Additive wie zum Beispiel Weichmacher oder Gleitmittel verbessert.
Füllstoffe
dienen optischen wie auch ökonomischen
Ansprüchen.
Fertige Produkte sind daher häufig
Verbundmaterialien aus unterschiedlichen Komponenten. Soll jedoch
die biologische Abbaubarkeit bzw. die Kompostierbarkeit erhalten
bleiben, ist dies bei der Auswahl der Verfahren bzw. Materialien
durchgehend zu beachten.
-
Um
auf den Einsatz von Polymermischungen bei der Herstellung biologisch
abbaubarer Kunststoffe mit zufriedenstellenden Anwendungseigenschaften
verzichten zu können,
ist es vorteilhaft, Kunststoffsubstrate mit einer Barrierebeschichtung
zu versehen, um für
eine Reduktion der Permeation von Gasen und Flüssigkeiten zu sorgen, sowie
darüber
hinaus das Kunststoffmaterial gegen chemische Angriffe oder UV-Strahlung zu
schützen.
-
Die
Druckschrift
DE 43
28 767 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Folienverbunden
u. a. auch aus biologisch abbaubaren Folien, wobei eine Funktionsschicht
zwischen zwei Folien eingebettet wird. Die Funktionszwischenschicht
wird mittels Verdampfen, insbesondere mittels eines PECVD-Verfahrens
aufgebracht. Übliche
Prozesstemperaturen bei den bekannten PECVD-Verfahren liegen im sogenannten Niedertemperaturbereich,
je nach abzuscheidender Schicht, zwischen 100°C und 400°C, also wesentlich unter den Prozesstemperaturen
der nicht plasmaunterstützten
CVD-Verfahren.
-
Die
Druckschrift
JP 11-227 110 zeigt
ein Verfahren zur Beschichtung biologisch abbaubarer Substrate mittels
eines modifizierten ECR-CVD-Verfahrens in Form eines Remote-Verfahrens, welches
eine verbesserte Anregung des Plasmas und eine räumliche Trennung des Plasmas
vom Substrat ermöglicht.
-
Die
Druckschrift
WO 96/33
098 A2 zeigt ein PICVD-Verfahren zur Beschichtung von Behältern aus Kunsstoffen,
bei welchen das Plasma durch Einkoppeln von Mikrowellen-Energie-Pulsen erzeugt
wird und das Reaktionsgas in synchronen Pulsen eingeleitet wird.
-
Die
Druckschrift
DE 44
38 359 A1 offenbart ebenfalls ein PICVD-Verfahren zur Beschichtung
von Kunststoffen.
-
In
der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass bekannte Beschichtungsverfahren
bei der Anwendung zum Aufbringen von Barriereschichten auf biologisch
abbaubare Kunststoffsubstrate eine erhebliche Verschlechterung der
Werkstoffeigenschaften des Kunststoffsubstrats mit sich bringen.
Aufgrund der relativ niedrigen Glasübergangstemperatur der biologisch
abbaubaren Kunststoffe, welche im allgemeinen unterhalb von 80°C, bei Polylactiden
zum Beispiel bei 55°C
liegt, kommt es durch die höheren
Temperaturen während
des Beschichtungsvorgangs zu einem Erweichen des Materials. Insbesondere
bei der Beschichtung von Kunststoffformkörpern versagen bekannte Verfahren,
da die Formkörper
aufgrund des Aufweichens während
der Beschichtung leicht ihre Gestalt verlieren.
-
Es
ergibt sich daher eine Aufgabe der Erfindung, ein biologisch abbaubares
Kunststoffsubstrat durch das Aufbringen einer Beschichtung zu verbessern.
-
Diese
Aufgabe wird auf überraschend
einfache Weise durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den zugeordneten Unteransprüchen.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Herstellen eines Verbundmaterials umfasst das Bereitstellen eines
biologisch abbaubaren Kunststoffsubstrats und das Beschichten des
Kunststoffsubstrats auf zumindest einer Oberfläche mit zumindest einer Sperrschicht,
wobei die Sperrschicht durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD)
abgeschieden wird. Das biologisch abbaubare Kunststoffsubstrat kann
dabei beliebige Gestalt haben, in Frage kommen gerade auch Hohlkörper wie
insbesondere Behälter.
-
Die
Erfindung stellt damit erstmals ein Verfahren zur Verfügung, welches
vorteilhafterweise die Beschichtung dreidimensionaler Körper aus
einem biologisch abbaubaren Kunststoff sowohl auf ihrer Innenseite als
auch auf ihrer Außenseite
mit einer Barriereschicht ermöglicht.
