Forschende des Fraunhofer IPM entwickelten eine Lösung, mit der sich Dicke und Elementzusammensetzung der Barriereschicht während der Herstellung vollständig prüfen und der Beschichtungsprozess regeln lassen.

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Optische Messsysteme für Qualitätskontrolle Recyclingfähige Lebensmittelverpackungen

10.10.2022

EU-weit werden jährlich mehr als 300 Milliarden Verpackungen nicht recycelt, weil sie aus einem Mix verschiedener Materialien bestehen. Verpackungen aus Monomaterialien sind dagegen gut recyclebar. Sie müssen aber mit ultradünnen Barriereschichten versehen werden, um empfindliche Produkte ebenso gut zu schützen wie Verbundmaterialien.

Im Forschungsprojekt Re-Use entwickelt Fraunhofer IPM ein optisches Messsystem, mit dem sich die Qualität dieser Barriereschichten in der Produktionslinie prüfen lässt. Verpackungen für empfindliche Alltagsprodukte bestehen heute in der Regel aus Kunststoff-Verbundsystemen – einem Materialmix aus unterschiedlichen Polymeren.

Die Verpackungen sorgen dafür, dass empfindliche Produkte wie Lebensmittel oder Pharmazeutika auf dem Weg von der Herstellung zum Konsumenten vor äußeren Einflüssen wie zum Beispiel Sauerstoff-Diffusion geschützt werden. Polymer-Verbundmaterialien erfüllen diese Funktionen zwar, können jedoch nicht wirtschaftlich recycelt werden.

Mit Blick auf die gewaltige Menge an Verpackungsmaterial haben die Gesetzgeber auf Bundes- und EU-Ebene die Anforderungen an die Recyclingfähigkeit von Verpackungen zuletzt deutlich verschärft. Im Forschungsprojekt Re-Use arbeiten vier Fraunhofer-Institute gemeinsam an neuen Verpackungskonzepten, die ohne Materialverbund­systeme funktionieren und damit eine deutliche höhere Recyclingquote erreichen.

Ultradünne Barriereschicht auf Monomaterial

In vielen Fällen lässt sich die Barrierefunktion von Polymerschichten auch durch ultradünne Beschichtungen, zum Beispiel aus Aluminium- oder Siliziumoxid, erzielen. Die Projektpartner entwickeln ein Verfahren, mit denen es möglich werden soll, solche Schichten mit zuverlässiger Barrierewirkung in einer Dicke von nur 10 nm aufzutragen. Die Menge des Fremdmaterials auf dem eigentlichen Verpackungsmaterial ist dabei so gering, dass ein sortenreines Recycling problemlos möglich ist.

Infrarot-Reflektometrie gibt Aufschluss über Schichtdicke und Schichtzusammensetzung

Voraussetzung für die Herstellung solcher „Superbarrieren“ im großen Maßstab ist eine zuverlässige Qualitätskontrolle. Eines der Ziele des auf drei Jahre angelegten Forschungsprojekts ist daher ein inlinefähiges Messsystem, das eine Regelung des Beschichtungsprozesses und damit eine durchgehende Qualitätskontrolle ermöglicht.

Fraunhofer IPM entwickelt eine Lösung, mit der sich Dicke und Elementzusammensetzung der Barriereschicht während der Herstellung vollständig prüfen und der Beschichtungsprozess regeln lassen. Dazu nutzen die Forschenden die charakteristischen spektralen Eigenschaften der Beschichtungen im Infrarotbereich. Infrarot-Strahlung eines Quantenkaskadenlasers „sieht“ unter streifendem Einfall die Barriereschicht, das heißt sowohl die spektrale Signatur der Schicht als auch des Substrats sind erkennbar. Aus diesen spektralen Merkmalen lassen sich Rückschlüsse über die Dicke und chemische Zusammensetzung der Schicht ziehen.

In einem weiteren vom Land Baden-Württemberg geförderten Projekt arbeitet das Forschungsteam gemeinsam mit der Firma Plasma Electronic an der Produktionstauglichkeit des infrarot-optischen Verfahrens. Hierzu wird ein Array von äußerst kompakten Einzelsensoren in einen industriellen Plasma-Beschichtungsprozess für Becher integriert, um eine 100-Prozent-Qualitätskontrolle zu ermöglichen.

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