Fachartikel Papiertechnik

Alternative zur Folienbeschichtung

Die Dow Chemical Company (DOW) entwickelte eine Beschichtung für Karton, welche die Anforderungen an Getränkebecher für Heißgetränke erfüllt und deutlich besser rezykliert werden kann als Karton mit Folienbeschichtung. Die Beschichtung ist mit den üblichen Auftragssystemen möglich.

Getränkebecher sind ein global stark wachsendes Marktsegment. Als Einwegprodukt tragen sie zu unserem Komfort bei, stehen aber im Fokus hinsichtlich der Nachhaltigkeit des Materials und ihres Entsorgungswegs. Die Verwendung von Karton aus nachwachsenden Faserrohstoffen in Verbindung mit gut recyclingfähigen Barrierebeschichtungen führt zu einer erheblich verbesserten ökologischen Bilanz der Getränkebecher im Vergleich zu Kunststoff- oder Kunststoffverbundsystemen.

Die Zielsetzung dieser Arbeiten war eine Beschichtung für Karton, welche die Anforderungen an Getränkebecher für Heißgetränke erfüllt und deutlich besser rezykliert werden kann, als dies für Karton mit Folienbeschichtung gegeben ist. Darüber hinaus soll die Beschichtung mit in der Papierherstellung üblichen (online) Auftragssystemen erfolgen können und separate Arbeitsschritte wie Folien-Extrusion und Laminierung erübrigen.

Marktanforderungen an Getränkebecher

Aus ökologischen Gründen werden Einweg-Getränkebecher aus Kunststoffen immer mehr durch Becher aus Karton ersetzt. Karton aus natürlichen Fasern wird allerdings von den meisten Flüssigkeiten durchdrungen, weshalb als Stand der Technik die Innenseite mit einer Polyethylenfolie kaschiert wird, welche zudem die Siegelung des Kartonstücks zum fertigen Becher ermöglicht. In üblichen Altpapier-Aufbereitungsanlagen gilt der Einsatz solcher Karton-Folienlaminate als schwierig.

Die Verwendung von Polymerdispersionen, zum Beispiel im Kartonstrich, ist üblich und steht der Wiederverwendung des Kartons nicht im Wege. Der Ersatz der Kunststofffolie durch eine Kunststoffdispersion wäre also naheliegend, wenn damit die wesentlichen Anforderungen an den Getränkebecher erfüllt werden können:

  • Dünnere Barriereschichten
  • Kein Eindringen von (Lebensmittel-) Flüssigkeiten in den Karton
  • Lebensmittelrechtliche Zulassungen
  • Heißsiegelfähigkeit, aber keine Blockneigung
  • Auf üblichen Auftragswerken verarbeitbar
  • Kosten nicht (deutlich) über den bekannten Technologien
  • Gute Rezyklierbarkeit in etablierten Entsorgungspfaden

Aktuell ist eine verstärkte Nachfrage nach nachhaltigeren Getränkebechern auch von großen Markeneignern zu spüren. Eine sensiblere Wahrnehmung in der Öffentlichkeit und möglicherweise auch regulatorische Maßnahmen werden diese Nachfrage weiter beleben. Die konkreten Anforderungen an die Beständigkeit variieren je nach Einsatzbereich, wobei grundsätzlich ein Barriereschutz für die üblichen Heiß- oder Kaltgetränke wichtig ist (z.B. Wasser, Kaffee, saure Fruchtsäfte, Alkohol), wie in Abbildung 1 verdeutlicht.

Wässrige Polyolefin-Dispersionen

Die Polyethylenfolie hat sich in der Lebensmittelverpackung und im Verbund mit Karton bewährt, insofern sie die sensorischen Eigenschaften und die
Sicherheit des Lebensmittels gewährleistet.

