Recyclingfähige Lebensmittelverpackungen: Qualitätskontrolle von Nanobeschichtungen

Oberflächen 08. 12. 2022
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EU-weit werden jährlich mehr als 300 Milliarden Verpackungen nicht recycelt, weil sie aus einem Mix verschiedener Materialien bestehen. Verpackungen aus Monomaterialien sind dagegen gut recycelbar. Sie müssen aber mit ultradünnen Barriereschichten versehen werden, um empfindliche Produkte ebenso gut zu schützen wie Verbundmaterialien. Das Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM entwickelt ein optisches Messsystem, mit dem sich die Qualität dieser Barriereschichten in der Produktionslinie prüfen lässt.

Verpackungen für empfindliche Alltagspro­dukte bestehen heute in der Regel aus Kunststoffverbundsystemen – einem Materialmix aus unterschiedlichen Polymeren. Die Verpackungen sorgen dafür, dass empfindliche Produkte wie Lebensmittel oder Pharmazeutika auf dem Weg von der Herstellung zum Konsumenten vor äußeren Einflüssen wie zum Beispiel Sauerstoffdiffusion geschützt werden. Polymerverbundmaterialien erfüllen diese Funktionen zwar, können jedoch nicht wirtschaftlich recycelt werden. Mit Blick auf die gewaltige Menge an Verpackungsmaterial haben die Gesetzgeber auf Bundes- und EU-Ebene die Anforderungen an die Recyclingfähigkeit von Verpackungen zuletzt deutlich verschärft. Im Forschungsprojekt RE-USE (Recyclingfähige Funktionsverpackungen für die Lebensmittel- und ­Pharmaindustrie durch ultradünne Barriereschichten) arbeiten vier Fraunhofer-Institute gemeinsam an neuen Verpackungskonzepten, die ohne Material­verbundsysteme funktionieren sollen und damit eine deutliche höhere Recyclingquote erreichen. Am Projekt beteiligt sind die Fraunhofer-Institute für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV, für Organische Elek­tronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP, für Physikalische Messtechnik IPM und für Elektronische Nanosysteme ENAS.

Monomaterial statt Materialmix: Verpackungen werden heute zum Großteil als Müll verbrannt, da sie aus Verbundmaterialien bestehen. Forschende von vier Fraunhofer-Instituten wollen nanometerdünne Barriereschichten für recyclingfähige Verpackungen aus Monomaterialien entwickeln, um so die Recyclingquote zu erhöhen (Bild: Fraunhofer IPM)

 

Ultradünne ­Barriereschicht auf Monomaterial

In vielen Fällen lässt sich die Barrierefunktion von Polymerschichten auch durch ultradünne Beschichtungen, zum Beispiel aus Aluminium- oder Siliziumoxid, erzielen. Die Projektpartner entwickeln ein Verfahren, mit denen es möglich werden soll, solche Schichten mit zuverlässiger Barrierewirkung in einer Dicke von nur zehn Nanometern aufzutragen. Die Menge des Fremdmaterials auf dem eigentlichen Verpackungsmaterial ist dabei so gering, dass ein sortenreines Recycling problemlos möglich ist.

Voraussetzung für die Herstellung solcher Superbarrieren im großen Maßstab ist eine zuverlässige Qualitätskontrolle. Eines der Ziele des auf drei Jahre angelegten Forschungsprojekts ist daher ein inline-fähiges Messsystem, das eine Regelung des Beschichtungsprozesses und damit eine durchgehende Qualitätskontrolle ermöglicht.

Das Fraunhofer IPM entwickelt eine Lösung, mit der sich Dicke und Elementzusammensetzung der Barriereschicht während der Herstellung vollständig prüfen und der Beschichtungsprozess regeln lassen. Dazu nutzen die Forschenden die charakteristischen spektralen Eigenschaften der Beschichtungen im Infrarotbereich. Infrarotstrahlung eines Quantenkaskadenlasers sieht unter streifendem Einfall die Barriereschicht, das heißt, sowohl die spektrale Signatur der Schicht als auch des Substrats sind erkennbar. Aus diesen spektralen Merkmalen lassen sich Rückschlüsse über die Dicke und chemische Zusammensetzung der Schicht ziehen.

In einem weiteren vom Land Baden-Württemberg geförderten Projekt arbeitet das Forschungsteam gemeinsam mit der Firma Plasma Electronic GmbH an der Produktionstauglichkeit des infrarot-optischen Verfahrens. Hierzu wird ein Array von äußerst kompakten Einzelsensoren in einen industriellen Plasmabeschichtungsprozess für Becher integriert, um eine 100-Prozent-Qualitätskontrolle zu ermöglichen.

Kontakt:

Dr. Benedikt Hauer, Projektleiter, Fraunhofer IPM,
E-Mail: benedikt.hauer@ipm.fraunhofer.de

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