Разработка бумаги с плазменным покрытием как альтернативы пластику для упаковочной промышленности

В последние годы в Германии постоянно увеличивается количество пластиковых отходов, вредных для окружающей среды. Упаковка образует особенно большие объемы отходов. Растительные покрытия для бумажной упаковки могут стать устойчивой альтернативой в будущем.

В проекте BioPlas4Paper исследователи из Института поверхностной инженерии и тонких пленок Фраунгофера IST и партнеры проекта использовали процесс нанесения покрытия, известный как плазменная полимеризация, для создания водоотталкивающих и барьерных покрытий на растительной основе на бумаге, тем самым улучшая устойчивость бумаги к воздействие погоды.

Пластиковая упаковка продолжает оставаться серьезной проблемой для окружающей среды. С другой стороны, бумага изготавливается из возобновляемого сырья. Его преимущество перед пластиком на основе нефти в том, что он разлагается и не остается в земле в течение многих лет.

Однако бумага без покрытия не обеспечивает барьера для влаги и кислорода. Обычная бумага чувствительна к температуре, сильно реагирует на влагу и бактерии, отличается неровной поверхностью.

Чтобы в полной мере использовать потенциал материала, улучшить возможности переработки, заменить пластиковую упаковку и освоить новые области применения, нам необходимо улучшить срок службы, долговечность и качество бумажной продукции.

Этой задаче исследователи из Fraunhofer IST посвящают себя в проекте BioPlas4Paper, тесно сотрудничая с Техническим университетом Дармштадта и Институтом исследований древесины Тюнена.

Для создания гомогенных влагоотталкивающих покрытий на бумаге партнеры проекта делают акцент на растительных веществах, таких как орегано и масло чиа, а также на экстрактивном материале, полученном из коры. Помимо других свойств, эти растительные вещества проявляют антибактериальное действие.

Плазменные полимеры биологического происхождения сшиваются с поверхностью бумаги.

«До сих пор мы использовали неиспользованные растительные вещества с высокой долей ненасыщенных жирных кислот, чтобы сделать бумагу гидрофобной, то есть водоотталкивающей. Для этого мы используем плазменную технологию атмосферного давления, при которой газ возбуждается высоким напряжением под воздействием окружающей среды. давление для создания плазмы, то есть смеси частиц ионов, свободных электронов и, в большинстве случаев, нейтральных атомов или молекул. Этот процесс вызывает разряд между электродами», — говорит Мартин Беллманн, исследователь Фраунгофера IST в Брауншвейге.

Добавление азота превращает растительные вещества в аэрозоль и вводит их в плазму в виде испаренных органических предшественников с образованием полимерных сеток.

Эксперты называют этот процесс, в котором прекурсоры активируются плазмой, плазменной полимеризацией. Частицы микрометрового размера соединяются вместе, образуя плазменные полимеры. Крошечные капли также сшиваются с бумагой и равномерно распределяются по необработанной бумажной основе, проникая глубоко в поры и волокна поверхности.

«Плазма необходима для того, чтобы сделать молекулы растений реактивными и дать им возможность сшиваться в полимеры», — объясняет Беллманн.

Инновационная концепция источника плазмы

Плазма создается с помощью источника плазмы путем ионизации газа между двумя вращательно-симметричными электродами, к которым подается высокое напряжение. Новым является геометрическое расположение электродов и способ введения аэрозоля и зажигания плазмы.

Сочетание этих мер создает инновационную концепцию, которую исследователи разработали специально для проекта, позволяющую — при атмосферном давлении — минимизировать воздействие окружающего воздуха даже при более высоких скоростях нанесения покрытия, сохраняя при этом стабильные и воспроизводимые результаты.

«При высоких скоростях обработки шероховатость поверхности бумаги вызывает турбулентность окружающего воздуха, изменяя свойства плазмы. С помощью нашей концепции мы можем избежать этих вредных эффектов», — говорит Беллманн.

Источник плазмы размещается близко к поверхности бумаги, в результате полностью вытесняя окружающий воздух. Исследователи работают с температурой плазмы около 70 градусов по Цельсию, чтобы не повлиять на саму бумагу, молекулы-прекурсоры биологического происхождения или свойства производимых плазменных полимеров.

Водоотталкивающие покрытия на основе оливкового масла.

Многочисленные тесты с использованием широкого спектра растительных масел и экстрактов позволили исследователям продемонстрировать, что материалы биологического происхождения можно воспроизводимо и гомогенно разделять или наносить на осаждение с помощью плазмы.

Отличные гидрофобные покрытия можно получить, например, с помощью оливкового масла и масла чиа. В зависимости от используемых прекурсоров и параметров покрытия исследователи могут влиять на покрытия и оптимизировать их. Цель состоит в том, чтобы подготовить бумагу для все более сложных случаев использования и, в будущем, даже заменить пластиковые материалы.

«Одним из примеров являются коробки для перевозки грузов, которые благодаря нашим гидрофобным покрытиям могут выдерживать даже продолжительные периоды дождя, не становясь мягкими. Наша цель — снизить зависимость от ископаемых ресурсов и поддержать переход к ресурсоэффективной экономике», — говорит Беллманн.