Es ist daher naheliegend, zunächst Polyolefine (Polyethylen, Polypropylen) als Dispersionen in der Papierbeschichtung zu prüfen. Aufgrund deren hydrophober Oberfläche ist die Herstellung einer stabilen Dispersion nicht trivial. Dow hat hierzu ein besonderes Verfahren entwickelt, das unter der Bezeichnung BLUEWAVE geschützt ist. Abbildung 2 zeigt ein Schema der Dispersionsherstellung nach diesem Verfahren.

Polyolefin-Dispersionen sind einzigartig, da sie die Eigenschaften von hochmolekularen thermoplastischen Polymeren mit den Applikationsvorteilen von niedrigviskosen wässrigen Dispersionen mit hohem Feststoffgehalt verbinden. Polyolefinfilme mit entsprechendem Molekulargewicht und entsprechender Kristallinität bieten einen guten Schutz gegen Flüssigkeiten und Chemikalieneinflüsse während sie ihre thermoplastischen Eigenschaften (z.B. Heißsiegelfähigkeit) und Flexibilität bei niedrigen Temperaturen beibehalten.

Im Prinzip können nahezu beliebige schmelzbare Polymere mit diesem Verfahren dispergiert werden. Es eröffnet auch die Möglichkeit verschiedene maßgeschneiderte Polymere als Mischung in eine Dispersion zu überführen. Da hochmolekulare Polymere eingesetzt werden, sind die Dispersionen praktisch Monomer- und Oligomer-frei. Als bedenklich angesehene Substanzen wie Halogenkohlenwasserstoffe, Bisphenol-A oder Formaldehyd kommen nicht vor.

Abbildung 3 veranschaulicht mit einer SEM-Aufnahme, wie die Polymerpartikel nach dem Aufschmelzen einen einheitlichen Film bilden, der die Fasern
an der Papieroberfläche komplett umschließt und eine gute mechanische Verbindung herstellt.

Entwicklung von Polyolefin-Dispersionen für Getränkebecher

Nachdem Polyolefin Dispersionen für den Bereich Kaltgetränke (cold cupstock) verfügbar sind, ist mit RHOBAR 320 Polyolefin-Dispersion nun ein Produkt für Heißgetränke entwickelt worden.

In den nachfolgenden Abbildungen wurden alle Beispiele auf Frischfaserkarton (SBS-cupstock) von 200 g/m² beschichtet. Die Aufträge erfolgten mit einem Elcometer 4340 mit drahtumwickelten Auftragsstäben. Alle Proben wurden zwei Minuten bei 80 °C getrocknet (Fisher Scientific Isotemp). Wo nicht anders vermerkt, lag das Auftragsgewicht stets bei 8–10 g/m².

In Abbildung 4 sehen wir einen Vergleich der Wasseraufnahme verschiedener Proben. Von links nach rechts sind dies: ein marktüblicher PE-laminierter Karton, ein Muster mit RHOBARR 320, ein Muster mit einer Standard-Polyolefin-Dispersion und einer Acrylat-Dispersion von Dow, die speziell zur Erzielung von Öl- und Fettdichte entwickelt wurde (RHOBARR 130).

Bei allen Versuchsflüssigkeiten und Temperaturen zeigte RHOBARR 320 ein ähnliches Verhalten wie ein marktüblicher PE-laminierter Karton.

RHOBARR 320 ergibt bei 10 g/m² ähnliche Anwendungseigenschaften wie laminierter Karton, bei dem in der Regel eine Folie von 18–20 g/m² aufgebracht wird.

Das Produkt ist in diesen Eigenschaften marktbekannten Polyolefin-Dispersionen oder Barrierebeschichtungen auf Acrylatbasis deutlich überlegen.

Eine wichtige Verarbeitungseigenschaft bei Getränkekarton ist die Heißsiegelfähigkeit. Der Versuchsaufbau hierzu ist in Abbildung 5 gezeigt. Die Muster für diese Versuche wurden mit Handrakel auf 250 g/m² Frischfaserkarton hergestellt und zwei Minuten bei 110 °C getrocknet.

