Kombinierte Schichten

Um die Eigenschaften von Kunststoffbehältern zu optimieren, kommen Beschichtungsverfahren sowie Koextrusionsverfahren in Frage. Bei den Beschichtungsverfahren ist die Plasmatechnik besonders vielversprechend und darüber hinaus umweltschonend: Mit dieser Technologie lässt sich durch Variation der Beschichtungsparameter eine große Bandbreite von Oberflächeneigenschaften gezielt einstellen. So können beispielsweise die Permeation von Substanzen reduziert und die Benetzbarkeit einer Oberfläche angepasst werden. Plasmaprozesse benötigen nur eine minimale Menge von Beschichtungssubstanzen, da diese im Plasma hocheffizient zu einer Beschichtung umgesetzt werden. Am Fraunhofer IGB wurden für unterschiedliche Materialien und Anwendungen Beschichtungen entwickelt, die sich durch sehr gute Barrierewirkung gegen Gase und Flüssigkeiten auszeichnen und zugleich optimierte Eigenschaften bezüglich des Ablaufverhaltens besitzen.

Bei den Plasmaverfahren zur Herstellung funktionaler Beschichtungen (Plasmapolymerisation) werden die entsprechenden niedermolekularen Ausgangsverbindungen zunächst durch den Energieeintrag im Plasma teilweise fragmentiert. Diese Fragmente (Radikale) reagieren anschließend mit der Oberfläche des zu behandelnden Materials und bilden dort eine stabil angebundene Schicht. Gegenüber nasschemischen Verfahren bietet die Plasmatechnologie den Vorteil, die Beschichtungsschritte in direkter Abfolge, also ohne Zwischenschritte zur Trocknung oder zusätzliche Waschschritte, durchführen zu können. Beschichtungen, wie sie für Barrierebeschichtungen und zur verbesserten Restentleerbarkeit eingesetzt werden, sind beispielsweise fluorkohlenstoffbasiert [1], methylbasiert [2] oder hochdichte glasartige Diffusionsbarrieren [3] sowie angepasste Mehrlagensysteme.

Am Fraunhofer IGB wurden Barriereschichten hergestellt, die die Barrierewirkung des Kunststoffes Polyethylenterephthalat (PET) gegen Wasserdampf und Sauerstoff um mehr als den Faktor 1000 gegenüber dem unbehandelten Material erhöhen. Vergleicht man die Beschichtung mit einer handelsüblichen Beschichtung auf Basis von Ethylen-Vinylalkohol-Kopolymer (EVOH), so wird Sauerstoff fünfmal besser, Wasserdampf sogar 50-mal besser zurückgehalten.

Wird durch einen direkt nachfolgenden Prozessschritt eine weitere Schicht aufgebracht, so kann die Oberfläche an weitere Anforderungen wie chemische Eigenschaften oder Benetzbarkeit angepasst werden. Verwendet man hier beispielsweise öl- und wasserabweisende Fluorkohlenstoffbeschichtungen, so erhält man eine teflonartige Oberfläche. Von dieser laufen Testflüssigkeiten deutlich besser ab als von unbehandelten. Die Verbesserung bezieht sich nicht nur auf labortypische Testmedien wie Wasser und Öle, sondern auch auf industrietypische Füllgüter wie Leime, Lacke und Farben. So konnten wir zum Beispiel die Restentleerbarkeit von ausgerüsteten HDPE-Kanistern für ölhaltige Füllgüter gegenüber unbeschichteten Kanistern um 10 Prozent verbessern. Die multifunktionalen Beschichtungen wurden bereits erfolgreich auf verschiedene Flachmaterialien, aber auch auf Formkörper wie Kanister und Tanks appliziert.

Die Beschichtungen sind für viele Anwendungen geeignet, beispielsweise für Behälter zur Verpackung und Lagerung sowie für Displays oder auch für Sichtfenster in Feuchträumen. Die Erzeugung von multifunktionalen Schichten oder Schichtsystemen über Plasmatechnik ist besonders attraktiv, da sich mit nur einem Prozess unterschiedlichste chemische und physikalische Materialeigenschaften gezielt herstellen und an das gewünschte Eigenschaftsprofil anpassen lassen.

[1] Barz, J.; Haupt, M.; Vohrer, U.; Hilgers, H.; Oehr, C. (2005) Ultrathin carbon-fluorine film processing, Surface and Coating Technology 200 (1-4), 453 ff.

[2] Jacoby, B.; Bock, W.; Haupt, M.; Hilgers, H.; Kopnarski, M.; Molter, J.; Oehr, C.; Rühle, T.; Wahl, M. (2006) Abscheidung, Charakterisierung und Anwendung von Plasma-Polymerschichten auf HMDSO-Basis, Vakuum in Forschung und Praxis 18 (4), 12 ff.

[3] Baier, M. (2009) Ultrabarriereschichten, In: Suchentrunk, R.: Jahrbuch Oberflächentechnik, Bd. 65, Leuze Verlag Bad Saulgau, 109 ff, ISBN 978-3-87480-253-6.

Wir danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die Förderung des Projekts »INNOFUNK: Innovative funktionale Innenbeschichtung von Chemikalienbehältern mittels Plasmaverfahren«, Förderkennzeichen 033R045A.

Das Fraunhofer IGB hat sich in diesem Projekt mit mehreren Industriepartnern zusammengeschlossen, um neue funktionale Beschichtungen mittels der Plasmatechnologie für Pharma- und Chemikalienbehälter zu entwickeln. Durch die Verwendung dieser Technologie sollen Energie, Rohstoffe, Arbeits- und Hilfsmittel in der Produktion eingespart werden (Ressourceneffizienz in der Produktion). Durch die Verlängerung der Standzeit der Behältnisse und bessere Entleerbarkeit  ergibt sich eine weitere Ressourceneinsparung sowohl im Bezug auf die Behälterproduktion als auch der rückstandslosen Verwendung des Füllguts selbst. Die Vorteile und Wirkungsweisen der avisierten Schichtsysteme sind im Folgenden kurz aufgeführt.

• Lebensdauer/Standzeit eines Behälters, Konservierung des Füllgutes, Lagerung: 
Durch die Optimierung der Oberflächeneigenschaften der Behälter lassen sich grosse Mengen an Produktionsmaterial und über bessere Konservierung auch empfindliches Füllgut einsparen. Auch können die Lagerungsbedingungen vereinfacht werden wodurch weitere Kosten gespart werden. Der Schutz des Füllgutes vor z.B. Weichmachern spielt besonders im Pharmabereich eine wichtige Rolle.
• Effizienter, ressourcenschonender Umgang mit dem Füllgut, Behälterentleerbarkeit: 
Die Verfahren zur Optimierung der Entleerbarkeit der Füllgüter aus den Behältern bergen ebenfalls ein grosses Einsparpotential, insbesondere, wenn es sich um hochviskose Füllgüter wie zum Beispiel Schmierstoffe, Lacke, hochviskose Körperpflegemittel, Reinigungs- und Waschmittel handelt. Das Zurückbleiben von Füllgütern in den Behältern ist sowohl aus Kostengründen wie auch hinsichtlich des Umweltschutzes und der Entsorgung nicht erwünscht.