Verpackungsmaterial auf Zellulosebasis für Lebensmittel geht in die Testphase der industriellen Produktion
VTT testet in Zusammenarbeit mit Arla Foods, Paulig und Wipak Thermocell-Kunststofffolie aus Zellulose und Fettsäuren bei der Herstellung von Lebensmittelverpackungen. Der Thermocell-Kunststoff, der aus nachwachsenden Bestandteilen hergestellt wird, soll wie fossil basierter Kunststoff eingesetzt werden. Dank der Entwicklungsarbeit entsprechen viele Eigenschaften der Folie bereits den Anforderungen der Lebensmittelindustrie, und die Zusammenarbeit ist bis zur Erprobung der industriellen Produktion fortgeschritten.
Fortschritte beim Verpackungsmaterial für Lebensmittel auf Zellulosebasis gehen in die Testphase der industriellen Produktion
VTT
Erneuerbare Herkunft und Recyclingfähigkeit von Verpackungsmaterialien sind sowohl für Verbraucher als auch für Verpacker von zunehmendem Interesse. Für erdölbasierte oder fossil basierte Kunststoffe werden biobasierte Optionen gesucht, die wie herkömmliche Kunststoffe verarbeitet, verwendet und recycelt werden können. Eine sich abzeichnende Lösung ist Zellulose, der Strukturbestandteil von Pflanzen, der genau wie Kunststoffe aus großen Polymermolekülen aufgebaut ist. Wenn Zellulose aus Holz gewonnen wird, konkurriert sie nicht mit der Nahrungsmittelproduktion, wie es bei vielen anderen Biomaterialien der Fall ist. Außerdem haben sich bei der Herstellung von Cellulose bereits effiziente Produktionsverfahren etabliert. Allerdings fehlte der Zellulose als solcher eine wichtige Eigenschaft von Verpackungskunststoffen: die Thermoplastizität.
VTT entwickelte die thermoplastischen Eigenschaften für die Bedürfnisse der Lebensmittelindustrie
Ein von VTT entwickeltes Verfahren ermöglicht die Herstellung von Thermocell-Kunststoff, einer thermoplastischen Substanz, aus Zellulose und biobasierten Fettsäuren, die sich für Anwendungen wie Spritzguss, Beschichtung von Papier und Pappe und 3D-Druck eignen. Der aktuelle Schwerpunkt der Entwicklungsarbeit bei der Herstellung von Folien liegt in der Extrusionstechnik.
"Wir sind vom Labor auf größere Maschinen umgestiegen und haben gleichzeitig die Qualität der Folie verbessert. Unser Ziel ist es, zu zeigen, dass Thermocell-Folie im industriellen Maßstab mit denselben Anlagen hergestellt werden kann, die für herkömmliche Kunststofffolien verwendet werden, und zwar mit Eigenschaften, die den Anforderungen der Lebensmittelindustrie entsprechen. Aus diesem Grund beteiligen sich auch Arla Foods, Paulig und Wipak an der Forschung", sagt Jarmo Ropponen, der Leiter des Forschungsteams am VTT.
"Der Schwerpunkt bei der Entwicklung von Verpackungen liegt in den kommenden Jahren auf der Recyclingfähigkeit. Die Entwicklung von erneuerbaren, biobasierten Materialien unterstützt unsere langfristigen Ziele. Die Entwicklung von Thermocell erfordert noch Arbeit, um sicherzustellen, dass es mit Maschinen verwendet werden kann und dass es unter anderem eine lange Haltbarkeit hat. Wir wollten die Materialentwicklung unterstützen, damit die Anforderungen an unsere Produkte bereits in den frühen Entwicklungsphasen berücksichtigt werden", sagt Kati Randell von Paulig.
Eine dünne, haltbare, schützende und sichere Folie ist gefragt
Bei Lebensmittelverpackungen werden Folien bevorzugt, die so dünn und haltbar wie möglich sind, aber dennoch die Lebensmittel sicher schützen. Thermocell hat bereits gezeigt, dass es einen guten Schutz gegen Wasserdampf bietet und keine seiner Komponenten in das Lebensmittel migriert. Thermocell-Folien können auch mit den Standardgeräten der Hersteller verschweißt werden.
Ein bedeutender Erfolg bei der Entwicklung von Thermocell ist die geringere Dicke der Folie. Mit Fortschritten bei den Produktionsmaschinen ist die Folie gleichmäßiger geworden, und ihre Dicke liegt bereits bei 100 Mikrometern. Wenn das Material mit dünnen Kunststofffolien konkurrieren soll, muss die Dicke weiter reduziert werden. Ziel ist es auch, die Folie zu orientieren und damit ihre Festigkeit und ihre Schutzeigenschaften zu verbessern.
Durch das Feedback von Partnerfirmen konnten wir auch andere Eigenschaften erkennen, die auf dem Markt wichtig sind. Ein Beispiel dafür sind die Reibungseigenschaften der Folie, so dass sie leichter auf industriellen Verpackungslinien eingesetzt werden könnte", sagt Ropponen.
Die Recycelbarkeit von Thermocell hat sich als nahezu gleichwertig mit der der gängigsten Thermoplaste erwiesen. Es kann mindestens fünfmal eingeschmolzen und wieder extrudiert werden, ohne dass sich seine Eigenschaften wesentlich verschlechtern. Für das Recycling ist es nach wie vor erforderlich, dass es separat sortiert wird.
Thermoplastischer biobasierter Kunststoff ohne Additive
Die ersten zellulosebasierten Kunststoffe wurden bereits entwickelt, bevor überhaupt jemand daran dachte, Erdöl als Rohstoff zu verwenden. Aus dieser Zeit stammen die Celluloseacetate, die auch heute noch in großem Umfang eingesetzt werden, deren thermoplastische Eigenschaften jedoch große Mengen an Additiven erfordern. Thermocell, das aus Cellulose und Fettsäuren hergestellt wird, zeigt thermoplastisches Verhalten ganz ohne Zusatzstoffe.
Bei der von VTT entwickelten Methode werden Cellulose-Polymere vor der Zugabe von Fettsäuren in kürzere Ketten aufgespalten, was die Reaktivität der Cellulose verbessert und das resultierende Material thermoplastischer macht. Gleichzeitig bietet es einen besseren Schutz gegen Wasser und lässt sich leichter heiß versiegeln.
"In unseren jüngsten Testläufen haben wir kleine Mengen traditioneller Kunststoffadditive verwendet, weil sie die Herstellung der Folie erleichtern und ihre Eigenschaften verbessern", sagt Ropponen.
Sobald die Forschungsgruppe die Feinabstimmung der traditionellen Kunststofffolienanwendungen auf die Bedürfnisse der Verpacker abgeschlossen hat, kann der Schwerpunkt der Entwicklungsarbeit auf praktische Recyclingkonzepte verlagert werden. Ziel ist es, die Folie an Sammel- und Recyclingsysteme anzupassen, die auf den wichtigsten Märkten der Welt eingesetzt werden.
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