Dies wird durch die Verwendung der chemischen Gasphasenabscheidung
zur Beschichtung des biologisch abbaubaren Substrats realisiert.
-
Mit
dem Begriff "Beschichtung" wird im folgenden
das auf dem biologisch abbaubaren Substrat abgeschiedene System
bezeichnet. Dieses kann eine Einzelschicht oder mehrere Schichten
umfassen.
-
Es
ist vorgesehen, zum Aufbringen der Beschichtung ein Plasma einzusetzen,
das in einer Gasatmosphäre
erzeugt wird, die zumindest einen Precursor umfasst. Dadurch wird
die Möglichkeit
eröffnet,
durch geeignete Wahl des zumindest einen Precursors die Eigenschaften
der Barrierebeschichtung einstellen zu können.
-
Vorteilhafterweise
wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
ein Niedertemperaturplasma eingesetzt, um ein schonendes Beschichten
temperaturempfindlicher biologisch abbaubarer Kunststoffsubstrate
zu ermöglichen.
-
Je
nach den Anforderungen an die Eigenschaften der Beschichtung sowie
an die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ist es zweckmäßig, ein
Nichtgleichgewichtsplasma zu verwenden. Insbesondere können in
dem Nichtgleichgewichtsplasma gezielt andere Reaktionsprodukte als
im Gleichgewichtszustand des Plasmas erzeugt werden. Durch die Anwendung
des Nichtgleichgewichtsplasmas kann daher auf die Zusammensetzung der
entstehenden Beschichtungen Einfluss genommen werden.
-
Um
gleichzeitig das biologisch abbaubare Kunststoffsubstrat nicht durch
zu hohe Temperaturen im Plasma zu beschädigen und dennoch die zur Erzeugung
der Beschichtungen notwendige Aktivierungsenergie des Plasmas bereitzustellen,
sieht die Erfindung vorteilhafterweise vor, ein gepulstes Plasma
einzusetzen.
-
Durch
den Einsatz eines Plasma-unterstützten
CVD-Verfahrens, eines sogenannten PICVD-Verfahrens wird die erforderliche
gute Haftung der Barrierebeschichtungebenso, wie eine hervorragende
Barrierewirkung gegen Stoffe aus der Atmosphäre, in Kunststoff enthaltenen
oder hieraus abgespaltenen Substanzen sowie Stoffen, die in Kontakt
mit der Oberfläche
des Verbundmaterials stehen, erreicht. Insbesondere ermöglicht der
Einsatz eines PICVD-Verfahrens geringe Oberflächentemperaturen bei der Beschichtung.
Das heißt,
ohne Schädigung
der Kunststoffoberfläche
können
thermisch empfindliche Kunststoffe mit einer ausgezeichneten Barrierebeschichtung
versehen werden.
-
Mit
Hilfe der PICVD-Verfahren können
des Weiteren sehr dünne
Schichten, bis herab zu monomolekularen Schichten, auf ein Substratmaterial
aufgebracht werden, welche Barriereeigenschaften aufweisen. Hierdurch
ist eine erhebliche Materialersparnis möglich. Zudem zeichnen sich
derartige Schichten durch eine hohe Flexibilität aus.
-
Das
sogenannte Tastverhältnis
ist für
ein gepulstes Plasma definiert als das Verhältnis der Pulsdauer zur Pulspause.
Durch geeignete Wahl des Tastverhältnisses ist es gemäß der Erfindung
möglich,
die notwendige Aktivierungsenergie im Plasma während der Pulsphase bereitzustellen
und dennoch die Temperatur im Plasma niedrig zu halten, selbst wenn
für entsprechend
große
Substrate relative lange Beschichtungszeiten erforderlich sind.
Erfindungsgemäß wird das
Tastverhältnis
auf einen Wert im Bereich von 0,01% bis 10% gewählt.
-
Die
zur Zündung
und Aufrechterhaltung des Plasmas notwendige elektromagnetische
Energie wird zeitmoduliert. Damit wird erfindungsgemäß ein weiterer
Parameter zur Verfügung
gestellt, mit dem die ins Plasma eingetragene Energie gesteuert
oder eingestellt werden kann, so dass ein Optimum zwischen der erforderlichen
Aktivierungsenergie des Plasmas einerseits und einer möglichst
geringen Temperatur andererseits einstellbar ist.
