Entwicklung von neuen biobasierten Barrierebeschichtungen – ECOAT

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EU-Flagge plus Textzusatz "Horizont 2020"

This project has received funding from the Bio Based Industries Joint Undertaking (JU) under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 837863. The JU received support from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme and the Bio Based Industries Consortium.

Projektlaufzeit: 1.05.2019 – 30.04.2022

Projektträger / Zuwendungsgeber:
EU, EU-Rahmenprogramm für Forschung und Innovation Horizon 2020
Bio-based Industries Joint Undertaking
 

Das übergeordnete Ziel von ECOAT ist die Auswahl, Extraktion und Funktionalisierung von Molekülen (Proteinen, Polysacchariden, Cutin) aus großtechnisch verfügbaren, bisher jedoch kaum genutzten Reststoffen wie z.B. Tomaten, Hülsenfrüchten und Sonnenblumen. Diese Rohstoffe werden zu Beschichtungen funktionalisiert und auf verschiedene zellulose- und polymerbasierte Substrate beschichtet, um die Eigenschaften der Substrate zu verbessern und nachhaltigere End-of-Life Optionen zu entwickeln. Die zu entwickelnden Produkte sind z.B. Verpackungspapiere und Kartonagen (für frische Produkte wie z.B. gekochte Pasta, oder als Pappteller/Besteck), Kunststoffverpackungen (Bio-Polyester), aktive Verpackungen, Cutin-basierte Formulierungen für wasserabweisende Beschichtungen (Pappbecher, Servicepapier, etc.), Wasserdampfbarrierebeschichtungen und non-food Verpackungen mit besonderen Schutzeigenschaften.

Pflanzliche Mizellenproteine als Alternative zu petrochemischen Polymeren

In ECOAT ist das Fraunhofer IVV verantwortlich für die Entwicklung von proteinbasierten Beschichtungen. Im Einzelnen besteht dieser Prozess aus der Identifikation von Proteinquellen, der Extraktion der Proteine, der Formulierungsentwicklung und der Charakterisierung der entwickelten Beschichtungen. Das Fraunhofer IVV hat Expertise in der Entwicklung von pflanzlichem Mizellenprotein, welches als Alternative zu petrochemischen Polymeren verwendet werden kann. Die Hauptaufgabe von Mizellenproteinen in Verpackungen ist der Ersatz von petrochemischen Polymeren wie z. B EVOH, welches als Sauerstoffbarriere in herkömmlichen Verpackungen verwendet wird. Mizellenproteine weisen eine sehr gute Barriere gegen die Permeation von Sauerstoff auf und zeigen sehr gute Klebstoffeigenschaften. Ein spezieller Proteinextraktionsprozess ermöglicht die Gewinnung von mizellären Proteinstrukturen. Bisher wird jedoch Wasser als Lösemittel für die Mizellenproteinformulierung verwendet. Wenn das Protein in polymerbasierten Verbundmaterialien als Klebstoff verwendet werden soll, kann Wasser bisher nicht ausreichend schnell abgetrocknet werden und verbleibt daher im Klebstoff, wodurch die Klebeeigenschaften verringert werden.

Mizellenproteine in Kunststoffverpackungen

Daher wird ein neues Lösemittelsystem wird für die Verwendung von Mizellenproteinen in Kunststoffverpackungen entwickelt. Dieses neue Lösemittelsystem muss den folgenden Anforderungen genügen: das Protein muss gut löslich sein und der Einfluss des Lösemittels auf die Proteinstruktur soll möglichst gering sein. Die Viskosität soll gering sein, um eine gute Verarbeitbarkeit zu garantieren. Zudem sorgt ein hoher Dampfdruck für eine gute Abtrocknung. Weiterhin muss das Lösemittel ungiftig und umweltfreundlich sein. Bestenfalls kann dies mit geeigneten technischen Gegebenheiten aus dem Prozess rückgewonnen werden.

Im nächsten Schritt wird ein reaktiver Vernetzter entwickelt, wobei dessen Kettenlänge sowie die reaktiven Gruppen adaptiert werden, um bestimmten Proteineigenschaften zu optimieren. Dies sind z.B. die Löslichkeit, die mechanische Festigkeit und die Gasbarriereeigenschaften. Die Quervernetzung der Proteine wird während oder nach dem Beschichtungsprozess durch UV-Licht oder hohe Temperaturen getriggert.

Entwicklung einer lösemittelbasierten Beschichtungsformulierung

Sobald die genannten Schritte vollbracht sind, wird die finale Beschichtungsformulierung entwickelt. Der Austausch des Lösemittelsystems sowie die Optimierung mittels Quervernetzern hat einen signifikanten Einfluss auf die Prozessierbarkeit der Formulierungen, z.B. durch veränderte Viskosität und Scherfestigkeit. Die Formulierungsentwicklung beinhaltet daher die Auswahl eines passenden Weichmachers sowie die Identifizierung der optimalen Protein- und Weichmacherkonzentration. Neue, eigens für das Projekt entwickelte Weichmacher auf Basis von Milchsäure, Weinsäure oder Glycolsäuren werden in verschiedenen Konzentrationen getestet, um die Prozesseigenschaften der Formulierung zu verbessern.

Die finale Formulierung wird dann im Labor- und Pilotmaßstab am Fraunhofer IVV beschichtet. Schlüsselparameter sind hierbei die Beschichtungsgeschwindigkeit, das Auftragsgewicht,  die Trocknungstemperatur und -zeit. Abschließend wird die Sauerstoff- und Wasserdampfbarriere, die Verbundhaftung und die mechanische Stabilität der fertigen Laminate in den Fraunhofer Laboren getestet.