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Verbesserung der Wirkung von Barrierebeschichtungen gegenüber unerwünschten Inhaltsstoffen

Ziel des Projektes war die Entwicklung eines Konzepts zur Verbesserung der Wirkung und Kosteneffizienz von Barrierebeschichtungen gegenüber unerwünschten Inhaltsstoffen aus Altpapieren: Erreicht werden sollte das durch eine möglichst optimale Kombination von anorganischen Pigmenten und polymeren Beschichtungsmitteln. Die unerwünschten Inhaltsstoffe umfassten Mineralölkohlenwasserstoffe (MOSH, MOAH), Phthalate (DEHP, DBP, DiBP) und Benzophenon.

Beginnend mit 11 verschiedenen Barrieremitteln und 14 unterschiedlichen Pigmenten wurden Beschichtungs- und Formulierungsversuche im Labor durchgeführt und die dabei erzeugten Muster bewertet. Zur besseren Beurteilung der Barrierewirkung im Kurz- und Langzeitkontakt wurden parallel dazu auf Basis der Tenax®-Migration neue Testmethoden entwickelt und validiert. Zu den Barrieremitteln mit guten bis sehr guten Eigenschaften zählten Polyvinylalkohol, Ethylen-Vinylacetat-Copolymere und Cellulosederivate (Hydroxyethylcellulose und Methylhydroxypropylcellulose).

Es konnte gezeigt werden, dass sich durch Zusatz von plättchenförmigen Pigmenten zu Barrieremitteln die Sperrwirkung gegenüber den oben genannten unerwünschten Stoffen erhöhen lässt. Dabei wurde in günstigen Fällen die Migration um Faktoren von 2-6 reduziert. Die Verringerung der Migration war tendenziell etwas größer ist als jene, die durch gängige theoretische Modelle zum Tortuositätseffekt vorhergesagt werden. Die Unterschiede könnten auf vereinfachenden Annahmen der Modelle oder aber auf geringen Adsorptionseffekten der Pigmente beruhen.

Die besten Ergebnisse konnten mit Kaolin-Pigmenten und einem sehr feinkörnigen Glimmer in Kombination mit Cellulosederivaten (Hydroxyethylcellulose und Methylhydroxypropylcellulose) erzielt werden. Die Ausrichtung der Pigmente war insbesondere bei Kaolinen aus rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen gut ersichtlich. Eine hohe Glätte des zu beschichtenden Substrats und ein nicht allzu schnelles Wegschlagen des Wassers waren für die gewünschte parallele Ausrichtung der Pigmente von Vorteil.

Die Ergebnisse der Laborversuche konnten abschließend anhand von Pilotversuchen im technischen Maßstab am System Hydroxyethylcellulose / Kaolin weitgehend verifiziert werden.

Die vor Beginn des Projektes formulierte Hypothese, dass durch Abstimmung von Art, Eigenschaft und Menge des Pigments sowie von Polarität und freiem Volumen des polymeren Beschichtungsmittels unter Nutzung des Tortuositätseffektes die Sperrwirkung von pigmenthaltigen Beschichtungen erhöht werden kann, wurde in allen Einzelheiten bestätigt. Insbesondere konnte gezeigt werden, dass sich auf diese Weise erhebliche Kosteneinsparungen bis zu 50 % erzielen lassen.

Eine weitgehende Bestätigung konnte auch die zweite im Vorfeld formulierte Hypothese finden. Die Langzeitwirkung der Sperreigenschaften wurde an ausgewählten Beispielen belegt. Die Applizierbarkeit der Formulierungen war gegeben, wobei im Einzelfall die Bedingungen sorgsam ermittelt und optimiert werden müssen.

Das Forschungsvorhaben IGF 18656 BG der AiF-Forschungsvereinigung PTS wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt. Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen der Papier- und Zulieferindustrie für die Unterstützung der Arbeiten.