-
Die
Zeitmodulation der elektromagnetischen Energie zur Erzeugung des
Plasmas kann dabei derart vorgenommen werden, dass rechteckige und/oder
dreieckige Pulse entstehen. Die geeignete Wahl des Modulationsprofils
ermöglicht
dabei vorteilhafterweise die Anpassung an die durch die Art der
Beschichtung und die Art des Substrats vorgegebenen Temperaturgrenzen.
-
Auf
einfache Weise kann die elektromagnetische Energie zum Zünden und
Aufrechterhalten des Plasmas in Form von Gleichstrompulsen vorbestimmbarer
Frequenz und/oder in Form von Wechselstrom bereitgestellt werden.
Die Gleichstrompulse vorbestimmbarer Frequenz können beispielsweise durch Gleichrichten von
Wechselstrom zur Verfügung
gestellt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann damit auf überraschend
einfache Weise unter Verwendung herkömmlicher Quellen für elektromagnetische
Energie zur Erzeugung des Plasmas durchgeführt werden.
-
Der
Frequenzbereich der elektromagnetischen Energie kann im Niederfrequenzbereich,
insbesondere bei Frequenzen zwischen 30 kHz und 300 kHz und/oder
im Hochfrequenzbereich, insbesondere bei Frequenzen zwischen 3 MHz
und 30 MHz und/oder im Mikrowellenbereich, insbesondere bei Frequenzen
zwischen 0,3 GHz und 300 GHz liegen.
-
Werden
hohe Frequenzen eingesetzt, bietet sich die Möglichkeit, pro Zeit einen höheren Energieeintrag
einzukoppeln. Die Verwendung niedriger Frequenzen bietet bei großen Werkstücken den
Vorteil, dass sich aufgrund der großen Wellenlänge die Ausbildung von Schwingungsknoten
auf dem Werkstück
vermeiden lässt und
damit ein Abbilden der Schwingungsknoten in der Beschichtung verhindert
werden kann.
-
Die
Werte für
die Pulsfrequenz liegen erfindungsgemäß im Bereich von 0,01 kHz bis
10 kHz. Um eine geringe thermische Belastung bei ansonsten gegebenen
Prozeßparametern
realisieren zu können,
ist eine niedrige Pulsfrequenz vorteilhaft.
-
Bei
Pulsen in Form einer Sinuswelle entspricht eine niedrige Pulsfrequenz
einer langer Pulsdauer, es kann dann also ein hoher Energieeintrag
während
eines Pulses realisiert werden. Bei großer Frequenz, also kurzer Pulsdauer,
bietet sich die Möglichkeit,
besonders reine Schichten herzustellen. Bei kurzer Pulsdauer fallen
aufgrund der geringen Reaktionszeit wenige Reaktionsprodukte an.
-
In
der folgenden Pulspause kann durch einen Austausch des Prozessgases
ein Abtransport dieser Reaktionsprodukte erfolgen. Die Reaktionsprodukte
könnten
Verunreinigungen der Schichten darstellen, so dass deren Abzug aus
dem Beschichtungsverfahren Vorteile im Hinblick auf die Qualität der abscheidenden
Schichten mit sich bringt.
-
Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann die Beschichtung innen und/oder außen auf ein biologisch abbaubares
Kunststoffsubstrat aufgebracht werden.
-
Damit
stellt das erfindungsgemäße Verfahren
zum ersten Mal eine Möglichkeit
zur Verfügung,
ein dreidimensionales Substrat aus biologisch abbaubarem Kunststoff
auf beliebigen Oberflächen
mit einer Sperrschicht zu versehen. So kann je nach Verwendung des
beschichteten biologisch abbaubaren Kunststoffsubstrats eine Sperrwirkung
gegen das eingefüllte
Produkt und/oder eine Sperrwirkung gegen die Umgebung jeweils separat
gezielt eingestellt werden.
-
Die
Erfindung sieht verschiedene Möglichkeiten
für die
Ausgestaltung der Beschichtung vor. Zum einen kann die Beschichtung
als organische und/oder anorganische Einzelschicht aufgebracht werden.
Bereits durch eine derartige Einzelschicht kann die Barrierewirkung
des Kunststoffes deutlich verbessert werden.
-
Bei
höheren
Anforderungen an die Barrierewirkung kann die Beschichtung erfindungsgemäß als Gradientensystem
aufgebracht werden. Derartige Gradientenschichten weisen eine stöchiometrische
oder strukturelle Variation eines Parameters in Richtung senkrecht
zur Oberfläche
des Substrats auf.
