Verpackungen optimieren 16.01.2015, 06:55 Uhr

Barriereschicht lässt Lebensmittel haltbarer werden

Kunststoff hat generell eine schlechte Gasbarriere. Deshalb verliert Wasser in PET-Flaschen auch die Kohlensäure. Forscher aus Bochum haben jetzt eine Barriereschicht entwickelt, die das wirksam verhindern kann. Kein Wunder: Die Schicht ist aus Glas.

 

PET-Flasche im Plasma: Für verschiedene Plasmadiagnostiken schnitt das Team ein Loch in das Drahtgitter.

PET-Flasche im Plasma: Für verschiedene Plasmadiagnostiken schnitt das Team ein Loch in das Drahtgitter.

Foto: Gorczany/RUBIN

Das kommt wohl häufiger vor: Durstig nimmt man unterwegs einen Schluck aus der leichten PET-Wasserflasche und er schmeckt schal. „Manchmal hört man Leute sagen ‚Das schmeckt nach Plastik‘ und das ist auch so“, sagt Prof. Dr. Peter Awakowicz vom Lehrstuhl Allgemeine Elektrotechnik und Plasmatechnik der Ruhr-Universität (RUB) in Bochum und betont: „Es gibt keinen Kunststoff, aus dem nicht irgendwelche Inhaltsstoffe entweichen. Mit unserer Beschichtung können wir die Menge dieser Substanzen auf ein Prozent der Menge reduzieren, die normalerweise austritt.“

Hauchdünne Schicht aus Glas 

Die Bochumer Forscher erzeugen ihre spezielle Beschichtung mithilfe eines Plasma-Verfahrens. Dabei wird die Substanz Hexamethyldisiloxan verdampft, mit Sauerstoff vermischt und dann im Plasma zerlegt. Während des Prozesses scheidet sich Siliziumdioxid auf den Wänden des Kunststoffes ab. Diese Barriereschicht aus Siliziumdioxid ist nur 50 Nanometer dünn. Dicker darf sie auch nicht sein, sie würde sonst reißen. Die Siliziumdioxid-Schicht ist nichts anderes als eine hauchdünne Schicht aus Glas.

Basis der Schicht ist ein sauerstoffreicher Schutzfilm

Experimente an der RUB zeigten, dass diese Glasschicht nicht direkt auf den Kunststoff aufgebracht werden kann, weil der sauerstoffhaltige Plasmaprozess die Kunststoffoberfläche angreift. „Auf diese zerstörte Schicht kann man eine noch so tolle Barriereschicht auftragen, sie wird niemals halten“, sagt Peter Awakowicz. Die Lösung dieses Dilemmas ist ein spezieller sauerstoffreicher Schutzfilm. Auf diesen scheiden die Forscher dann die sauerstoffhaltige Barriereschicht ab. 

Ein Argon-Plasma in einer PET-Flasche – hier ist nur der Flaschenboden sichtbar. Das Plasma „reinigt“ und aktiviert die Flaschenoberfläche von innen.

Ein Argon-Plasma in einer PET-Flasche – hier ist nur der Flaschenboden sichtbar. Das Plasma „reinigt“ und aktiviert die Flaschenoberfläche von innen.

Quelle: Gorczany/RUBIN

„Früher haben wir geglaubt, dass wir mit der Schutzschicht einen Klebstoff auf den Kunststoff auftragen, einen Haftvermittler. Die ganze Welt hat das geglaubt“, erzählt Awakowicz. „Aber das stimmt nicht!“ Denn die aufgebrachte Barriereschicht wandelt die darunterliegende Schutzschicht um. Durch Oxidation erhält diese ähnliche Eigenschaften wie die Barriereschicht. Der Kunststoff wird so noch dichter.

„Unendlich viele Kombinationsmöglichkeiten für die Plasmaparameter“

Die Entwicklung einer zuverlässigen und stabilen Barriereschicht ist ein zeitaufwändiger Prozess. Je nach Gegenstand kann das auch schon mal ein Jahr dauern. „Es gibt unendlich viele Kombinationsmöglichkeiten für die Plasmaparameter. Aber je mehr Erfahrung wir gewinnen, umso schneller geht es natürlich“, sagt Peter Awakowicz.

Ein Mitarbeiter setzt eine Probe zur Untersuchung ins Rasterelektronenmikroskop ein.

Ein Mitarbeiter setzt eine Probe zur Untersuchung ins Rasterelektronenmikroskop ein.

Quelle: Gorczany/RUBIN

Es ist die Kombination aus Plasmadichte, Sauerstoffgehalt und Intensität des Ionenbeschusses, die über die Qualität der Barriereschicht entscheidet. Denn all diese Plasmaparameter wirken sich darauf aus, wie dicht oder hart und dehnbar die aufgebrachte Barriereschicht am Ende ist.

In etwa zwei Jahren industrietauglich

Auch die Form des Gegenstandes spielt eine Rolle. Und unterschiedliche Kunststoffe wie PET, Polypropylen oder Polycarbonat erfordern unterschiedliche Plasmaparameter. Für PET-Flaschen hat das Team um Awakowicz den Beschichtungsprozess gemeinsam mit Partnern aus der Industrie schon sehr weit optimiert.

Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert. Noch sind PET-Flaschen mit Barriereschichten nicht industrietauglich. Das soll in etwa zwei Jahren der Fall sein, sagt Peter Awakowicz.

Die RUB-Ingenieure entwickeln plasmagestützte Beschichtungsverfahren für PET-Flaschen. Eine Barriereschicht im Inneren der Flasche macht den Kunststoff dichter.

Die RUB-Ingenieure entwickeln plasmagestützte Beschichtungsverfahren für PET-Flaschen. Eine Barriereschicht im Inneren der Flasche macht den Kunststoff dichter.

Quelle: Gorczany/RUBIN

Wünschenswert wäre das alleine deshalb, weil Kunststoff ohne solche Barriereschicht durchlässig für Luft ist, die in beiden Richtungen durch das Material wandert. „Deswegen verliert Wasser in PET-Flaschen seine Kohlensäure, und Lebensmittel kippen um, verändern also zum Beispiel ihren Geschmack“, weiß der Bochumer Plasmaforscher.

Ein Beitrag von:

  • Detlef Stoller

    Detlef Stoller ist Diplom-Photoingenieur. Er ist Fachjournalist für Umweltfragen und schreibt für verschiedene Printmagazine, Online-Medien und TV-Formate.

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