Barrieretechnologie zum UpCycling von Polyesterrezyklatfolien für technische Anwendungen
Projektdurchführung
Innovative Oberflächentechnologien GmbH (IOT)
Permoserstr. 15
04318 Leipzig
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens
Gegenstand des Projektes ist die Entwicklung eines Niedertemperatur- und AtmosphärendruckHerstellungsverfahrens von UV-vernetzten Gasbarrierebeschichtungen auf rezykliertem Polyester (rPET) als Substratfolie mit dem Ziel dessen Wasserdampf-Transmission (WVTR) um zwei Größenordnungen auf Werte ≤ 10-1 g m-2 d-1 (38 °C und 90% rel. Feuchte) zu verringern, wobei das Verfahren selbst auf energieintensive Vakuum- oder Trocknungsschritte verzichtet. Durch die Nutzung von Sekundärrohstoffen in Kombination mit einem energieeffizienten Herstellungsverfahren wird eine Verringerung des CO2Abdrucks gegenüber konventionellen Primärkunststoff-Verfahren angestrebt. Das Verfahren soll bezüglich der technischen und wirtschaftlichen Relevanz für verschiedene Anwendungsszenarien bewertet werden, wobei sowohl die Folie selbst als Produkt betrachtet wird, als auch damit hergestellte HochbarriereVerbundfolien.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden
Wesentliche Arbeitsschritte bei der Entwicklung eines Herstellungsverfahrens für migrationsarme UV-
gehärtete Hochglanzbeschichtungen auf Möbel- und Dekorfolien waren:
• die Untersuchung zum Verhalten von rezyklierten PET-Substratfolien in photochemischen Beschichtungsprozessen,
• die Herstellung, Anpassung und Charakterisierung von Schichtsystemen an rPET-Substratfolien im Labormaßstab,
• die Aufskalierung der Schichtherstellung auf den Rolle-zu-Rolle-Maßstab zur Herstellung von Einzelbarriere-Folien sowie deren Charakterisierung bzw. Funktionsnachweis,
• die Untersuchung des Potentials von neuester Excimer-(V)UV-Technologie zur Verbesserung der Prozessführung,
• die Untersuchung und Bewertung von Verkapselungsfolien hinsichtlich anwenderseitiger Anforderungen.
Ergebnisse und Diskussion
Ein wesentlicher technologischer Fortschritt des Projekts ist die Entkopplung der BarriereBeschichtungsqualität von der spezifischen Substratbeschaffenheit. Durch den Einsatz maßgeschneiderter Vorbeschichtungen zur Planarisierung konnte die Abhängigkeit der SiOx-Schichtqualität von der morphologischen Rauheit des rPET-Basismaterials minimiert werden. Dies ermöglicht eine breite Übertragbarkeit der Technologie auf diverse Folienmaterialien und Rezyklatgehalte. Es wurden zwei Ansätze zur (V)UV-initiierten Erzeugung von Barriereschichten erfolgreich realisiert, basierend auf 1) einem organisch-anorganischem Hybridsystem sowie SiOx-Schichtauftrag und 2) organischen Systemen auf Epoxid- oder Acrylatbasis als Vorbeschichtungen, gefolgt von einem SiOx-Schichtauftrag. Dabei stellte Ansatz 1 eine technologische Besonderheit dar, wobei durch die Nutzung der Excimer-Technologie eine simultane Härtung und Oberflächenaktivierung der Hybrid-Vorbeschichtung realisiert werden konnte. Auf rPET-Substratfolien (70 % Rezyklat-Anteil) wurden im R2R-Verfahren Barrierebeschichtungen reproduzierbar aufgetragen und eine hohe Gasbarriereverbesserung nachgewiesen (WVTR-Werte von ≈10-1 g m-2 d-1). Labormuster mit teils deutlich höheren Barrierewerten von ≈10-2 g m-2 d-1 zeigen das weitere
Potential dieser Technologie auf. Die hergestellten Barrierefolien wiesen eine hohe optische Transparenz
>85 % auf. Eine Überführung dieser Folien in Laminate zeigte, dass eine Verbesserung um eine weitere Größenordnung sicher erreicht werden kann. Damit wurde der Funktionsnachweis für hochwertige Anwendungen erbracht.
Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation
Zur rechtlichen Absicherung und industriellen Verwertung wurde die Technologie unter dem Patent EP 4
570 848 A1 veröffentlicht. Die im Projekt genutzten Pilotanlagen bei IOT und IOM stehen für den
Praxistransfer und Demonstrationen gegenüber industriellen Interessenten zur Verfügung. Der nächste Transferschritt zur industriellen Marktreife erfolgt bereits in Kooperation mit einem deutschen Folienveredler, wobei insbesondere die industrielle Kaschierung zu Hochleistungs-Folienverbunden im Fokus steht.
Fazit
Das Projekt demonstriert die erfolgreiche Herstellung von Gasbarrierebeschichtungen auf rezykliertem Polyester (rPET) unter Atmosphärendruck, wobei der angestrebte WVTR-Zielwert sowohl im Labor- als auch im Rolle-zu-Rolle-Maßstab bestätigt wurde. Es gelang, den Prozess vollständig auf die Nutzung von Excimer-Strahlern auszulegen und somit auf quecksilberhaltige Lichtquellen komplett zu verzichten. Durch eine Optimierung der Excimer-Bestrahlungsparameter konnte die Bestrahlungszeit um 25 % gesenkt werden. Ein im Projekt identifiziertes Potenzial bietet die nächste Generation Excimer-Strahler aus halbtechnischer Fabrikation. Durch Steigung des Wirkungsgrads und der damit verbundenen Leistungsaufnahme der Netzteile sind u.a. bei VUV-Excimer-Strahlern Einsparungen bei der elektrischen Anschlussleistung von bis zu 53 % bei gleichzeitig erheblich reduzierten Investitionskosten realisierbar. Ein wesentlicher technologischer Fortschritt gelang durch die Entkopplung der Barriereschichten von den spezifischen Substrateigenschaften, was eine breite Übertragbarkeit auf unterschiedliche Polymermaterialien sowie Sekundärrohstoffe ermöglicht. Das Verfahren selbst bietet durch den Verzicht auf energieintensive Vakuum- und Trocknungsprozesse und die Reduktion von Investitionskosten durch neue Excimer-Technologie eine wirtschaftlich attraktive und ökologisch vorteilhafte Lösung zur signifikanten Verringerung des CO₂-Fußabdrucks in der Folienveredelung. Im nächsten Transferschritt soll gemeinsam mit einem deutschen Folienveredler speziell die industrielle Kaschierung zu HochleistungsFolienverbunden erfolgen, um die Technologie zur Marktreife zu führen.