-
Durch
die Gradientenschicht wird eine verbesserte Haftung bei gleichzeitig
hoher Barrierewirkung erreicht, indem eine kontinuierliche oder
schrittweise Änderung
mindestens eines der Parameter Pulsdauer und/oder Pulspause und/oder
elektromagnetischer Leistung und/oder Precursordurchfluss und/oder
Durchfluss eines Hilfsgases während
des Schichtenwachstums vorgenommen wird.
-
Auf
einfachere Weise kann eine verbesserte Haftung bei gleichzeitig
hoher Barrierewirkung der Beschichtung dadurch erzielt werden, dass
als Beschichtung eine organische Haftvermittlerschicht in Kombination
mit mindestens einer Sperrschicht aufgebracht wird.
-
Eine
besonders hohe Barrierewirkung gegen unterschiedliche Komponenten
lässt sich
mit einer Beschichtung erzielen, welche ein Wechselschichtsystem
aus alternierenden organischen und anorganischen Schichten umfasst.
Um gleichzeitig die Haftung auf dem Substrat zu verbessern, kann
eine solche Beschichtung auch mit Vorteil auf einer Haftvermittlerschicht
aufgebracht werden.
-
Vorteilhafterweise
kann in Kombination mit dem beschriebenen Verfahren zumindest ein
weiteres Beschichtungsverfahren angewendet werden. Insbesondere
kann so das beschichtete Substrat je nach Anwendungsfall farbig
lackiert, beschriftet und/oder etikettiert werden.
-
Neben
dem Verfahren stellt die Erfindung erstmals ein Verbundmaterial
bestehend aus einem dreidimensionalen biologisch abbaubaren Kunststoffsubstrat
und zumindest einer Beschichtung mit wenigstens einer Sperrschicht,
welche durch chemische Gasphasenabscheidung aufbringbar ist, zur
Verfügung.
-
Um
den unterschiedlichen Anforderungen der jeweiligen Einsatzgebiete
gerecht zu werden, kann die Beschichtung eine organische und/oder
anorganische Einzelschicht aufweisen, ein Gradientensystem umfassen,
eine organische Haftvermittlerschicht in Kombination mit zumindest
einer Sperrschicht aufweisen oder aus alternierenden organischen
und anorganischen Schichten gegebenenfalls in Verbindung mit einer
Haftvermittlerschicht bestehen.
-
Die
Beschichtung kann insbesondere einen kohlenstoffhaltigen Haftvermittler
enthalten, um so eine besonders gute Haftung der Beschichtung auf
dem biologisch abbaubaren Substrat zu erzielen. Im Zusammenhang
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der kohlenstoffhaltige
Haftvermittler Silizium, Sauerstoff, Kohlenstoff und Wasserstoff
umfasst, wobei Si, O, C und H in beliebigen Stoffmengenverhältnissen
vorkommen können,
so dass bei einer Verbindung SiOxCyHz die Werte der
stöchiometrischen
Faktoren x, y und z beliebig sind.
-
Das
Verbundmaterial weist vorteilhafterweise eine Beschichtung auf,
welche aus einem umweltverträglichen
Schichtsystem aufgebaut ist. Damit stellt die Erfindung ein insgesamt
umweltschonendes Verbundmaterial zur Verfügung. Insbesondere kann die
Beschichtung, sowie das Verbundmaterial in vorteilhafter Weise lebensmittelecht
sein.
-
Die
Beschichtung kann insbesondere SiOx mit
und/oder TiOx mit dem stöchiometrischen Faktor x im Bereich
von 1 bis 2 sowie amorphen hydrogenierten Kohlenstoff (a:C-H) enthalten.
-
Diese
Bestandteile der Beschichtung haben den Vorteil, dass sie sich mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
abscheiden lassen, gut auf dem biologisch abbaubaren Substrat haften
und gleichzeitig eine hohe Sperrwirkung besitzen, wobei sie zudem
in der Entsorgung völlig
unproblematisch sind.
-
Vorteilhafterweise
sieht die Erfindung des Weiteren vor, dass die Beschichtung selbst
biologisch abbaubar ist. Damit kann mit der Erfindung erstmals ein
biologisch abbaubares Verbundmaterial mit einer hohen Barrierewirkung
zur Verfügung
gestellt werden.
-
Die
Erfindung ermöglicht
den Einsatz biologisch abbaubarer Substrate aus einem Kunststoff
mit einer Glasübergangstemperatur
Tg < 80°C für das Verbundmaterial.
