Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe Ein Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

Projektverzeichnis - Details

Funktionale Stärkeprodukte für die biobasierte Beschichtung von Verpackungen aus Papier und Karton (STAERKECOATING)

Anschrift
Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP)
14476 Potsdam
Geiselbergstr. 69
Kontakt
Dr. rer. nat. Jens Buller
Tel: +49 331 568-1478
E-Mail: jens.buller@iap.fraunhofer.de
FKZ
22020215
Anfang
01.07.2016
Ende
30.06.2019
Aufgabenbeschreibung
Ziel des Projekts war die Entwicklung von neuen filmbildenden Stärkedispersionen zur Anwendung als Beschichtungsmaterial für Verpackungen aus Papier bzw. Karton. Dazu sollten verschiedene neue wasser- unlösliche und amphiphile Stärkederivate synthetisiert werden, die zu wasserbasierten Dispersionen mit hohem Feststoffgehalt weiterverarbeitet werden konnten. Die Stärkederivate sollten dabei mit bestehenden Beschichtungstechnologien verarbeitet werden können. In einem weiteren Ansatz sollten auch hydrophile, marktnahe Produkte für die Barriereschicht getestet werden und durch eine geeignete Additivierung in ihren Eigenschaften an die Anforderungen von Barriereschichten in Papier und Karton angepasst werden. Die gewünschten Barriereeigenschaften, beispielsweise gegen Sauerstoff oder Öle und Fett, sollten über eine auf die jeweiligen Anforderungen maßgeschneiderte Funktionalisierung eingestellt werden. Unter Variation der Modifizierung wurden verschiedene Produkte hergestellt. Da der Einfluss der molekularen Struktur der Stärkederivate auf die Barrierewirkung noch nicht bekannt war, wurden unter Berücksichtigung der Verarbeitbarkeit und des Filmbildungsvermögens in einem Schwerpunkt des Forschungsvorhabens die Zusammenhänge erarbeitet. Für eine Verbesserung der mechanischen und der Barriereeigenschaften der Beschichtung sollte zudem eine passende Additivierung der Dispersionen geprüft werden. Im Verlauf des Projektes sollten außerdem die Verarbeitbarkeit der neuen stärkebasierenden dispersen Beschichtungsformulierungen im technischen Maßstab untersucht und die papiertechnischen Kennziffern zur Stabilität der Beschichtungen ermittelt werden.
Ergebnisdarstellung
Es wurden Stärkeester auf Basis von Maisstärke hergestellt und für die Beschichtung von Karton getestet. Moderat substituierte Stärkeester mit kurzkettigen Fettsäuren (C3-6) ließen sich je nach Substituent und Molmasse des Stärkederivats bis zu einem DS von 0,4 zu technisch gut applizierbaren Dispersionen verarbeiten und auf Karton auftragen. Die Beschichtungen waren allerdings auch mit Zusatz von Weichmacher brüchig und wiesen keine ausreichende Barrierewirkung gegenüber Öl auf. Hochsubstituierte wasserunlösliche Stärkeester ließen sich durch ein im Projekt entwickeltes Verfahren zu konzentrierten niedrigviskosen wässrigen Dispersionen verarbeiten und auf Karton auftragen. Die Beschichtungen aus den Stärkeestern waren ohne weitere Additivierung undurchlässig gegenüber Wasser, die Stärkederivate verloren durch die Hydrophobierung allerdings ihre Barrierewirkung gegenüber Fett und Sauerstoff. Die Verarbeitung der Dispersionen und der Auftrag konnte im Technikumsmaßstab durchgeführt werden. Verschiedene gut wasserlösliche HP-Stärken wurden mit variabler Molmasse, Substitutionsgrad und Stärkeart hergestellt und neben verschiedenen marktgängigen HP-Stärken bezüglich ihrer Auftrags- und Beschichtungseigenschaften unter Zusatz von Weichmacher analysiert. Für verschiedene Derivate wurde jeweils ein Optimum an Weichmachergehalt sowie in der Molmasse und Derivatisierungsgrad ermittelt. Derivate auf Basis von Markerbsenstärke und hochsubstituierte Maisstärkeether wiesen eine gute Barriere gegenüber Öl und Sauerstoff auf. Unter Zugabe von synthetischen Polymeren wurde die Barriereeigenschaften erhalten und die Blockwirkung deutlich reduziert. Die Verarbeitung einer ausgewählten Formulierung gelang auch im Technikumsmaßstab an der PTS. Eine Erhaltung der Barriereeigenschaften bei Falzung konnte nicht erreicht werden, dennoch zeigen die Untersuchungen das Potential von Stärke im Barrierestrich sowie wesentliche für die Barriere relevante Strukturmerkmale der Stärkederivate.

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