Der Umbau der Wirtschaft von einer auf fossilen Ressourcen beruhenden Wertschöpfung hin zu nachhaltigem Materialkreislauf und ressourcenschonender Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen gewinnt immer mehr Fahrt. Das Fraunhofer ISC hat sich dazu mit »Materials meet … Clean Environment« und nachhaltigen Materiallösungen für die Veredelung, die effiziente Nutzung und das Recycling konventioneller und biogener Werkstoffe positioniert.
Verschmutzte Meere, endloser Plastikmüll und alarmierende Naturkatastrophen: Die allgegenwärtige Konfrontation mit der globalen Umweltkrise fordert ein Umdenken, auch in der Herstellung sowie dem Einsatz von Verpackungsmaterialien.
Herkömmliche Plastikverpackungen (in der Regel nicht-recycelfähige Mehrschichtverbundfolien) erfüllen zwar eine Vielzahl von notwendigen Eigenschaften, die das sichere Verpacken von Lebensmitteln garantieren, stellen allerdings eine große Bedrohung für die Umwelt und in
diesem Zusammenhang auch für die menschliche Gesundheit dar. Die unsachgemäße Entsorgung begünstigt das Eindringen von fein verteilten Kunststoffen – in Form von Mikroplastik – in die Biosphäre, in die Ozeane, in den Boden, ins Grundwasser und letztlich in die Nahrungskette.
Eine mögliche Lösung für dieses Problem eröffnen die im Fraunhofer ISC entwickelten ORMOCER® Beschichtungen. Hierbei handelt es sich um anorganisch-organische Hybridpolymere, die die relevanten Charakteristika von Verpackungsmaterialien, wie beispielsweise exzellente Barriere-Eigenschaften gegenüber Wasserdampf, Sauerstoff und dem Verlust bzw. Durchdringen von Aromen, aufweisen und sich somit zur Herstellung von multifunktionellen Beschichtungen eignen. Dank ihrer hohen Effektivität reicht eine extrem dünne Schicht ORMOCER® aus, um die geforderten Barriere-Eigenschaften sicherzustellen.
Vor dem Hintergrund, fossile Ressourcen einzusparen und alternative Materiallösungen vorzustellen, haben Dr. Sabine Amberg-Schwab und ihr Team die Materialklasse ORMOCER® optimiert und auf diese Weise die Materialklasse bioORMOCER® entwickelt. Diese Variante der Beschichtungslacke ist nicht nur biobasiert und kompostierbar, sondern stellt auch einen nachhaltigeren Ansatz dar. Denn die organisch-fossilen Bestandteile von ORMOCER® werden hierbei durch bio-organische Bestandteile ersetzt, die sowohl aus Reststoffen der Lebensmittelherstellung als auch aus biologischen Abfällen gewonnen werden können. Demzufolge bilden biogene, gut verfügbare Rohstoffe die Grundlage zur Herstellung von bioORMOCER®-Beschichtungen. Dieses »Upgrade« fördert einerseits die Recyclingfähigkeit von Verpackungen und ermöglicht andererseits das Einsparen von fossilen Ressourcen.
Als Weiterentwicklung von ORMOCER® hat das bioORMOCER® vergleichbare Charakteristika und gewährleistet infolgedessen ebenfalls exzellente Barriere-Eigenschaften. Aus diesem Grund fungiert es nicht nur als Veredelung von Verpackungsmaterialien in der Lebensmittelherstellung, sondern auch in der Kosmetikindustrie und der Pharmazie. Die Möglichkeit, bioORMOCER® in Gestalt von Biolacken auf Biopolymere, konventionelle Kunststoffe oder auch Papier aufzutragen, erweitert das Spektrum an innovativen,
biogenen Verpackungskonzepten und sorgt für nachhaltige Alternativen. Dank verschiedener Prozesse zum Auftragen von bioORMOCER® ist sowohl das Beschichten von ebenen Subtraten als auch von komplexen geometrischen Formen, wie Schalen oder Tiegel realisierbar.