Temperatur, Druck und Kontaktzeit wurden variiert, um die minimalen Siegelbedingungen zu ermitteln, bei denen noch ein Faserausriss erfolgt (Kontaktfläche 2 cm²). Dies ist am Beispiel von 14 psi Klemmenandruck in der Abbildung 6 aufgezeigt:

Im Ergebnis lässt sich festhalten, dass RHOBARR 320 im Vergleich zu PE-Laminaten bei niedrigeren Temperaturen (oder kürzeren Kontaktzeiten) siegelt.

Können RHOBARR 320-Striche mit einem Vorstrich kombiniert werden, um die Auftragsmenge der Dispersion zu reduzieren und damit Kosten einzusparen? Hierzu wurden 6 Auftragssysteme verglichen, die in Abbildung 7 grafisch erläutert werden.

Zunächst wurde die Wasseraufnahme der verschiedenen Beschichtungen bestimmt. In Abbildung 8 sind die Ergebnisse zusammengefasst. Man sieht, dass die Systeme A/B und auch A/C mit PE und A mithalten können und auf diesem Wege Kosteneinsparungen möglich sind. Die beiden Vorstriche B und C verhelfen durch eine bessere Glätte und niedrigere Porosität dem Deckstrich A zu gleicher Wirkung auch bei niedrigerem Auftragsgewicht (aufgrund eines geschlosseneren Films).

Die Geschlossenheit des Films wurde auch durch den KIT-Test geprüft. In allen Fällen wurden hohe KIT-Werte bei flachen Proben erzielt. Im Falzversuch fallen die Muster mit pigmentiertem Vorstrich jedoch ab, was bei der Verformung der Getränkebecher von Bedeutung ist (siehe Abbildung 9).

RHOBARR 320 Markteinführung

Mittlerweile wird RHOBARR 320 kommerziell erfolgreich für Getränkebecher eingesetzt. Pilot- und Großversuch mit großem Erfolgspotential laufen derzeit weltweit für zahlreiche zusätzliche Anwendungen im flexiblen Verpackungsbereich. Darunter sind Einfachaufträge wie auch Multilayer-Anwendungen, zum Teil in Formulierungen.

Die Auftragsmengen liegen zwischen 5 und 10 g/m². Bei Aufträgen des reinen Produktes empfiehlt es sich, die Viskosität mit Acrylatverdicker vom HASE-Typ einzustellen.

Recyclingversuche gemäß PTS-RH 021/97– Cat. II haben gezeigt, dass 99% der Papierfasern zurückgewonnen werden konnten und in Handsheets ohne Verklebungseffekte überführt werden konnten.

Zusammenfassung

Das Ziel einer Alternative zur PE-Laminierung bei Getränkebechern (cupstock) für Heiß- und Kaltgetränke wurde mit einer wasserbasierten Polyolefin-Dispersion erreicht.

Die Beschichtung entspricht den weltweit wichtigen lebensmittelrechtlichen Richtlinien. RHOBARR 320 kann mit den handelsüblichen Beschichtungsaggregaten (z.B. Messer, Rakel, Fallfilm, Filmpresse) appliziert werden und auch die Trocknung erfolgt mit den existierenden Trocknungseinheiten (z.B. IR, Heissluft). Die hier vorgestellten Laborergebnisse wurden in Betriebsversuchen bestätigt und inzwischen wird RHOBARR 320 kommerziell erfolgreich eingesetzt. Die Verwendung dieser wässrigen Polyolefin-Dispersion erfüllt die Anforderungseigenschaften genauso gut wie die bisher eingesetzte PE-Laminierung mit dem Vorteil, dass die Auftragsgewichte halbiert werden können. Das resultiert in reduziertem Materialeinsatz und verbessert nachweislich die Recyclierbarkeit des beschichteten Kartons.

Für Fragen und weitere Informationen stehen Frau C. Meinl

carola.meinl@dow.com

sowie Herr B. Kainz bkainz@dow.com

gerne zur Verfügung.