Biobasierte flexible Kompositmaterialien (BioFlexCom). Schlussbericht. Bewilligungszeitraum: 01.01.2011 - 31.12.2012 (Deutsch)

AIF-Forschungsbericht
; 2013
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Thema des Projekts war die Untersuchung und Entwicklung von Techniken zur Beschichtung biobasierter flexibler Materialien für Anwendungen im Verpackungs- und Textilbereich. Sowohl die Trägermaterialien als auch die Beschichtungen sollten aus erneuerbaren Rohstoffen hergestellt werden, sodass vollständig biobasierte und damit biologisch abbaubare Produkte resultieren. Drei Forschungspartner aus drei Ländern repräsentierten die Industriesparten Biopolymere (FILK, Deutschland), Textilien (CENTEXBEL, Belgien) und Verpackung (ITENE, Spanien). Durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit wurde erreicht, dass die Forschungsergebnisse nach Abschluss des Projekts europaweit für interessierte KMU verschiedener wichtiger Industriezweige zur Verfügung stehen. Das FILK bearbeitete entsprechend seiner Erfahrung und fachlichen Ausrichtung das Teilprojekt "Proteine als Beschichtungsmaterialien". Ziel war die Anwendung von Proteinen in etablierten industriellen Beschichtungsprozessen für Textilien und Papier. Es stellte sich heraus, dass es möglich ist, wässrige Dispersionen von Pflanzenproteinen (Weizengluten, Soja- und Erbsenprotein) mittels Rakeln auf ein ebenes Substrat aufzutragen. Die Methoden Foliengießen und thermoplastische Verarbeitung (Kalandrieren) sind zwar prinzipiell möglich, führten aber aufgrund ungünstiger technischer Randbedingungen nicht zu stabilen Beschichtungen. Aufgrund ihrer hohen Wasserempfindlichkeit und mechanischen Instabilität eignen sich Proteine nicht als äußere Deckschichten für Produkte, die Umwelteinflüssen, wie mechanischer Belastung oder Feuchtigkeit, ausgesetzt sind. Sie können allerdings als Klebeschicht zwischen einem Papierträger und einer Biopolymer-Deckfolie eingesetzt werden. Im Rahmen des Projekts wurden verschiedene Dreischicht-Verbundmaterialien aus Pappe, Proteinschicht und Biopolymerfolie untersucht und charakterisiert. Als optimal erwies sich folgende Kombination: (1) ein Träger aus festem Karton, der sich bei Anwendung von wässrigen Dispersionen nicht wellt; (2) eine Klebeschicht aus Weizengluten oder saurem Sojaprotein; (3) eine PLA/PHB-Folie, die vor der Anwendung durch Gasphasenfluorierung modifiziert wurde, um die Haftfestigkeit zwischen Protein und Folie zu erhöhen. Die Wasserdampfdurchlässigkeit des Verbundmaterials wird wesentlich durch die PLA/PHBFolie bestimmt, die weitere Charakterisierung bezüglich anderer Barriereeigenschaften steht noch aus. Insgesamt konnten im Projekt folgende Resultate erzielt werden: (1) Biopolymere können erfolgreich zur Beschichtung und Ausrüstung von Textilien eingesetzt werden (CENTEXBEL), (2) papierbasiertes Verpackungsmaterial mit verbesserten Eigenschaften kann durch Beschichtung mit ausgewählten Biopolymeren hergestellt werden (ITENE), (3) Proteine können als Klebeschicht zwischen Pappe und Biopolymerfolie eingesetzt werden (FILK). Die Technologien und Parameter stehen für interessierte KMU zur Verfügung, die Übertragbarkeit in den industriellen Maßstab konnte teilweise gezeigt werden, konkrete Anwendungen stehen allerdings noch aus.

Topic of the project was the investigation and development of techniques for the coating of biobased flexible materials for applications in the packaging and textile sectors. Substrates and coatings were intended to be based on renewable resources resulting in fully biobased and biodegradable composites. Three research partners from three countries represented the industrial branches biopolymers (FILK, Germany), textiles (CENTEXBEL, Belgium) and packaging (ITENE, Spain). The interdisciplinary collaboration guaranteed that the research results after the project are available for interested SMEs of different industrial branches on a European level. According to its expertise and experience FILK executed the subproject Proteins as coating materials". The aim was the introduction of proteins into established industrial coating processes for textiles and paper. It appeared that it is possible to apply aqueous dispersions of plant proteins (wheat gluten, soy and pea protein) on a flat substrate by bar coating. Other methods, like film casting and thermoplastic treatment (calendering), are principally possible, but did not lead to stable coatings because of unfavorable technical conditions. Due to their high water sensibility and mechanical instability proteins are not suitable as a final coating for products which are subjected to environmental influences, like mechanical stress or moisture. But they can be used as an adhesive layer between a paper substrate and a biopolymer film. Different three-layer composites of cardboard, protein and biopolymer film were investigated and characterized within this project. The optimal combination was: (1) cardboard substrate, which avoids corrugation with aqueous dispersions; (2) adhesive layer of wheat gluten or acidic soy protein; (3) PLA/PHB film, which was modified prior to use by gas phase fluorination in order to enhance the adhesion force between protein and film. The water vapour permeability of the composite is mainly determined by the PLA/PHB film. Further characterization in respect to other barrier properties is still outstanding. As a whole, the following results were achieved in the project: (1) biopolymers can be successfully used for coating and finishing of textiles (CENTEXBEL), (2) paper based packaging material with improved properties can be produced by coating with selected biopolymers (ITENE), (3) proteins can be used as an adhesive material between paper and biopolymer film (FILK). The technologies and parameters are now available for interested SMEs, and the transferability to industrial scale was partially shown. However, practical applications are not yet established.

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