Verpackungen bestehen mitunter aus Multimaterialverbunden, deren Schichten aus unterschiedlichen Kunststoffen, kombiniert mit Barreriematerialien, bestehen. Am Ende ihres Lebenszyklus sind diese schwer zu trennen und werkstofflich zu recyceln. Eine ressourceneffizientere und umweltfreundlichere Lösung bietet das plasmagestützte Beschichten von Kunststoffen.
Herausforderung Permeabilität
Lebensmittelverpackungen aus Kunststoff verlängern die Haltbarkeit von Produkten und schützen sie gleichzeitig vor qualitätsmindernden äußeren Einflüssen wie Verunreinigungen und Mikroorganismen sowie vor Sauerstoff, Feuchtigkeit und Licht. Bei empfindlichen Produkten stellt die hohe Permeabilität von Kunststoffen allerdings eine Herausforderung dar. Gase wie Sauerstoff oder Wasserdampf können zu einem frühzeitigen Verderben der Lebensmittel führen. Umgekehrt kann das Entweichen von Bestandteilen wie CO2 oder Aromen aus dem Produkt zu Eigenschaftsveränderungen beispielsweise bei Geschmack oder Erscheinungsbild führen. Zudem verstärkt sich der Trend zur Reduktion des eingesetzten Materials, was die Barrierewirkung der Verpackung durch die Förderung geringerer Wanddicken weiter reduziert.
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Aus diesem Grund ist die Verbesserung der Barrierewirkung von Lebensmittelverpackungen von zunehmender Bedeutung. Besonders weit verbreitet sind hier Verpackungslösungen aus Multimaterialverbunden. Die einzelnen Schichten bestehen oft aus unterschiedlichen Kunststoffen: Günstigere Kunststoffe wie PP oder PE werden mit teureren Barrierematerialien wie EVOH oder PA kombiniert. Nach dem Gebrauch sind diese einzelnen Schichten jedoch nur sehr schwer zu trennen und daher für das werkstoffliche Recycling meist unbrauchbar.
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer rigiden siliziumoxidischen Barriereschicht (Quelle: IKV)
Die Vorteile der Plasmabeschichtung
Mithilfe von plasmagestützten Beschichtungsprozessen gelingt es, Kunststoffe mit einer Barriere auszustatten, ohne deren Recyclingfähigkeit zu beeinträchtigen. Die plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) ist ein vakuumbasiertes Beschichtungsverfahren, bei dem wenige zehn Nanometer dicke optisch transparente Beschichtungen mit hoher Sperrwirksamkeit (häufig SiOx-Schichten) auf einem Substrat mithilfe eines Plasmas abgeschieden werden. Die Beschichtungen können flexibel an Faktoren wie Geometrie, Oberfläche und Chemie der Substrate angepasst werden. Dabei sind Vorbehandlungen wie Reinigung und Aktivierung der Oberfläche bereits im Prozess integriert. Dadurch können Plasmabeschichtungen ein weites Spektrum an Anwendungsfällen bedienen. Weitere Vorteile der PECVD-Beschichtungen gegenüber anderen Barrieretechnologien, wie der Coextrusion von Mehrschichtverbunden oder der Metallisierung, sind die hohe Umweltfreundlichkeit der Prozesse, die geringen Betriebs- und Materialkosten sowie die Homogenität der Schichten mit optischer Transparenz. Zudem beeinträchtigen die in diesem Verfahren hergestellten nanoskaligen Beschichtungen die Recyclingfähigkeit von Kunststoffen nicht. Die Plasmabeschichtung von Kunststoffoberflächen bietet daher umweltverträgliche und praktikable Lösungen für Kunststoffprodukte, an die hohe Ansprüche beispielsweise in Bezug auf Barrierewirkung und andere Funktionalitäten gestellt werden.
Mit Plasmatechnik zu kreislauffähigen Verpackungen
In den Diskussionen zur Kreislaufwirtschaft hat sich die Plasma- und Oberflächentechnik dadurch zu einem hochdynamischen Forschungsgebiet mit entscheidender Innovationskraft und breiter gesellschaftlicher Relevanz entwickelt. Im Bereich der Verpackung haben sich insbesondere Folien und Hohlkörper als wichtige Anwendungsbereiche herauskristallisiert.
Die Beschichtung von Folien findet aktuell als Batchprozess im Roll-to-Roll-Verfahren industrielle Anwendung. Hierzu wird am IKV zurzeit ein Verfahren entwickelt, mit dem eine Inline-Beschichtung von Folien möglich wird. Durch anlagentechnische Maßnahmen soll die Wirtschaftlichkeit des Beschichtungsprozesses deutlich gesteigert werden. Dies wird erheblich zur weiteren Verbreitung von PECVD-Beschichtungen für Folien im industriellen Einsatz führen.
Einsatz von Rezyklaten in Lebensmittelverpackungen durch PECVD-Migrationsbarriereschichten (Quelle: IKV)
Die vielfältige Einsetzbarkeit von Plasmaprozessen zeigt sich vor allem auch im Themenbereich der Kunststoff-Kreislaufwirtschaft. Die Europäische Kommission setzt sich unter anderem zum Ziel, bis 2030 mindestens die Hälfte der Kunststoffabfälle zu recyceln und damit den Anteil an Rezyklat-Kunststoffen in neu hergestellten Produkten deutlich zu erhöhen. Der Erfolg dieses Vorhabens wird derzeit unter anderem durch die sehr eingeschränkten Einsatzmöglichkeiten von Rezyklaten vor allem im Lebensmittelbereich gehindert. Einer der Hauptgründe dafür ist das Risiko der Migration chemischer Stoffe aus den rezyklierten Verpackungen in die Lebensmittel und die daraus resultierende mangelnde Sicherheit der Materialien, die mit Lebensmitteln in Berührung kommen, die in einer Sicherheitsbewertung der Europäischen Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) beurteilt wird. PECVD-Beschichtungen haben sich bereits als Gas- und Aromabarrieren im Verpackungsbereich etabliert und können unter anderem das Eindringen von Sauerstoff in die Verpackung reduzieren. Ein vielversprechender Lösungsansatz besteht darin, die recycelten Produkte durch eine funktionelle Barriere vom Lebensmittel zu entkoppeln. Hochvernetzte Siliziumoxid-Gasbarriereschichten sollen so die Migration gesundheitsgefährdender Stoffe in die Lebensmittel limitieren und die Möglichkeit des flexiblen Rezyklateinsatzes ebnen. Das IKV entwickelt geeignete Schichtsysteme zur Abscheidung auf Rezyklaten und prüft deren Wirksamkeit.