In den vergangenen Jahren wurde die Forschung von Dr. Sabine Amberg-Schwab und ihrem Team mehrfach mit Auszeichnungen gewürdigt. 2020 erhielten sie hierfür u. a. den Deutschen Verpackungspreis in der Kategorie »Nachhaltigkeit« in Gold.
Dr. Sabine Amberg-Schwab über bioORMOCER®-Beschichtungen und nachhaltige Verpackungen
Plastikverpackungen sind fester Bestandteil des alltäglichen Lebens. Ob in der Nahrungs-, Kosmetik- oder Pharmaindustrie: sie kommen in vielen, verschiedenen Bereichen zum Einsatz. Insbesondere die Lebensmittelindustrie bedient sich vorrangig an mehrschichtigen Verpackungen auf Kunststoffbasis, da bisher nur sie die verpackten Produkte vor Sauerstoff, Wasserdampf, o.ä. schützen und zugleich eine leichte, kostengünstige sowie langlebige Verpackungsmöglichkeit bieten.
Der Nachteil dieser Plastikverpackungen verbirgt sich allerdings in der Nicht-Recycelbarkeit des Laminats. Während des Herstellungsprozesses werden die einzelnen Laminatschichten miteinander verbunden, können jedoch im Anschluss nicht wieder voneinander separiert werden. Die
hieraus entstandenen Multiverbundfolien besitzen infolgedessen einen untrennbaren Aufbau aus chemisch inkompatiblen Kunststoffen. Das heißt, dass sie weder getrennt, noch gemeinsam recycelt werden können.
In Zusammenarbeit mit drei weiteren Fraunhofer-Instituten, arbeitet das Fraunhofer ISC am Projekt »MoNova«, das eine Alternative zu den Multiverbund-Verpackungsmaterialien entwickelt, um somit eine nachhaltige bzw. ressourcensparende Kreislaufwirtschaft zu ermöglichen. Das Ziel des Projekts ist es, ebendiese nicht-recyclingfähigen Mehrschichtverbundfolien durch Monomaterialien zu ersetzen und damit leicht recycelbare, umweltfreundliche Verpackungsmaterialien zur Verfügung zu stellen. In diesem Zusammenhang wird der komplette Herstellungsprozess von Verpackungsfolien betrachtet mit dem Ziel, die neuen Verpackungsfolien zu (mindestens) 95 % aus einem einzigen Basismaterial herzustellen und von vornherein bereits die Verwendung von recyceltem Material mit einzuplanen.
»MoNova« arbeitet mit sortenreinen Polyolefinen oder Rezyklaten, speziellen Additiven und deren physikalischer sowie nasschemischer Nachbehandlung. Damit ergibt sich ein zweistufiger Prozess, der die neuen Verpackungsfolien im Hinblick auf die erforderlichen Eigenschaften für die jeweilige Verwendung einstellt. Mit einer funktionellen Hybridpolymer-Beschichtung in einem einfachen Beschichtungsverfahren erhalten sie die notwendigen Barriereeigenschaften, die sie für den Einsatz in der Nahrungs-, Kosmetik- und Pharmaindustrie qualifizieren. Da sich das Material der Verpackungsfolien auf eine Plastikart reduziert, sind sie vollständig recycelbar. Auf diese Weise ermöglichen sie das Sicherstellen eines Materialkreislaufs, in dem die recycelten Materialien immer wieder als Rohstoffe für neue Verpackungsfolien dienen.
Innerhalb des Projekts wird die neue Verpackungsfolie zunächst für die Herstellung von Standbodenbeuteln für die Verpackung von Lebensmitteln eingesetzt. Im Anschluss erfolgt der Nachweis ihrer Recyclingfähigkeit durch das Wiederverwenden des Materials für die Herstellung von Standbodenbeuteln für die Kosmetikindustrie.
Obwohl Kunststoffe auf fossiler Basis – vor allem biologisch nicht-abbaubare Varianten – viele gute Eigenschaften aufweisen, stehen sie im Kontrast zur zukunftsorientierten, umweltfreundlichen und nachhaltigkeitsbedachten Gesellschaft von heute. Besonders in der Landwirtschaft stellen Kunststoffe auf fossiler Basis ein Problem dar.