Damit können
in dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial
insbesondere Polylactide enthalten sein, für die bereits umfangreiche
Erfahrungen im Hinblick auf ihrer Herstellung sowie ihre Anwendungseigenschaften
vorliegen, die jedoch bisher aufgrund ihrer großen Temperaturempfindlichkeit
nicht mit Barriereschichten versehen werden konnten.
-
Je
nach Anwendungsgebiet können
für das
Verbundmaterial unterschiedliche biologisch abbaubare Substrate
gewählt
werden, so dass die Erfindung in einem breiten Bereich zum Einsatz
kommen kann. Insbesondere ist vorgesehen für das Verbundmaterial als biologisch
abbaubares Substrat einen Kunststoff auszuwählen, welcher aus der Gruppe,
die Polylactidpolymere, Polyesteramid, Polymilchsäure, Polyhydroxybutyrat/Valerat,
thermoplastische Stärke
sowie Kunststoff aus der Kombination von Stärke, Zellulose und Zusatzstoffen
enthält,
ausgewählt
ist.
-
Das
erfindungsgemäße Verbundmaterial
kann vorteilhafterweise flexibel an die jeweils gegebenen Anforderungen
und Verwendungsgebiete angepasst werden, indem zumindest eine weitere
Beschichtung insbesondere ein farbiger Lack, eine Etikettierung
oder eine Beschriftung auf das beschichtete Verbundmaterial aufgebracht
wird. Des Weiteren ist vorgesehen, zumindest zwei erfindungsgemäße Verbundmaterialien
miteinander zu kombinieren.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
-
Dreidimensionale
Substrate aus biologisch abbaubaren Kunststoffen können Einweggeschirr,
-bestecke, Verpackungen, Flaschen und Behältnisse aller Art wie z. B.
Tüten sein.
Werden derartige Substrate durch das Aufbringen einer Beschichtung
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
zu einem Verbundmaterial verarbeitet, welches eine hohe Barrierewirkung
insbesondere gegen Wasserdampf und Luftsauerstoff aufweist, eröffnet sich
insbesondere im Lebensmittelbereich ein großes Anwendungsgebiet.
-
In
folgendem Ausführungsbeispiel
wird eine Innenbeschichtung einer biologisch abbaubaren 0,5 l Flasche
mit einem Haftvermittler-Barriereverbund beschrieben:
Eine
Flasche, hergestellt aus Polymilchsäure (PLA), mit einem Füllvolumen
von 0,5 l wird gleichzeitig außenseitig
auf einen Druck von 10 mbar evakuiert und innenseitig zunächst auf
einen Basisdruck niedriger als 0,1 mbar abgepumpt. Anschließend wird
in den Innenraum der Flasche bei einem Druck von 0,3 mbar ein Gemisch aus
Sauerstoff und Hexamethyldisilazan (HMDSN) geleitet. Dann wird gepulste
Mikrowellenenergie mit einer Frequenz von 2,45 GHz eingekoppelt
und ein Plasma im Behälter
gezündet.
-
Zunächst wird
eine organische Haftvermittler-Schicht bei einer HMDSN-Konzentration
von 20% und einem Gesamtfluss von 50 Standard cm3/min
aufgebracht. Die Pulsleistung beträgt 945 W, die Pulsdauer beträgt 0,5 ms,
die Pulspause 10 ms.
-
Anschließend erfolgt
ein schneller Gaswechsel auf eine niedrigere HMDSN-Konzentration
von 0,8% und es wird eine zweite anorganische Barriereschicht bei
gleichem vorgegebenem Druck, einem Sauerstoff-Fluss von 130 Standard
cm3/min und einer Pulsdauer von 3 ms, einer
Pulspause von 120 ms und einer Pulsleistung von 3600 W aufgebracht.
-
Die
anorganische Schicht wird unter harten Plasmabedingungen abgeschieden,
so dass deren Kohlenstoffgehalt unterhalb von 6% liegt.
-
Tabelle
1 zeigt drei verschiedene Ausführungsbeipiele
für verschiedene
Schichtdicken für
die organische Haftvermittler- und
die anorganische Barriereschicht.
