Permeation von Barrierematerialien

Die Herstellung von Verpackungen mit hohen Anforderungen an die Permeationseigenschaften stellt nach wie vor eine enorme Herausforderung dar. So gilt es z.B. empfindliche Lebensmittel vor Sauerstoffeinfluss oder Wasser(-dampf) zu schützen. Wie durchlässig oder undurchlässig eine Barriere sein muss, hängt entscheidend von der Anwendung ab. Gerade High-Tech-Anwendungen bedürfen Barrierematerialien mit absolut neuen Hochbarriereeigenschaften. Dabei ist die Entwicklung von innovativen Materialien mit maßgeschneiderten Barriereeigenschaften heute ein kosten- und zeitintensiver Prozess. Der wesentliche Faktor ist dabei die derzeit sehr aufwendige Messung der Barriereeigenschaften. Die Beschleunigung dieser Messung ist somit auch ein wichtiger Schritt zu einer signifikant beschleunigten Materialentwicklung. Ein Verfahren, mit dem die Barriereeigenschaften von Polymerfolien zeitnah zur Produktion abgeschätzt werden kann, ist in der Lage, die Entwicklung neuer maßgeschneiderter Werkstoffe wesentlich zu beschleunigen. Ein Ansatzpunkt liegt in der Verwendung von Gasen mit geringen Diffusionskoeffizienten, wie etwa Helium. Auf diese Weise sollte sich die Analyse gegenüber Standard-Messungen mit Sauerstoff, Wasserdampf oder gar Aromamolekülen deutlich beschleunigen lassen. Unbekannt ist heute jedoch noch, ob solche beschleunigte Messungen mit standardisierten Methoden korrelieren. Darüber hinaus wäre eine derartige Methode auch in der Qualitätssicherung bei der Herstellung von Barrierefolien einfach einsetzbar.

Ziel des beantragten Vorhabens ist die erstmalige Entwicklung eines Atline-Verfahrens zur beschleunigten Beurteilung der Permeationseigenschaften von Barrierewerkstoffen am Beispiel von polymeren Nanocomposites nahe am Herstellungsprozess. Die Messdauer des Schnelltests soll bezogen auf eine Foliendicke von 100 µm auf wenige Minuten gegenüber den spezifischen Standard-Tests mit Messzeiten von 1 bis 2 Tagen reduziert werden. Dabei soll auch eine Korrelation zwischen den Messergebnissen des entwickelten Schnelltests und spezifischen Tests zur Permeationsanalyse erarbeitet werden.

In der ersten Projektphase werden Modellsysteme ausgewählt, mit denen die Messtechnik erprobt werden soll, sowie die Extrusionsanlage und der Atline-Permeationsprüfstand aufgebaut. Anschließend wird der Einfluss unterschiedlicher Prozessparameter der Compoundieranlageauf die Barriereeigenschaften identifiziert. Die Barrieremessung erfolgt vergleichend sowohl atline als auch offline. Die atline und die offline gewonnenen Ergebnisse werden anschließend gegenübergestellt.

In der zweiten Projektphase werden die in der ersten Projektphase gewonnenen Erkenntnisse gezielt für die Entwicklung von Barrierewerkstoffen angewendet, die Nanopartikel enthalten

Die Barrierewirkung von verschiedenen Basispolymeren wird durch den Einsatz von Nanopartikeln optimiert. Da aus der Literatur bekannt ist, dass plättchenförmige Nanopartikel hier wesentliche Vorteile gegenüber faser- und kugelförmigen Partikeln aufweisen, konzentriert sich das Projekt auf plättchenförmige Schichtsilikate. Neben den Messungen der Barriereeigenschaften werden weitere technologische Kenngrößen untersucht. Dies sind vor allem die Kristallinität der Proben und die Verteilung der Nanopartikel.