Nasschemisches Beschichtungsverfahren mit Sauerstoffbarrierepotential für Papier und papierähnliche Substrate

Beim Einsatz von Barrierebeschichtungen auf Papier und papierähnlichen Substanzen wird Recycling und Alternativen zur Kunststoffbeschichtungen immer bedeutender. Im Rahmen eines Forschungsprojektes bei INNOVENT e.V. konnten Multi-Layerbeschichtungsysteme auf der Basis von Sol-Gel derivierten Hybridpolymeren und modifizierten Polysacchariden entwickelt werden. Die Beschichtungssysteme demonstrierten sehr gute Sauerstoffbarrieren auch auf sehr rauen Substraten.

 Nachwachsende und recycelbare Materialien wie Papier zeichnen sich in der Regel durch ihre faserige Struktur aus. Diese Struktur macht sie besonders wasser- und schmutzaufnahmefähig und durchlässig für Gase wie Sauerstoff und Wasserdampf. Dies kann die Stabilität der Verpackungsmaterialien erheblich beeinträchtigen und in vielen Anwendungsfällen nachteilige Auswirkungen haben. Zum Beispiel können diese Eigenschaften im Verpackungsbereich dazu führen, dass nicht ausreichend Schutz gegen Permeation, Migration und Absorption für den Inhalt der Verpackung gewährleistet ist. Dies wiederum kann bei empfindlichen Produkten in der Lebensmittelindustrie oder der Medizintechnik zu unerwünschten Reaktionen führen, die sich in Form von Geschmacksveränderungen (Off-Flavor), Farb- und Stabilitätsverlusten sowie mikrobiologischem Verderb des Inhalts bemerkbar machen. Darüber hinaus sind die Verpackungsmaterialien selbst anfällig für Feuchtigkeit, was ihre Wiederverwendbarkeit und Langzeitstabilität oft einschränkt

Neue Multi-Layerbschichtungen

Kaum ein nasschemisches Verfahren erweist sich in seiner Vielseitigkeit der Sol-Gel-Technik gleich. Diese Methode findet Anwendung auf einer breiten Palette von Substratmaterialien, darunter Glas und Metall, aber auch temperaturempfindliche Werkstoffe wie Polymere, Textilien und Fasermaterialien. Dank der Fülle an verfügbaren Vorläufersubstanzen und der präzisen Steuerung der Reaktionsbedingungen können vielfältige Schichteigenschaften erzielt werden, die unabhängig vom jeweiligen Substratmaterial sind. Die Versiegelung von Fasermaterialien gestaltet sich aufgrund ihrer speziellen strukturellen Beschaffenheit als anspruchsvoll, da sie Mikrometer-Zwischenräume und äußerst raue Oberflächen aufweisen. Aus diesem Grund wird zunächst eine Ausgleichsschicht auf Basis modifizierter Polysaccharide wie Stärkeester oder Chitosan aufgetragen, um das Substrat grundlegend zu versiegeln. Anschließend können dünne Sauerstoffbarrierebeschichtungen in Form von Hybridpolymeren oder Nanocompositen mithilfe der Sol-Gel-Technik hergestellt und aufgetragen werden [1,2].

Die Industrieforschungseinrichtung INNOVENT e.V. analysiert, forscht und entwickelt seit 25 Jahren in den Bereichen Oberflächentechnik, Magnetisch-Optische Systeme und Biomaterialen. Das Institut aus Jena beschäftigt etwa 130 Mitarbeiter, leitet verschiedene Netzwerke und führt bundesweit Fachtagungen durch. INNOVENT ist Gründungsmitglied der Deutschen Industrieforschungsgemeinschaft Konrad Zuse.

Publikationen:

1. Trodtfeld, F.; Tölke, T.; Wiegand, C. Antimicrobial Functionalization of Prolamine–Silica Hybrid Coatings with Fumaric Acid for Food Packaging Materials and Their Biocompatibility. Antibiotics 2022, 11, 1259, doi: 10.3390/antibiotics11091259.

2. Trodtfeld, F.; Tölke, T.; Wiegand, C. Developing a Prolamin-Based Gel for Food Packaging: In-Vitro Assessment of Cytocompatibility. Gels 2023, 9, 740, doi:10.3390/gels9090740.

https://www.innovent-jena.de/