-
Der
H2O-BIF gibt den Barriereverbesserungsfaktor
für Wasserdampf
an, der sich aus dem Verhältnis der
Permeation durch den unbeschichteten und der Permeation durch den
beschichteten Behälter
ergibt. Zur Messung der Permeation werden die Behälter mit
250 ml Wasser befüllt
und dicht verschlossen. Durch Wiegemessungen wird die zeitliche
Gewichtsabnahme über
einen Zeitraum von mehreren Wochen vermessen und daraus die Wasserdampfpermeation
bestimmt.
-
Alle
in Tabelle 1 gezeigten Varianten führen zu einer deutlichen Barriereverbesserung
für Wasserdampf.
Die höchste
Sperrwirkung wird für
eine 20 nm dicke Haftvermittler- und 25 nm dicke Barriereschicht erzielt:
Es ergibt sich ein H
2O-BIF von 12,6 bei Raumtemperatur, gemessen
bei 50% Luftfeuchtigkeit, und von 7,3 bei 45°C und ungeregelter Feuchtigkeit. Tabelle 1: Ausführungsbeipiele für verschiedene
Schichtdicken für
organische Haftvermittler- und anorganische Barriereschichten
| Bsp.
Nr. | Schichtdicke
Haftvermittler [nm] | Schichtdicke
Barriere [nm] | H2O-Permeation [mg/Tag], 23°C, 50% Feuchte | H2O-BIF, 23°C,
50% Feuchte | H2O-Permeation [mg/Tag], 45°C | H2O-BIF, 45°C |
| Referenz, unbeschichtet | - | - | 250,8 | - | 1298,1 | - |
| 1 | 10 | 25 | 44,1 | 5,7 | 248,1 | 5,2 |
| 2 | 20 | 25 | 20,2 | 12,6 | 179,1 | 7,3 |
| 3 | 10 | 12,5 | 36,7 | 6,8 | 323,0 | 4,0 |
-
Weitere
Beispiele sind tiefgezogene Verpackungen für kalte Lebensmittel wie Yoghurt
oder Quark, geschäumte
Trays für
Früchte,
Gemüse
oder Fleisch sowie Behältnisse
für Kekse,
Süßigkeiten
oder Schüttgüter (Nudeln,
Reis, Zucker usw.).
-
Ebenso
können
Einweggeschirr und -bestecke aus biologisch abbaubaren Kunststoffen
mit einer Barrierebeschichtung hergestellt werden. Aus Polymilchsäure lassen
sich beispielsweise transparente Becher fertigen, welche mit einer
transparenten Barrierebeschichtung als Einweggläser eingesetzt werden können. Sie sind
leicht, formstabil, biologisch abbaubar und eignen sich für kalte
und warme Getränke.
-
Aus
Stärke
und Zellulose können
Teller und Schalen für
kalte und warme Speisen gefertigt werden. Durch eine Barrierebeschichtung
werden sie wasserfest bzw. wasserundurchlässig. Sie sind temperaturbeständig von –40°C bis mindestens
120°C und
für die
Verwendung in der Mikrowelle, im Heißluftofen oder für das Dampfgaren
geeignet.
-
Ein
weiteres Beispiel ist Besteck aus thermoplastischer Pflanzenstärke und
Zellulosederivaten mit einer Barrierebeschichtung. Dieses Besteck
ist hitzebeständig
zwischen 60°C
und 120°C.
Durch die Barrierebeschichtung wird ein Aufweichen verhindert, indem
das Eindringen von Wasser aus dem Lebensmittel in die Becher, Teller,
Schalen und das Besteck verhindert wird.
-
Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
sind mit einer Barriereschicht versehene Formteile aus biologisch abbaubaren
Kunststoffen zur Verwendung als Gebinde, welche zur Verpackung von
stückigen
Gütern
auf Paletten, zum Abpacken kleinerer Einheiten bzw. als Zwischenstücke eingesetzt
werden.
-
Auch
Kunststoffformteile zur Umverpackung von Produkten, insbesondere
zur Fixierung von Produkten in Kartons, können die erfindungsgemäß beschichteten
biologisch abbaubaren Kunststoffsubstrate verwendet werden. Gerade
auf dem Gebiet der Umverpackungen für technische Geräte wie Monitore,
Computer, Fernsehgeräte,
Videorecorder, Lampen, aber auch für Haushaltsgeräte aller
Art, bis hin zu Füllstoffen
(sogenannten flow chips) können
durch geschäumte
Substrate aus biologisch abbaubaren Kunststoffen, welche mit einer
Barriereschicht versehen sind, durch die Erfindung umweltschonende
Alternativen zu entsprechenden Produkte aus herkömmlichen Kunststoffen zur Verfügung gestellt
werden.