Plasma-gecoat papier als kunststofalternatief voor de verpakkingsindustrie

Verbetering van papieroppervlakken met plantenextracten

De hoeveelheid plastic afval, schadelijk voor het milieu, neemt de laatste jaren voortdurend toe. Verpakkingen genereren bijzonder veel afval. Plantaardige coatings voor papieren verpakkingen zouden in de toekomst een duurzaam alternatief kunnen bieden. In het BioPlas4Paper-project hebben onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Surface Engineering and Thin Films IST en projectpartners een coatingproces gebruikt dat bekendstaat als plasmapolymerisatie om waterafstotende en op planten gebaseerde barrièrecoatings op papier te creëren, waardoor de weerstand van het papier tegen de effecten van het weer wordt verbeterd.

Plastic verpakkingen blijven een groot probleem voor het milieu. Papier daarentegen is gemaakt van hernieuwbare grondstoffen. Het voordeel ten opzichte van op aardolie gebaseerd plastic is dat het afbreekt en niet jarenlang in de grond blijft. Ongecoat papier biedt echter geen barrière tegen vocht of zuurstof. Normaal papier is temperatuurgevoelig, reageert sterk op vocht en bacteriën en wordt gekenmerkt door oneffen oppervlakken. Om het potentieel van het materiaal volledig te benutten, recyclingopties te verbeteren, plastic verpakkingen te vervangen en nieuwe toepassingsgebieden aan te boren, moeten we de levensduur, duurzaamheid en kwaliteit van papierproducten verbeteren op basis van de techniek voor Plasma-gecoat papier. Dit is de taak waaraan onderzoekers van Fraunhofer IST zich wijden in het BioPlas4Paper-project. Dit in nauwe samenwerking met de Technische Universiteit van Darmstadt en het Thünen Institute of Wood Research.

Om homogene, vochtafstotende coatings op papier te creëren, richten de projectpartners zich op plantaardige stoffen zoals oregano en chia-olie en op extractief materiaal verkregen uit schors. Deze plantaardige stoffen vertonen onder andere antibacteriële effecten.

Biobased plasmapolymeren verbinden zich met het oppervlak van het papier

“Tot nu toe hebben we ongebruikte plantenstoffen met een hoog aandeel onverzadigde vetzuren gebruikt om het papier hydrofoob, d.w.z. waterafstotend te maken. Hiervoor gebruiken we atmosferische drukplasmatechnologie, waarbij gas met hoge spanning onder omgevingsdruk wordt geëxciteerd om plasma te genereren, d.w.z. een deeltjesmengsel van ionen, vrije elektronen en in de meeste gevallen neutrale atomen of moleculen.

Het proces veroorzaakt een ontlading tussen de elektroden”, zegt Martin Bellmann, onderzoeker bij Fraunhofer IST in Braunschweig. De toevoeging van stikstof zet de plantenstoffen om in een aerosol en introduceert deze in het plasma als verdampte organische voorlopers om polymeernetwerken te vormen. Deskundigen noemen dit proces, waarbij de voorlopers door het plasma worden geactiveerd, plasmapolymerisatie.

De micrometergrote deeltjes voegen zich samen om plasmapolymeren te vormen. De kleine druppeltjes kruisen ook met het papier en verspreiden zich gelijkmatig over het ruwe papiersubstraat. Hierbij dringen ze diep in de poriën en vezels van het oppervlak. “Het plasma is essentieel om de plantenmoleculen reactief te maken en ze in staat te stellen om te crosslinken tot polymeren”, legt Bellmann uit.

Innovatief plasmabronconcept

Het plasma wordt gecreëerd met behulp van een plasmabron. Deze maakt men door gas te ioniseren tussen twee rotatiesymmetrische elektroden waarop een hoge spanning wordt toegepast. Nieuw is de geometrische opstelling van de elektroden en de methode waarmee de aerosol wordt geïntroduceerd en het plasma wordt ontstoken. De combinatie van deze maatregelen levert een innovatief concept op dat de onderzoekers speciaal voor het project hebben ontwikkeld, waarmee — onder atmosferische druk — de effecten van omgevingslucht kunnen worden geminimaliseerd, zelfs bij hogere coatingsnelheden, terwijl consistente en reproduceerbare resultaten worden behouden.

“Bij hoge verwerkingssnelheden veroorzaakt de ruwheid van het oppervlak van het papier turbulentie in de omgevingslucht. Hierdoor veranderen de eigenschappen van het plasma. Met ons concept kunnen we deze schadelijke effecten vermijden”, aldus Bellmann. De plasmabron wordt dicht bij het oppervlak van het papier geïntroduceerd, waardoor de omgevingslucht volledig wordt verdrongen. De onderzoekers werken met plasmatemperaturen van ongeveer 70 graden Celsius om het papier zelf, de biobased precursormoleculen of de eigenschappen van de geproduceerde plasmapolymeren niet te beïnvloeden.

Waterafstotende coatings gemaakt met olijfolie

Talrijke tests met een breed scala aan plantaardige oliën en extracten hebben de onderzoekers in staat gesteld om aan te tonen dat biobased materialen reproduceerbaar en homogeen kunnen worden gescheiden of afgezet met behulp van plasma. Uitstekende hydrofobe coatings kunnen bijvoorbeeld worden bereikt met olijfolie en chia-olie. Afhankelijk van de gebruikte precursors en de coatingparameters kunnen de onderzoekers de coatings beïnvloeden en optimaliseren. Het doel is om papier voor te bereiden op steeds geavanceerdere use cases. En in de toekomst zelfs plastic materialen te vervangen. “Een voorbeeld zijn verhuisdozen, die met onze hydrofobe coatings zelfs langdurige regenperiodes kunnen weerstaan ​​zonder zacht te worden. Ons doel is om de afhankelijkheid van fossiele grondstoffen te verminderen en de overgang naar een hulpbronnenefficiënte economie te ondersteunen”, aldus Bellmann.

• Fraunhofer Instituut voor Oppervlaktetechniek en Dunne Films IST  (ist.fraunhofer.de)
• Onderzoeksnieuws oktober 2024 – Plasma-gecoat papier als plastic alternatief voor de verpakkingsindustrie