Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Wachs-Polymer-Beschichtungen zur regenerativen Superhydrophobierung von Papiererzeugnissen

Forschungsthema

Wachs-Polymer-Beschichtungen zur regenerativen Superhydrophobierung von Papiererzeugnissen

Forschungsziel

Ziel des Projektes ist die Erzeugung superhydrophober Papiere für Verpackungs- und Konstruktionszwecke, die den Anforderungen der Papierproduzenten und -nutzer gerecht werden und sowohl stoffliche Unbedenklichkeit, funktionale Regenerationsfähigkeit, einfache Applikationstechnologie, Bioabbaubarkeit und Rezyklierbarkeit vereinen.

Lösungsweg

Der Lösungsweg beinhaltet die Synthese und Formulierung eines sich aus Schmelze selbst strukturierenden, nachhaltigen Beschichtungsmaterials (bestehend aus kristallinem Wachs und Polysaccharidderivat), die Auftragsoptimierung auf Papiersubstraten sowie die Prozessintegration bei der papierbasierten Halbzeugfertigung. Ergänzend dazu erfolgt die Überprüfung der Prozesskompatibilität und Rezyklierbarkeit der beschichteten Papiere bzw. der finalen Konstruktionsmaterialien.

Angestrebte Ergebnisse

Zu den angestrebten Ergebnissen zählt eine ökologisch unbedenkliche und prozesskompatible wässrige Dispersion der Beschichtungskomponenten. Diese soll dazu geeignet sein, Papier/Karton-basierte Werkstoffe mit extrem wasserabweisenden Eigenschaften zu versehen, die auch nach komplexen Be- und Verarbeitungsprozessen noch zur Verfügung stehen bzw. jederzeit temperaturinduziert regeneriert werden können.

Nutzen für KMU

Kleine und mittelständige Papierveredler, Verpacker und Hersteller von Spezialpapieren profitieren von diesem Beschichtungskonzept aufgrund seiner direkten und universellen Umsetzbarkeit. Ohne Investitionskosten lässt sich die Fertigung von superhydrophoben Papiererzeugnissen erstmals auf nachhaltige effiziente Weise realisieren. Da der Schutz vor Feuchtigkeit für vielfältige gegenwärtige und auch zukünftige Nutzungsszenarien von Papier ein zwingendes Erfordernis darstellt, bedeutet dies eine gesteigerte Wettbewerbsfähigkeit und die Option zur Erschließung neuer Märkte.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens sollten wissenschaftliche und technische Grundlagen für die Fertigung neuartiger, regenerativ-superhydrophober Papiermaterialien erarbeitet werden.

Hierfür wurde eine wässrige Wachs-Polymer-Dispersion formuliert, welche sich zur Beschichtung von Papier eignet und nachträglich durch einen temperaturinduzierten Kristallisationsvorgang eine superhydrophobe Oberfläche erzeugt. Verschiedene Wachs-Polymer-Kombinationen wurden erprobt, wobei sich eine 95:5-Mischung aus Ethylenglykoldistearat (EGDS) und einem Cellulose-Stearinsäure-Ester (CSE) als am besten geeignet erwies.

Die Applikation der EGDS-CSE-Dispersionen wurde mit verschiedenen Auftragsverfahren (Rakelauftrag, Rollenauftrag, Sprühauftrag) erprobt. Hierbei zeigte sich, dass die Substratauswahl sowohl den Beschichtungsprozess (saugfähige Substrate in Kombination mit dem vergleichsweise geringen Wasserrückhaltevermögen der Dispersion erwiesen sich als unvorteilhaft im Rollenauftrag) als auch die Eigenschaften der Beschichtung beeinflusst. So zeigte sich ein Zusammenhang zwischen Rauheit des Substrats und dem zur Erreichung einer superhydrophoben Oberfläche notwendigen Auftragsgewicht. Durch die Beschichtung verschiedener Papiere konnten diese erfolgreich superhydrophobiert werden, mehrmaliges Erhitzen sowie die Verarbeitung im Wellenbildner wirkten sich dabei nicht negativ auf die Superhydrophobie aus. Die beschichteten Papiere zeigen keine verbesserte Barriere gegenüber Wasserdampf und kein verändertes Sorptionsverhalten im Vergleich zu den Rohpapieren, wodurch sie insbesondere für eine Anwendung in Pappmöbeln und als Konstruktionsmaterialien vielversprechend erscheinen. Zudem erwiesen sich die beschichteten Papiere als rezyklierbar und konnten mit handelsüblichen Klebstoffen weiterverarbeitet werden. Die Beschichtung von Druckerzeugnissen war grundsätzlich auch möglich, wobei jedoch die mit der Kristallisation einhergehende Opazität der Beschichtung als optischer Makel erschien.