Neue PECVD-Barriereschichten für flexible Lebensmittelverpackungen: Haltbarkeit ohne Recyclingprobleme
Im Rahmen des DFG-Projekts „StrainCoat“ wird an der Entwicklung dehnungstoleranter PECVD-Beschichtungen gearbeitet, die in Lebensmittelverpackungen eine effektive Gasbarriere bieten.
Im Bereich der Lebensmittelverpackungen wird häufig eine Gasbarriere gefordert, um die Haltbarkeit der Lebensmittel zu verlängern. Im Gegensatz zu konventionellen Barrieretechnologien ermöglichen PECVD-Beschichtungen die Erzeugung einer Barriere ohne Einschränkung der Rezyklierbarkeit der Verpackung. Eine große Herausforderung stellt jedoch die eingeschränkte Dehnungstoleranz der Beschichtungen dar, die im DFG-Projekt „StrainCoat“ erforscht werden soll.
Im PECVD-Verfahren (engl. plasma enhanced chemical vapour deposition) hergestellte Schichten erzeugen bei geringen Schichtdicken von etwa 50 nm bereits wirksame Barrieren gegen Gase wie Sauerstoff oder Wasserdampf – je nach Substrat und Schicht können Permeationsraten um den Faktor 100 reduziert werden. Durch den geringen Materialeinsatz wird ein nachfolgender Recyclingprozess nicht beeinflusst, woraus sich ein wachsendes Interesse an dieser Technologie begründet.
Insbesondere bei Folien kommt es im Laufe der Anwendung aber zu zahlreichen mechanischen Belastungen, wobei die vergleichsweise spröden Beschichtungen vor allem auf Dehnung empfindlich reagieren – die Barrierewirkung geht bereits bei geringen Dehnungen deutlich zurück. Dies ist auf die Rissentstehung zurückzuführen, die im Laser-Scanning-Mikroskop (LSM) gut zu erkennen ist (s. Abbildung 1).
© IKVZiel des Projekts ist es daher, ein Schichtsystem zu entwickeln, das bei uniaxialen Dehnungen bis zu 10 % eine ausreichende Barrierewirkung erzeugt. Die Barriere wird anhand der Sauerstofftransmissionsrate (engl. Oxygen Transmission Rate – OTR) bewertet. Diese ist eine der wichtigsten Messgrößen zur Beurteilung der Barrierewirkung von Verpackungen, da Sie in engem Zusammenhang mit dem Mindesthaltbarkeitsdatum der verpackten Produkte steht.
Im Projekt StrainCoat wird ein Ansatz basierend auf dem Tortous Path Modell (s. Abbildung 2) verfolgt. Hierzu wird die Barriereschicht in mehreren Lagen, mit entkoppelnden, weniger steifen Zwischenschichten abgeschieden. Die Zwischenschicht soll den Rissfortschritt unterbrechen, sodass ein Riss sich nicht durch das gesamte Schichtsystem fortsetzt, und so für einen verlängerten Permeationspfad sorgen.
© IKVDafür wird zunächst der Abscheideprozess von einlagigen Beschichtungen unter Variation der relevanten Prozessparameter im am IKV befindlichen Reaktor für großflächige Substrate (engl. Large Area Microwave Plasma System – LAMPS) durchgeführt und analysiert. Ein Fokus liegt dabei auf den Schichtspannungen der abgeschiedenen Beschichtungen, welche in-situ aufgezeichnet werden. Anhand der Korrelation der OTR der Beschichtungen in Abhängigkeit der Dehnung wird die Dehnungstoleranz bewertet. Hier ist ein Zielgrößenkonflikt zu erwarten, da Beschichtungen mit guter Barrierefunktion erfahrungsgemäß eher spröde und glasartig sind und weichere Beschichtungen tendenziell schlechtere Gasbarrieren darstellen.
Anschließend wird basierend auf den Erkenntnissen ein Mehrschichtsystem entwickelt, um eine höhere Dehnungstoleranz der Barriere zu erzielen. Dieser Schritt wird simulativ begleitet, um ein besseres Verständnis der Permeationsvorgänge zu gewinnen und um mögliche Optimierungspotenziale bei der Schichtentwicklung aufzudecken.
Die Erkenntnisse aus diesem Projekt können zur gezielten Entwicklung von Schichtsystemen genutzt werden und somit zur industriellen Etablierung der Plasmabeschichtung von Folien beitragen und die weitere Verbreitung der Plasmatechnologie fördern. Für die Verpackungsindustrie würde damit ein wertvoller Beitrag zum Erreichen einer geschlossenen Kreislaufwirtschaft geleistet werden.
Projektdaten und Förderung
Wir danken der DFG für die Förderung des Projekts (Förderkennzeichen DA 488/3-1) und den Projektpartnern für die Zusammenarbeit.
Projektlaufzeit: 10.2022 – 09.2025