Mulchfolien sind für das Ausdehnen von Wachstumsperioden, die Beeinflussung des Wasserhaushalts des Bodens oder auch die Reduzierung des Pestizideinsatzes unabdingbar. Allerdings bestehen diese Mulchfolien bisher aus herkömmlichem Plastik, das einen erheblichen Teil zur Verschmutzung des landwirtschaftlichen Bodens bzw. der Umwelt beiträgt. Denn sie sind meist nicht recycelbar und landen daher nach relativ kurzer Nutzungsdauer in Form von Abfallresten auch in der Natur.
Forschungsinstitute sowie Unternehmen aus Norwegen, Finnland und Deutschland forschen in dem Verbundprojekt »NewHyPe« gemeinsam an einer Lösung für dieses Problem. Zentrum des Projekts bildet die Entwicklung einer nachhaltigen Alternative zu bisherigen Mulchfolien, deren Bestandteile aus Kunststoffen auf fossiler Basis durch biobasierte Alternativen ersetzt werden sollen.
Zellulose ist das am häufigsten vorkommende Biopolymer und bietet deshalb eine attraktive Grundlage für das Ersetzen von herkömmlichen Kunststoffen in verschiedenen Anwendungsbereichen. Der große Vorteil, den das Material gegenüber Kunststoffen auf fossiler Basis mitbringt, liegt in der Kompostierbarkeit: Zellulose ist grundsätzlich biologisch abbaubar, wodurch das Material keinen unerwünschten Müll auf dem Acker zurücklassen würde. Allerdings lassen Feuchtebeständigkeit und Reißfestigkeit für den Einsatz unter freiem Himmel zu wünschen übrig. Um Zellulose mit den für Mulchfolie benötigten Eigenschaften auszurüsten, müssen vor allem diese beiden Eigenschaften verbessert werden.
Im Projekt »NewHyPe« sollen zellulosebasierte Materialien und spezifische anorganisch-organische Hybridpolymere – sogenanntes ORMOCER® – miteinander kombiniert werden, um die Grundstabilität des Verbundmaterials zu erhöhen. ORMOCER® trägt dank einer hohen Funktionalität zur Bildung von chemischen Verbindungen innerhalb der Zellulosefasern bei. Damit lassen sich mechanische und chemische Beständigkeit des hybriden Verbundmaterials einstellen. Als auffallend innovatives Substrat hat sich in diesem Zusammenhang Nanozellulosepapier herauskristallisiert. Diese Variante von Mulchpapieren resultiert aus der Kombination von Nanocellulose-Dispersion als Trägerstruktur und ORMOCER® als Matrixkomponente. Aufgrund ihrer Bioabbaubarkeit können sie nach der Einsatzdauer einfach in den Boden eingepflügt werden.
Das Fraunhofer ISC übernimmt innerhalb des Verbundprojekts »NewHyPe« eine besonders wichtige Rolle: die Koordination, die Verwaltung und das Management des gesamten Vorhabens. Dank der langjährigen Erfahrung und Expertise im Bereich der Beschichtungsentwicklung ist das Fraunhofer ISC außerdem für die Entwicklung, die Modifizierung und die Charakterisierung von hybriden Beschichtungsmaterialien – die Materialklasse ORMOCER® – und deren Kombination mit den zellulosebasierten Grundmaterialien verantwortlich.
Der Aufbau eines Smart Environments für Produktion, Handel und Logistik ist nicht nur im Augenblick wichtig, sondern spielt auch in der Zukunft eine immer größere Rolle. Denn intelligente Verpackungen überwachen nicht nur Transport und Logistik, sondern geben auch fälschungssichere Auskünfte über Herkunft sowie Echtheit der enthaltenen Produkte. Somit schaffen sie einen Mehrwert, indem sie zur Optimierung der Prozesse innerhalb dieses Sektors beitragen.
Zeitgleich befinden sich sowohl der Verpackungsmarkt, als auch die Elektronikindustrie im Wandel. Die Verpflichtung zu Ressourcenschonung, Klima- und Umweltschutz bedingt verschärfte Richtlinien und Gesetze. Die erlaubten Bestandteile wurden reguliert (REACH, RoHS, WEEE) und der Einsatz speziell von Kunststoffverpackungen (EU-Verpackungsverordnung) wurde eingeschränkt.
Das heißt, dass auch die Umsetzung eines »Smart Environments« im Allgemeinen auf einen neuen Ansatz angewiesen ist: Für die Realisierung von nachhaltigen smarten Verpackungen sind umweltfreundliche, möglichst gut recycelbare, kostengünstige Alternativen zu kunststoff-basierten Materialien und herkömmlicher Halbleitertechnologie notwendig.
Gerhard Domann über »SUPERSMART« und Smart Packaging.
Papier ist ein altbekannter Werkstoff, der die Anforderungen an Verpackungsmaterial hinsichtlich Ressourcenschonung, Klima- und Umweltschutz erfüllt. Denn es besteht aus nachwachsenden Rohstoffen, ist gut recycelbar, haltbar und bei entsprechender Verarbeitung auch bioabbaubar. Als Trägermaterial für elektronische Komponenten, wie Sensoren und intelligente Etiketten, hat es sich bisher allerdings als untauglich erwiesen. Das Forschungsprojekt »SUPERSMART« – durchgeführt in einem europäischen Konsortium von elf Partnern aus Industrie und Forschung – hat jetzt einen smarten Ansatz ausgearbeitet, der gedruckte Elektronik auf Papier möglich macht.
Eine der großen Hürden bei der Herstellung von wettbewerbsfähigen, papierbasierten Smart Labels und Sensoren bildet der hohe Kostenaufwand, der mit der Herstellung der notwendigen Materialien verbunden ist. Diese konnten bisher nur in kleinen Mengen im Labormaßstab gefertigt werden, sodass die Kosten für den Druckprozess insgesamt hoch lagen. SUPERSMART hat deshalb Kriterien geeigneter Papiersubstrate und Lösungen für die industrielle Hochskalierung der Produktion funktioneller Materialien, den hochpräzise ausgerichteten Rolle-zu-Rolle-Druck von elektronischen Komponenten, die automatisierte Bestückung und die Entwicklung präziser Prozessprotokolle für die Qualitätssicherung erarbeitet.
Wie groß die Vorteile für die Ressourcenschonung, Klima- und Umweltschutz wirklich sind, zeigen die Ergebnisse des Life Cycle Assessments (LCA): Einerseits vereinfacht das Ersetzen von organischen bzw. anorganischen Substraten durch Papier das zukünftige Recycling. Andererseits reduziert es das Abfallaufkommen während der Produktion sowie am Ende der Lebensdauer des Produkts. Die notwendigen Druckprozesse benötigen außerdem weniger Energie und Rohstoffe als konventionelle Halbleiterprozesse. Im direkten Vergleich zwischen Papier- und PET-Substraten ergeben sich deutliche Vorteile bei der Nutzung von gedruckter Elektronik auf Papier. In fast allen LCA-Kategorien – z. B. Erderwärmung, Ozonabbau in der Stratosphäre oder Ökotoxizität etc. – verursacht die Verwendung von Papiersubstraten nur 10 – 20 % der negativen Effekte von PET.
Im Projekt SUPERSMART wurden Papier, Funktionsmaterialien und Produktionsverfahren so aufeinander eingestellt, dass nun elektrische Komponenten direkt in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren gedruckt werden können. Die Funktionsfähigkeit wurde beispielhaft an zwei Typen von „Smart Labels“ unter Beweis gestellt: einem Schockerkennungssensor, der beispielsweise über Erschütterungen beim Transport Auskunft geben kann, und einem intelligenten fälschungssicheren Etikett. Beide können einfach mit einer Smartphone-App ausgelesen werden. Mit SUPERSMART ist der Grundstein für eine skalierbare kostengünstige Herstellung von direkt auf Papier gedruckten elektronischen Komponenten gelegt.
Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC